韩智勇 曹建立 刘 洋 刘 欢 李广辉 谭宝会

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

金属矿床地下开采，引起围岩移动、破坏。研究地表岩移规律，对于合理确定地表移动范围，优化矿山地表总图布置、保障生产安全等意义重大。目前对倾斜、缓倾斜煤层开采移动机理认识较深入，已建立各种可指导生产的地表及岩层移动的预计理论和模型［1-2］，对急倾斜煤层开采岩层移动规律和机理的研究起步较晚，但也取得了众多代表性成果［3-7］。金属矿山具有与沉积煤矿不同的岩体、地质、开采条件与采矿方法，对其急倾斜金属矿开采难以应用煤矿通用的方法来研究地表移动规律，我国部分金属矿山通过建立各类观测站研究开采沉降规律［8-11］，空间测量和大地测量精度受天气和环境影响较大，费用高，而且由于起步较晚，国内金属矿地表岩移数据相对较少。随着数值方法分析能力的提高，大容量、高速度的计算机出现，数值模拟［12-14］已经成为研究地表岩移和预测的重要手段之一，但这些研究多针对某一具体的工程背景，对于急倾斜厚矿体这一大类的矿体开采地表移动规律的研究还不够深入。本项目利用FLAC3D有限元分析软件，根据开采深度、矿体倾角、矿体厚度三因素进行正交试验设计模型方案，对急倾斜厚矿体开采的岩移规律进行系统研究，为地表沉陷变形进行预测和分析工程实践提供理论依据。

1 数值模拟计算模型和计算方案

针对矿体倾角、矿体厚度、开采深度3个因素，选取4个水平，设计L16（45）正交试验方案（其中2个位空白列），各因素取值及试验方案如表1所示。

根据试验方案建立FLAC数值模型，模型尺寸长度为800 m，宽度为100 m，矿体埋深100 m，分为4个中段进行开采，阶段高度为60 m，矿体开采之后空区不充填；模型四周约束水平位移，底边界约束x、y和z方向位移，上表面为自由表面，模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，并在模型表面每隔15 m设置位移监测点，数值模拟计算基础简化模型如图1所示，模拟计算参数如表2所示。

2 岩移影响因素敏感性分析

各方案试验结果见表3。

对表3中的试验结果进行了极差分析，结果见表4，KSLi、KSVi、KLi分别为指标 SL、SV、L 在水平 i下指标的偏差平均值（i=1、2、3、4），R为极差。各因素列的极差均大于空白列的极差，说明计算结果可靠。对于SL、L指标，均有RH＞RA＞RB，即开采深度的影响程度最显著，对于SV指标，RA＞RH＞RB，即矿体倾角的影响程度最显著。矿体倾角A与矿体开采深度H对应的各个指标的极差值，相差较小，表明2因素对各指标影响程度相近。

表5为试验结果的方差统计结果，在显著性水平α=0.05时F值为4.76。在指标L上，矿体倾角、矿体厚度和开采深度均有显著影响，其中矿体倾角和开采深度影响非常显著，对于指标SL、SV，矿体倾角和开采深度具有显著影响。对于指标L和SL，因素H的F比值要大于因素A所取得的F比值，表明因素H的影响程度要高于因素A；对于指标SV，因素A的F比值要大于因素H的F比值，表明因素A的影响程度高于因素H，和极差分析结果一致。

3 地表岩移规律分析

3.1 水平移动与水平变形特征分析

由于矿体厚度对地表岩移的影响程度最小，因此将角度相同的开挖方案的位移曲线作为同一组进行比较。图2为各方案的地表水平移动曲线，可见地表水平移动为非对称的“山峰—山谷”状曲线，相同倾角条件下，曲线峰值即水平移动的极值随开采深度的增加而增加，峰值位置与回采中心线的距离随开采深度的增加而增加，相同开采深度条件下，曲线峰值随倾角的增加而减小，峰值位置与回采中心线的距离随倾角的增加而减小；上山侧坡度要普遍小于下山侧坡度，即靠近中心线侧的水平变形值较高。在矿体上盘地表水平位移山峰曲线之后在靠近矿体中心线位置形成一个小的山谷型曲线，即上盘挤压变形区，倾角越小，该曲线越完整，随着倾角的增加上盘挤压变形区消失，如方案16，在下盘形成和上盘近乎对称的山谷曲线，即拉伸变形区。各方案的最大水平变形值位于“山脚处”，方案13的最大水平变形为0.77 mm，也是16个方案中的最大值。

3.2 下沉与倾斜变形特征分析

图3为各方案的下沉曲线，图3（a）为较为规整的漏斗型曲线，当角度为65°时，方案2和方案6的下沉曲线也是漏斗形曲线，当角度为75°时，方案3和方案7也会在紧靠矿体上盘部位出现隆起区，当角度为85°时，方案4和方案8也会在紧靠矿体上盘部位出现隆起区。随着矿体厚度的增加，紧靠矿体上盘的部位开始出现隆起区，方案4、方案7、方案3的隆起区最为明显，表明当开采深度增加到某一深度后，靠近矿体中心附近的岩体会发生隆起。在倾角为55°、65°时，相同监测点垂直位移随矿体厚度、开采深度的增加而增加，在倾角为75°、85°时，沉降中心上盘侧监测点符合此规律，方案3和方案15的最大垂直位移相差不多，方案6的最大垂直位移要远高于同倾角的其他方案，表明在倾角较小时开采深度影响程度要高于矿体厚度，当倾角增加时，开采厚度的影响程度趋于显著。最大垂直位移随倾角的增加，整体呈现出减小的趋势。

3.3 移动边界角随各因素的变化规律

根据文献［1］研究成果，以地表监测点沉降10 mm作为移动盆地的边界。矿体厚度为35 m条件下，不同倾角矿体的边界角随开采深度的变化曲线如图4所示，在倾角为55°时，开采深度为30 m时即在地表出现移动盆地，随着矿体倾角的增加，在地表出现移动盆地的开采深度增加，即矿体倾角越小，越容易在形成地表移动盆地。形成的边界角随着开采深度的增加而减小，逐渐稳定于50°左右，矿体的倾角越大，边界角趋于稳定的速度越快。

4 结论

（1）对于SL、L指标，均有RH＞RA＞RB，即矿体开采深度的影响程度最显著，对于SV指标，RA＞RH＞RB，即矿体倾角的影响程度最显著。矿体倾角A与矿体开采深度H对应的各个指标的极差值，相差较小，表明矿体倾角和开采深度对各指标影响程度相近，且明显显著于矿体厚度。

（2）地表水平移动为非对称的“山峰—山谷”状曲线，相同倾角条件下，曲线峰值即水平移动的极值随开采深度的增加而增加，峰值位置与回采中心线的距离随开采深度的增加而增加，相同开采深度条件下，曲线峰值随倾角的增加而减小，峰值位置与回采中心线的距离随倾角的增加而减小；下沉曲线为漏斗形曲线，当开采深度增加到某一深度后，靠近矿体中心附近的岩体会发生隆起，最大垂直位移随倾角的增加，整体呈现出减小的趋势。

（3）随着矿体倾角的增加，影响地表出现移动盆地的矿体开采深度也相应增加，即矿体倾角越小，越容易在地表形成移动盆地。形成的边界角随着开采深度的增加而减小，逐渐稳定于50°左右，矿体的倾角越大，边界角趋于稳定的速度越快。