段村－雷沟矿区地表岩移监测技术研究

赵淑霞

（中铝矿业有限公司，河南 郑州450041）

1 研究主要内容

以段村－雷沟矿区为对象，以地理信息系统（GIS）技术为基础，开发建立矿区地表动态三维地质立体模型，实现对地面地质、地形、地面沉降、工程分布、社会环境的数字化管理。根据矿床赋存条件、围岩体条件、开采方法等特点，采用三维有限元和离散元方法进行开采过程的数值模拟研究，系统研究采区上覆岩层随开采过程的变形规律和地表沉陷规律，掌握上覆岩层移和地表沉降（岩移）发展趋势。在数值模拟研究的基础上，进行地面沉降观测方法、观测方案研究，进行观测网站站点的优化分析，完成地面观测网站的设计、在此研究的基础上，建立地面沉降观测网站，根据矿山开发计划进行网站的布设。根据地表地质地形条件，结合开采技术条件、开采计划，研究地表发生地质灾害的可能性、地质灾害的类型等，实现对地表沉降观测资料、可能地质灾害的数字化、可视化三维图形管理和显示。

研究工作的技术方案主要包括现场调研室内试验、数值计算三维建模、GIS工作站建立、地表监测网站的优化研究等。基于研究内容和研究开发的技术方法和基本路线可用图表示流程。

2 岩体力学性质

岩体是地下工程的环境，掌握岩体结构特征及岩体质量、对岩体进行分类、开展岩体工程稳定性评价可为地下岩体工程开挖与支护设计、工程施工、采矿方法选择、采场结构布置、地压管理等提供基本依据。根据现有的矿床地质勘查资料、工程进展等条件，开展岩体工程稳定性评价，为矿山建设和生产设计提供基础资料；同时，在对岩体进行室内试验测定岩石的相关力学参数的基础上，根据岩石的力学来确定岩体的力学参数，可为采区岩移和稳定性分析提供岩体的基本力学参数。

图1 研究开发技术流程图

2．1 岩体工程地质条件

段村－雷沟矿区属于高山与平原接壤的低山丘陵地区，总体地势西高南低、两边高中间低的谷地。位于坻坞－仁村一带，大部分处在两个低山间的凹地下，以F4断层为界，分为东、西两个矿段，西矿段为段村矿段，地表有铝土矿体出露，西起南坻坞、东至南沟村，东西长6．5km，南北宽1～1．3km；东矿段为雷沟矿段，地表无铝土矿矿体出露，矿体埋藏相对较深，该矿段西起南沟煤矿、东至上洪阳，东西长7．2km，南北宽0．8～1．5km［1］。

矿山岩石力学参数是矿山开采技术条件的重要指标，对于指导矿山开采设计、井巷工程支护有重要意义，以及为进一步的地压控制研究等提供基本数据资料。在地质勘查阶段，由勘查单位对段村－雷沟矿区的矿、岩石开展了一定量的岩石力学性质实验研究。经实验室，目的是在以往岩石力学性质室内研究的基础上，补充开展岩石的力学性质，完善矿山岩石力学参数，针对干燥条件下的岩石试样进行力学性质试验研究，其内容包括岩石的单轴抗压强度、抗拉强度，测试岩石的抗压、抗拉强度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等力学参数。

表1 岩石单轴抗压实验结果

2．2 岩体性质及力学参数

岩体是由岩石与结构面组成的地质结构体，是地下工程建设和生产的环境。岩体的力学性质既取决于岩石的性质，也取决于结构面的性质以及地下水等环境因素的影响。一般认为岩石的强度高，岩体的强度就较高，而结构面的性质在岩体强度的选取上起决定性的作用。对岩体介质选取适当的岩体力学参数是保证工程设计计算、稳定性数值模拟分析结果的可靠性的重要条件。工程岩体因尺寸效应和不连续面的影响，现场岩体的强度往往小于岩块的强度，在岩体工程设计中，若遇到无连续性好的大地质构造时，应采用岩体强度指标，而不能使用岩块强度指标。

岩体力学参数确定最直接的方法是在现场进行大尺度的岩体力学参数的测定但现场测定的难度大、时间长、成本高，而且现场测试点的岩体参数对于大尺度的岩体而言难有代表性，所以一般建设工程都很难开展直接测定研究工作。如何估算岩体强度，除了在有条件的地方进行必要的现场实测之外，一般情况下是以岩体质量分类为基础，对岩体强度进行间接估算。经岩石力学的发展，多年来已形成了节理岩体力学参数估计的工程处理方法，即由岩块的力学参数。该工程处理方法经许多个工程的验证是切实可行的，其结果是可靠的。另外，一些学者在大量岩体工程实际测试和室内岩石力学实验的数据的基础上，采用统计分析的方法来确定相关岩体和岩石强度以及其他力学参数。

