我国对于矿山开采沉陷的研究逐渐深入,研究技术人员在不断努力中积累了丰富的经验和数据,通过精细的计算和总结,为研究矿山岩层和地表移动提供了可靠的参数,从而为矿体开采所引起的围岩变形和地表影响打下了坚实的基础。蓝航开发了弹塑性莫尔—库伦模型,分析了在不同开采活动的影响下覆岩与地表的破坏特征。袁志刚等基于建立保护层开采的数值模型,通过应力与应变的分析确定了上保护层在走向与倾向上的保护范围。吴静讨论了采用空场法、崩落法开采金属矿时,在不同的矿体倾角覆岩的条件下,上覆岩层的破坏及地表的位移特征。付俊基于数值模拟与现场调查结果进行综合分析,验证了沉降量大的隐患位置,并对充填前后的效果进行了对比。冯军为探究地下开采对山区变形的影响,基于理论研究和数据模拟的手段,总结了坡度、坡体形态、工作面的位置与方向等因素的影响下采动引起的山区地表的移动规律。李亚林等通过离散元数值模拟的方法,分析了不同区段在矿体开采后的地表向下位移和围岩稳定性问题。何昌春基于覆岩与地表沉降的力学机理,建立了关键层结构地表沉陷预测模型,对地表沉陷进行了预测。赵坤阳考虑了开挖扰动后岩体的力学性能变化,动态模拟了开采作用下岩层的位移变化规律。阎跃观等通过利用SRAS-INSAR 监测技术,深入研究了地表位移位置和速率的问题。赵云红依据地质、采矿与地形等方面分析各影响因素之间的关联度大小,通过算法改进了BP 神经网络,对采空区的竖向位移进行预测。庞厚利通过GPS 技术和水准仪等测量仪器,运用极限平衡法,深入研究岩层竖向位移的规律。胡盼庆通过关键层理论,运用midas软件进行数值模拟,研究了不同结构类型的关键层地表位移的相关规律。丁飞等采用数值模拟和相关地质理论,研究了地表位移规律,证明充填法可以控制地表位移。柯圣安结合实际,运用SURPAC 和FLAC3D 软件进行建模和数据模拟,研究岩层顶板的位移规律,对岩层位移及围岩稳定性进行了分析。
为探究深部金矿开采对矿岩位移及地表变形的影响,本文采用3DMine-FLAC3D 数值分析及建模软件,建立了阜山金矿整合矿区的三维数值计算模型,根据地下开采顺序方案进行分析,通过模拟围岩体力学参数,得出了不同剖面上的矿岩位移发展规律,并对金矿开采对地面构筑物的影响进行了评价,该文分析结果可为类似开采项目提供有价值的参考。
1 工程概况
3 计算结果分析
3.1 原始模型分析
(1)地表沉降变形分析。根据前述数值模拟分析方案,计算并提取地表沉降位移结果,如图9 所示。基于现有技术资料及研究工况条件下,当下方设计矿体回采、充填结束后,地表最大沉降变形约为7.5 mm,最大隆起变形约为4.5 mm;在整合矿区范围内,共有2 处沉降中心,分别位于东风矿区和庙耩矿区内,沉降中心坐标点分别为(4 054 880,414 800)和(40 547 250,4 147 050),阜山整合矿区地表沉降位移均小于10 mm。
(2)地表倾斜变形规律分析。分别计算沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表倾斜变形规律,从图10 可以看出,当下方设计矿体回采、充填结束后,地表沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表倾斜变形分别为-0.065 ～0.035 mm/m 和-0.04 ～0.044 mm/m;地表倾斜变形在±3 mm/m 范围内,能够满足《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)中Ⅰ级保护建筑物倾斜变形允许值要求。
(3)地表曲率分布规律分析。分别计算沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表曲率分布规律,从图11 可以看出,当下方设计矿体回采、充填结束后,地表沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表曲率分别为-0.08×10-3 ～0.016×10-3/m 和-0.01×10-3 ～0.014×10-3/m;地表曲率在±0.2×10-3/m 范围内,能够满足《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)中Ⅰ级保护建筑物曲率允许值要求。
(4)地表水平变形规律分析。分别计算沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表水平变形规律,从图12 可以看出,当下方设计矿体回采、充填结束后,地表沿X 向(东西向)和Y 向(南北向)地表水平变形分别为-0.05～0.04 mm/m 和-0.045～0.043 mm/m;地表水平变形在±2 mm/m 范围内,能够满足《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)中Ⅰ级保护建筑物水平变形允许值要求。
(5)深部开采对矿区重要建(构)筑物的影响。表2 为地表重要建(构)筑物处最大倾斜变形、最大曲率以及最大水平变形。从表2 中可以看出,基于现有技术资料及研究工况条件下,模拟区域范围内的主竖井、风井、选矿厂、尾矿库等Ⅰ级保护建筑物和村庄等地表建(构)筑物、矿山办公区、道路等 Ⅱ级保护建筑物的沉降、倾斜变形、曲率以及水平变形均能满足《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)的相关要求。
获得回采结束后207 风井分析剖面内的X 向水平位移云图如图15 所示,从图15 中可以看出,当阜山矿区开采及充填活动结束后,引起的X 向水平位移主要集中在回采区域附近,最大水平位移为6.93 cm,出现在深部矿体下盘附近,方向沿着X 正方向(即东向);在207 风井附近区域未出现显著的水平方向位移,说明在现有资料和技术条件下,地下矿体的回采活动未对207 风井产生影响。
通过统计分析207 风井中线处水平变形特征,如图16 所示。当阜山矿区开采及充填活动结束后,在207 风井井筒中心线处的水平变形在纵向上变化范围为-0.004～0.012 mm/m,相对变形较小;低于关于Ⅰ级建构筑物的水平变形±2 mm/m 范围的要求,说明在现有资料和技术条件下,地下矿体的回采活动未对207 风井影响很小。
(1)对阜山整合矿区回采过程进行了数值模拟,开采完成后,不同区域的沉降影响边界线倾角为58°～89°。矿体下盘处由于开挖卸荷作用而出现不同程度的底鼓现象,这体现在竖直位移为正值;矿体上盘的竖直位移均为负值,表明矿体上盘的变形特征为下沉。距离矿体越远,围岩变形越小。
(2)当下方设计矿体回采、充填结束后,地表最大沉降变形约为7.5 mm,最大隆起变形约为4.5 mm,阜山整合矿区地表沉降位移均小于10 mm,地表倾斜变形在±3 mm/m 范围内,地表曲率在±0.2×10-3/m 范围内,地表水平变形在±2 mm/m 范围内,均能满足《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)对地表建(构)筑物影响的相关要求。
(3)针对主竖井、207 风井井筒水平位移分布特征进行了分析,主竖井井筒中心线处的水平变形在深度上变化范围为-0.006 ～0.008 mm/m,207 风井井筒中心线处的水平变形在深度上变化范围为-0.004～0.012 mm/m,相对变形较小,地下矿体的回采活动未对主竖井、207 风井产生影响。
(4)阜山整合矿区的中长期的地表沉降监测表明,最大沉降位移约为2.9 mm,平均沉降变形约小于1.5 mm,地下开采引起的沉降观测点处的沉降位移很小。
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