充填法采矿影响下地表沉降及竖井位移安全评价分析

吴永刚

(北京国信安科技术有限公司，北京 100160)

近年来，随着计算机科学技术的长足发展，为研究金属非金属矿山地下开采引起的地表沉降和位移提供了越来越多的手段[1]。诸多学者采用数值模拟的手段研究地下开采对地表建筑物的影响程度，李全明等[2]对矿山地下开采对地表建筑物影响的评价方法进行了研究，刘金山等[3]开展了地下开采引起的地面沉降对铁路安全的影响性分析研究。目前对于定量评价采用充填法开采的矿山由于开采引起的地表沉陷问题较少。而随着资源开采的进程逐步推进，受到条件限制和为了最大限度地开发利用矿产资源，按照常规的工程类比法或经验分析法确定的地表岩石移动范围有时不可避免地有受保护的对象落入其中，如果按照常规的定性分析评价方法进行此类建设项目的安全评价工作则难以客观且准确地评价项目的安全可行性，本文旨在提供一种采用数值模拟的手段进行定量评价的方法以期能在项目的可行性研究阶段进行定量的安全评价，为下一步安全设施设计阶段提供针对性地安全对策措施建议。

1 矿山可研设计方案简述

某铜矿为了平衡接续矿量，开展了某矿体(MTS)-560 m标高以下端部矿体开采接续工程的可行性研究，以下简称“可研报告”，属于改扩建建设项目，按照《建设项目三同时监督管理办法》需要在可行性研究阶段开展安全预评价。

1.1 矿山开采现状

MTS矿体-560 m以下(W5A线以西)共划分有16#、17#、18#、19#、20#、21#、22#、23#、24#、25#、26# 11个采场。其中-560 m以上21#采场已回采并充填结束，17#采场正在回采。22#采场分布在-615 m水平以上，23#采场分布在-625 m水平以上，24#采场分布在-635 m水平以上，25#、26#采场分布在-640 m水平以上。图1为MTS矿体-560 m以下矿体开采纵投影图。

图1 MTS矿体-560 m以下矿体开采纵投影图(单位：m)Fig.1 MTS ore body mining vertical projection of ore body below -560 m(Unit:m)

1.2 可研报告设计开采方案

可研报告设计的开采范围为MTS矿体-560 m以下、-640 m以上(W5A线以西)的矿体，设计利用资源储量为84.87万t。开采方式为地下开采，采用自下而上的开采顺序，首采地段为-630 m水平24#采场。

根据矿体形态分布特征、顶底板围岩工程地质条件、水文地质条件确定选用该铜矿应用多年的大直径深孔(或深孔)采矿法。21#采场(含)以东18#、19#、20# 采场与-560 m以上的矿体一并开采。

采场构成要素：为了与-560 m水平以上采场垂直对齐，采场垂直矿体走向布置，采场划分矿房、矿柱，宽度均为15 m，长度为矿体厚度。分两步骤回采，一步骤回采矿柱，采用1∶4～1∶8的尾砂胶结充填；二步骤回采矿房，采用全尾砂充填。中段高度60 m，分段高度30～40 m。

2 矿岩开采界限评价分析

根据矿床生产勘探报告，矿体的顶板围岩主要为闪长岩、大理岩，类比其它矿段选取的岩石移动角为上盘α=65°，下盘β=65°，侧翼δ=70°，表土为40°，按开采到-640 m中段重新圈定的移动范围见图2。

可研设计范围内矿体顶板围岩主要是白云石大理岩、大理岩和透辉石矽卡岩；底板为闪长岩、透辉石矽卡岩，除局部破碎、风化、稳定性稍差外，一般岩石稳固性较好，充填采矿法矿体移动带圈定的范围为65°～70°。综合二者考虑，《可研报告》按照上盘ɑ=65°、下盘β=65°、侧翼δ=70°、表土为40°圈定开采移动范围。

影响岩层移动角的主要因素很多，如岩石性质、地质构造、矿体厚度、倾角与开采深度以及采矿方法等，设计时可参照类似的矿山数据选取。一般地，上盘移动角α小于下盘移动角β，而走向端移动角δ最大，各种岩石移动角概略数据如表1所示。

图2 经验值圈定的地表移动范围Fig.2 The range of surface movement delineated by empirical value

表1 岩石移动角[4]

按照可研报告确定的岩石移动角，地面已有的采选工业场地未落在工程设计重新划定的矿岩开采移动界限内，但西风井(+40.5～-280 m，井口安装一台 DK-8-№28型风机，功率N=2×355 kW，为矿山主出风井)位于本次划定的矿岩开采移动界限范围内。针对此问题，安全预评价报告引入数值模拟的手段对开采移动界限划定进行安全评价分析。

3 采动过程数值模拟过程

3.1 数值模型分析构建

1)基本假定

为了构建数值模型，按照目前矿山岩体工程数值分析研究的通常做法，做如下假定[5]：

(1)每一种岩体和充填体均为各向同性的连续介质。

(2)充填体充分接顶，但是，需要特别设定充填体与直接顶板之间的接触面单元，该接触面仅能传递上部顶板对充填体的压应力，而充填体无法向岩体传递拉应力，接触面单元的抗拉强度等强度参数忽略不计[5]。

