黃 斌張 寧林玉川李庸慶王 靖任遠(yuǎn)芳

（1.霍邱縣慶發(fā)礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計有限公司；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；5.安徽富凱礦業(yè)有限公司）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦山周邊的廠房、村莊不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致巖體移動監(jiān)測范圍內(nèi)存在道路、村莊、廠房等建（構(gòu)）筑物。礦體開采后，地應(yīng)力重新分布，引發(fā)上覆巖層移動，進(jìn)而使地表建筑發(fā)生變形，嚴(yán)重時將造成破壞，對礦區(qū)周邊人員和財產(chǎn)造成威脅［1］。

安徽霍邱地區(qū)某礦體上部第四系厚約200 m，設(shè)計第四系下部留設(shè)不小于50 m 的隔離層礦柱，其地表巖體移動范圍分布有農(nóng)田、道路、村莊等。為研究該礦床開采對地表的影響，研究采用FLAC3D軟件，基于拉格朗日有限差分法，計算開采過程中應(yīng)力、位移分布情況［2-4］，分析地下開采對地表的影響。

1 礦山概況

1.1 礦床概況

該鐵礦礦床由1 個主礦體和多個零星小礦體組成，礦體賦存于周集巖組含磁鐵礦巖段中。礦體呈似層狀，單層厚度為18.58～36.59 m，夾層厚度為2.1～8.97 m，傾向南西，淺部礦體傾角為45°～60°，深部礦體傾角為5°～15°。礦體標(biāo)高為-180～-734 m，最大斜長約為700 m，走向為330°，長度為1 600 m。

礦床被第四系松散層所覆蓋，風(fēng)化帶呈似層狀分布，穩(wěn)定性差，礦體及其頂、底板巖石穩(wěn)定性較好，礦床屬于堅硬、半堅硬層狀礦床工程地質(zhì)類型。礦床構(gòu)造復(fù)雜程度相對簡單，主要以Ⅲ、Ⅳ結(jié)構(gòu)面為主。第四系松散層、風(fēng)化帶及局部破碎帶影響巖體穩(wěn)定。巖體質(zhì)量分級見表1。

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礦山水文地質(zhì)條件簡單，地表以及各含水組之間水力聯(lián)系簡單，礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)良好。

礦區(qū)地表平坦，標(biāo)高在30～39 m，礦區(qū)巖體移動監(jiān)測范圍內(nèi)分布村莊、道路等建（構(gòu)）筑物，保護(hù)等級屬于II類。

1.2 設(shè)計情況

礦山設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為95 萬t/a，設(shè)計開采標(biāo)高范圍為-250～-600 m，礦區(qū)第四系厚度約為200 m，分布標(biāo)高在40～-180 m。

為保證第四系的穩(wěn)定，設(shè)計最高開采標(biāo)高為-250 m 水平，以上有厚度為50～90 m 的礦體（包括氧化礦體）作為護(hù)頂?shù)V柱。根據(jù)各勘探線護(hù)頂?shù)V柱厚度統(tǒng)計與校核，5#勘探線剖面護(hù)頂?shù)V柱厚度最小，為79.47 m；2#勘探線剖面新鮮基巖工程地質(zhì)組厚度最小，為37.84 m；5#勘探線剖面風(fēng)化基巖工程地質(zhì)巖組厚度最小，為19.47 m，各勘探線剖面上護(hù)頂?shù)V柱與各工程地質(zhì)巖組厚度見表2。

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2 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗

2.1 試驗內(nèi)容

對礦體及頂?shù)装鍘r石取樣，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗。試驗包括單軸抗壓強(qiáng)度試驗、劈裂拉伸試驗、剪切變形試驗和變形試驗。

巖石力學(xué)試驗結(jié)果匯總見表3。

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2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

巖體是由一系列結(jié)構(gòu)面及被結(jié)構(gòu)面切割成的結(jié)構(gòu)體所組成的復(fù)雜介質(zhì)，與巖石有較大差別。在模擬計算時，需對室內(nèi)力學(xué)試驗結(jié)果進(jìn)行折減處理。折減后的礦巖體力學(xué)參數(shù)見表4。

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3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型建立

根據(jù)礦體的分布以及回采盤區(qū)的尺寸情況，模型上部為礦區(qū)地表，其余各邊界距開采邊界的距離是盤區(qū)尺寸3 倍以上［5］。建模范圍為南北方向2 200 m，Y軸 坐 標(biāo) 自3 590 800～3 593 000 m；東 西 方向2 000 m，X軸坐標(biāo)自39 401 800～39 403 800 m；下部邊界為-800 m 水平。

模型根據(jù)巖層、中段礦塊設(shè)計及圍巖留設(shè)情況劃分材料類別，包括第四系（dsx）、風(fēng)化層（fhc）、礦塊（350～450 m）、圍巖（wy）等，共建立929 195 個網(wǎng)格單元，20余個回采單元。模型典型剖面見圖1。

3.2 模擬開采順序

按照設(shè)計推薦回采順序，水平方向上自中間3#勘探線和5#勘探線向兩翼回采，垂直方向上先回采-450 m 中段礦體，隨后開采-350 m 中段礦體，最后回采-600 m中段礦體。