3 段村－雷沟矿地表岩移三维有限元模拟研究

有限元模拟法［1］比有限单元法、边界单元法、离散单元法概念清晰、原理简洁，易为大多数人接受，更为重要的是该方法更为成熟［2］。

随着开采跨度逐渐增加、采空区范围扩大，需要分析围岩变形、开裂、冒落，地表出现大面积移动、塌陷，造成上覆岩层破坏。由于上覆岩层复杂的地质结构体，具有非均质、非连续、非线性等特征，且矿山开采是一个复杂的力学变化过程，无法用常规方法来解析，有限元数值模拟技术可以建立复杂的上覆岩层、铝土矿组成的地质模型，再现铝土矿开采造成上覆岩层的破坏、地表岩移甚至塌陷的变化规律。建模时，根据工程勘查的各剖面，在做一定简化，完成对矿区的三维地质模型、有限元计算三维模型、矿体三维模型。由于上覆岩层存在大量的地质结构面，导致各力学参数不同，模拟时简化为矿体、上盘、直接顶、下盘四层。同时依据《可研报告》［3］，确定开采范围及标高。对建立的有限元模型在自重应力场及边界约束条件进行分析计算出所有计算单元的岩体应力大小与方向，根据这些参数可进一步给出采区范围内岩体应力大小与方向、岩体屈服范围，变形与移动量值以及岩移方向，为地表岩移分析提供数据。最后采用处理切片技术，依据地质模型体剖面划分结果，分布计算上覆岩体破坏情况及地表岩移、沉陷结果。

通过有限元极限分析法，充分考虑了岩层实际力学性质，模拟地表不同地貌形态、矿体赋存状态条件、不同开采跨度条件下铝土矿开采引起上覆地层移动和地表沉降量值。通过研究，塑性屈服（破坏）区形成与发展按不对称性的倒喇叭状从采区边缘向上扩展至地表，并不按传统意义上崩落采矿法的崩落角从采场边缘以喇叭状向上扩展到地表，且上覆岩层的变形和移动以及崩塌不是直线向上扩展的，而是非直线的复杂扩展过程。

4 研究结论与建议

段村－雷沟矿区为国内金属矿山的大型矿区，矿床展布范围广，开采范围大，地表地质地形（河流分布）与人文（村镇、公路工业建筑、良田旱地等）环境复杂，矿床埋深不大，且浅部岩层遭受民采破坏，地下岩体工程地质条件也很复杂。这些复杂条件的综合作用将直接影响矿山开采工程中的地表岩移与沉陷，预防地表地质灾害的发生将是矿山不可回避的问题。因此，开展地表岩移技术研究不仅是建设一流的现代化矿山的要求，也是搞好矿山与地方关系、建设和谐社会的需要；同时，加强地表岩移监（观）测对于确定地表安全范围，减少土地征用，保护地表环境等，将会产生显著的经济效益。本文围绕段村－雷沟地表岩移技术问题开展研究，是开展大规模地表岩移监测的前期研究，对今后实际工作提出以下建议。

1）建议在井巷工程建设过程中，继续开展详细的岩体节理裂隙工程地质调查与工程岩体稳定性评价工作，为井巷工程与采场围岩稳定性评价及其支护提供依据。

2）在具体的工程建设和生产阶段，建议分区段对井下揭露的围岩层的岩石力学性质做进一步的实验研究，掌握准确的工程围岩岩石力学性质，与岩体节理裂隙调查相结合，完善对岩体的力学性质的掌握。

3）地表岩移是一个极为复杂的物理力学过程，受矿区岩体工程地质条件、水文地质条件、矿区赋存条件、开采几何尺寸、采矿方法、开采顺序、开采强度等综合因素的影响，在实际生产过程中还需要加强进一步的地表岩移研究工作，探索开采与地表岩移的量化关系。

4）由于矿区地表环境的特殊性，建议矿山尽早建立地表岩移监（观）测站点，开展监（观）测工作，以便在生产开采之前获得地表测点的初始数据。

5）为了科学合理地从事矿山开采与井巷工程支护设计、矿山低压与岩移分析等，原岩应力测试工作，掌握原岩应力的大小、方向，以及随深度变化的规律。

6）在段村－雷沟矿区建立起来的局域网络系统，不仅可以作为将来地表岩移监（观）测技术数据处理与管理的平台，也可以作为矿山其他技术管理的综合平台，充分发挥其作用。

［1］ 朱伯芳．有限单元法原理与应用［M］．北京：中国水利水电出版社，1998．

［2］ 中国铝业股份有限公司矿业分公司、河南省有色金属地质勘查总院．河南省渑池县段村－雷沟矿区铝土矿勘查报告［R］．2005．

［3］ 长沙有色冶金设计研究院．中铝矿业分公司段村－雷沟铝土矿采矿工程可行性研究报告［R］．2006．