(3)在模拟计算中仅考虑矿山地应力和重力的静力学作用，忽略地震、爆破振动和气-水-热等渗流场因素对岩体和充填体稳定性的影响。

(4)岩体和充填体都是服从摩尔-库伦破坏准则的弹塑性结构体。

2)采场标识和回采、充填顺序

MTS矿体W5A线以东1～21#采场继续遵循“隔三采一”开采原则布置采充时序，进行各个采充时序的计算平衡得到本次研究区域的初始地应力状态。

结合《可研报告》，对本次重点研究的MTS矿体-560 m以下(W5A线以西)的矿体采用的采充时序如下：

一步骤开挖22#、24#、26#采场，计算平衡。所有采场进行尾砂胶结充填(每个采场下部10 m采用1∶4的胶结充填体充填，余下高度采用1∶8胶结充填体充填)，计算平衡。二步骤开挖23#、25#采场，计算平衡，所有采场进行尾砂非胶结充填，计算平衡。

3)材料参数

MTS矿体为含铜矽卡岩和含铜闪长岩，在数值模型中为了方便建模，将矿体的倾角假定为90°，且对所有实际采场的不规则边界进行平整化处理。矿体的上盘围岩为大理岩，下盘围岩为闪长岩，主要岩体物理力学参数如表2所示(参考该矿已有的岩体力学研究报告)。

表2 岩体物理力学参数表

目前，该矿山的充填体主要分为3类：充填体1，也称高强度尾砂胶结充填体，灰砂比为1∶4，主要用于采场充填体底板充填；充填体2，也称低强度尾砂胶结充填体，灰砂比一般在1∶8左右，主要用于一步骤采场充填；充填体3，即尾砂非胶结充填体，主要用于二步骤采场充填。本次数值模拟分析中选用的3类充填体物理力学参数见表3(参考相关研究中对旧采场高强度胶结充填体底板的现场钻探取样和实验结果)。

表3 充填体物理力学参数表

构建的数值模型的三维尺寸为1 170 m×675 m×1 095 m。沿着矿体走向方向定义为X方向，总宽度1 170 m；垂直于矿体走向方向定义为Y方向，总长度675 m；实际垂直方向定义为Z方向，总高度1 090 m。该数值计算模型涵盖了MTS矿体W10号勘探线以西自地表+45～-640 m水平内的所有采场。图3为构建的三维数值模型图(图3a)以及沿着Y=10 m截面的投影正视图(图3b)。从图3b中可以看出，整体模型的网格单元采用了不等划分方式，其中：重点分析的采场区域-365～-640 m的网格较密，网格边长在5 m/格左右；矿体上下盘围岩均采用了由中间向四周辐射放大的网格划分模式，与矿体单元接触的围岩网格等于相连接的矿体网格尺寸(5～10 m/格左右)，并向模型外围逐步扩大，围岩区域平均网格边长在10～20 m/格之间。

图3 构建的数值模型(a)三维数值模型；(b)沿Y=10 m截面图Fig.3 Built numerical model (a)Three dimensional numerical model，(b)Section along Y=10 m

4)初始地应力和边界条件

初始地应力采用矿山实测数据，在数值模型的侧向边界上分别施加相应的最大和最小水平地应力边界，其中，垂直于矿体走向(沿勘探线方向、沿采场长度方向)的侧面边界施加随埋深线性增加的最大水平主应力，沿矿体走向(沿采场宽度方向)的侧面边界施加随埋深线性增加的最小水平主应力。整体模型的底面限制三向位移，侧面仅限制水平位移，顶面(地表)为自由面。

3.2 数值模拟计算结果与分析

本次数值模拟从开挖开始直到所有采场采充完毕的整个过程中，对地表的沉降进行了监测，得到了最终位移云图(图4)，MTS矿体的开采划定的矿岩移动界限与本次可研划定的矿岩移动界限相接近，均将地表有出口的西风井划入其中，因此本次数值模拟着重对西风井在整个MTS矿体开采过程中的稳定性进行了分析，得到西风井地表最大竖直沉降位移曲线如图5所示，西风井井筒内各处的位移随井筒深度变化曲线如图6所示。

图4 地表沉降位移云图(单位：m)Fig.4 Contour of surface subsidence and displacement(Unit：m)

图5 西风井地表出口处的沉降位移曲线Fig.5 Displacement curve at the surface outlet of Xifeng shaft

图6 井筒内位移随井筒深度变化曲线Fig.6 Curve of displacement in shaft with shaft depth

由图4～6可知，西风井地表出口处在整个MTS矿体开采过程中产生的最大沉降位移值为3.4 mm，沉降值较小，而井筒内的位移量随深度的增大而增大，在靠近井口处(40.5～10.5 m段)变化较快，在深部(10.5～-280 m段)变化趋缓并达到最大值4.9 mm，与根据理论值划定移动界限时的规律一致。

西风井位于岩石移动界限范围内，通过数值模拟的结果可知，由于该矿山采用充填法进行开采，开采后的采空区经充填体支撑后对整个围岩保持其完整性有积极作用，产生的位移错动不显著。虽然西风井不作为安全出口，但是作为主要的回风设施，应在以后的开采过程中加强监测(包括井筒内的位移)，一旦发现位移有突变等异常情况时立即采取相应的工程措施。

4 结论

1)分析了当前安全评价过程中缺少地下开采矿山地表岩石移动带圈定的定量评价手段，以往的评价方法存在依据工程类比和经验分析方法进行定性分析这一弊端。

2)较为详细地介绍了定量评价岩石移动界限的数值模拟方法，包括数值模拟的假定、采充时序的确定、模型分析构建、原始地应力和边界条件设定。

3)通过某矿山平衡接续矿量扩建工程项目的安全预评价案例进行了定量评价，根据评价的结果提出了相关的安全对策措施建议。