3.3 計算結(jié)果分析

為了清晰地反映礦體開采過程中位移發(fā)展規(guī)律，本次論證結(jié)合平面圖和剖面圖進(jìn)行分析。平面圖利用計算模型表面圖，剖面圖根據(jù)保護(hù)對象相應(yīng)位置，共設(shè)計了4 條虛擬計算監(jiān)測線，分別為1#、2#、3#和4#，見圖2。

礦體開采結(jié)束后，采場圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)受到了擾動，采場周邊區(qū)域在彈性恢復(fù)以及自重作用下向暴露面方向移動，造成其周邊圍巖發(fā)生位移，進(jìn)而逐漸影響至地表［6］，通過1#～4#監(jiān)測線和地表位移等值線圖分析礦床開采的影響區(qū)域，為后續(xù)變形及曲率計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖3～圖7）。

從圖3 中可以看出，受礦體開采影響，1#監(jiān)測線影響區(qū)域在Y方向上的3 590 800～3 593 000 m，深部影響區(qū)域在-250～-600 m，主要影響區(qū)域出現(xiàn)在-400和-500 m處。深部最大位移為70 mm，地表區(qū)域最大位移為37 mm。

從圖4 中可以看出，受礦體開采影響，2#監(jiān)測線影響區(qū)域在Y方向上的3 591 000～3 592 700 m，位移等值線在-600 m 中段形成等值線拱，最后延伸至地表形成不閉合等值線群，深部最大位移值為65 mm，地表區(qū)域最大位移值為18 mm。

從圖5 中可以看出，受礦體開采影響，礦體開采在該監(jiān)測線的影響區(qū)域在X方向上的39 401 900～39 403 100 m，對該監(jiān)測線所在剖面的影響小，主要以不閉合等值線群出現(xiàn)，深部區(qū)域影響小，地表區(qū)域影響相對較大，最大位移值為19 mm。

從圖6中可以看出，受礦體開采影響，該監(jiān)測線的影響區(qū)域在X方向上的39 401 800～39 403 500 m，位移等值線在-600 m 中段形成等值線拱，最后延伸至地表形成不閉合等值線群，深部最大位移值為75 mm，地表區(qū)域最大位移值為31 mm。

圖7為礦體開采結(jié)束后地表位移等值線圖，可以看出，受礦體開采影響，地表位移以礦體開采區(qū)域為中心向外呈等值線拱，開采區(qū)域中部位置地表位移最大，遠(yuǎn)離開采中心，位移等值線半徑變大，位移值變小，地表最大位移值為41.5 mm，出現(xiàn)在桃園村與張家夏樓之間區(qū)域。

4 安全評判

礦山開采引起的地表建（構(gòu)）筑物的破壞主要由傾斜和變形導(dǎo)致。我國評判礦體開采對建筑物破壞等級的標(biāo)準(zhǔn)采用傾斜、曲率及水平變形值為依據(jù)，需根據(jù)位移與變形相互關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化計算［7］。通過對比地表發(fā)生的傾斜、曲率及水平變形值是否符合相關(guān)規(guī)范的允許值，判斷建（構(gòu)）筑物是否發(fā)生破壞。

4.1 模擬監(jiān)測點布設(shè)

為尋求礦區(qū)地表最大傾斜、曲率及水平變形值，結(jié)合上述數(shù)值模擬計算結(jié)果，在模型表面保護(hù)對象及位移變化明顯的區(qū)域布置模擬監(jiān)測點，模擬監(jiān)測點網(wǎng)格為100 m×100 m，共計設(shè)置模擬監(jiān)測點110個，監(jiān)測點布設(shè)見圖8。

4.2 評判標(biāo)準(zhǔn)

參照《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》，分2步驟評判地表保護(hù)對象的變形與曲率的允許值。首先對照建（構(gòu)）筑物的重要程度劃分保護(hù)等級表，該礦山地表分布有學(xué)校、長度大于20 m 的2 層和3 層以上住宅樓、一級公路等，屬于Ⅱ類保護(hù)等級。

Ⅱ類保護(hù)等級建（構(gòu)）筑物允許地表傾斜、曲率及水平變形值見表5。

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4.3 評判結(jié)果

通過計算，整個礦區(qū)地表最大變形及曲率出現(xiàn)在張家夏樓與桃園村之間的進(jìn)礦大道和張家夏樓北部村莊區(qū)域，最大傾斜為0.123 4 mm/m，最大曲率為0.000 8×10-3/m，最大水平變形為-0.092 4 mm/m，均遠(yuǎn)小于Ⅱ類保護(hù)等級構(gòu)筑物的允許值。

5 結(jié) 語

（1）數(shù)值模擬表明，該礦區(qū)地表最大變形及曲率出現(xiàn)在張家夏樓與桃園村之間的進(jìn)礦大道和張家夏樓北部村莊區(qū)域，其變形值符合相關(guān)規(guī)范要求，不會對建（構(gòu)）筑物的安全造成太大的影響。

（2）對于厚大第四系礦山，留設(shè)合適的水平隔離層礦柱及采用空場嗣后充填法開采礦體，引起的地表位移及變形較小，對地表建（構(gòu)）筑物的影響較小。