刘彦超 陈 轲 蔡嗣经 黄 刚 刘发平

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司，安徽 马鞍山 243184)

白象山铁矿河床下开采地表沉降数值模拟分析

刘彦超1陈 轲2蔡嗣经1黄 刚1刘发平2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司，安徽 马鞍山 243184)

针对设计采用嗣后充填采矿法的白象山铁矿的主矿体位于青山河床下的状况，为了保障矿山安全生产，采用数值模拟方法，对矿体、围岩及断层进行建模，对断层采用岩体弱化的方法建立模型，对于重点研究的地表和对结果有影响的断层进行细化网格的划分，并依据设计的连续倾斜进路尾砂充填法对模型进行开采与充填，分析地表沉降情况。通过计算分析，确定了位于地表河流中部即横坐标为400 m处的最大沉降值0.23 m。根据模拟结果，提出了对存在安全隐患的断层注浆加固的处理方法。经过再次运算得出最大沉降值减小到0.15 m，研究结果验证了采矿方法的安全可行性与注浆加固方法的安全有效性。

充填法采矿 数值模拟 地表沉降 注浆加固

随着上世纪我国由工业带动的社会经济的飞速发展，钢铁行业发展尤为迅猛，同时带动铁矿资源的开采热潮。露天矿、富矿等易采矿体现今已经基本开采殆尽，一些难采矿体逐渐列为开采目标。在这些复杂难采矿体中时常伴随复杂的水文地质和工程地质条件，多为水下矿体、围岩极破碎的矿体、断层等地质构造复杂的矿体等。白象山铁矿即为水下矿，且矿体距离断层较近。导水裂缝带高度发育[1]，同时对采动岩体移动也具有明显的断层效应[2]。工作面开采会引起区域内断层位移的变化，造成断层的滑移失稳[3-4]；改变断层附近应力场分布，引起断层的“活化”[5-8]，并进一步引发矿井灾害、塌陷与突水[9]事故。大规模进行含有断层的水下开采与存在的安全问题是矿山需要解决的首要问题，也是高效回采的前提。基于以上现状，采用数值模拟的方法可以较真实、快速地模拟预测实际开采中的地表沉降[10]，为后续的实际生产提供指导依据和建议。

1 矿区工程与水文地质

白象山铁矿矿床内共圈定矿体11个，其中Ⅰ号矿体为主矿体，地质储量约占矿床总储量的98.9%。主矿体赋存在闪长岩与砂页岩接触带的内带。矿体沿走向最大延长1 780 m，一般为16 30 m，横向最大延伸1 130 m，一般为950 m，矿体厚度变化较大，从2.22～121.72 m，一般在5～40 m，平均34.41 m。少数地段矿体连续厚度达60～70 m，全区矿体最厚大部位在2～7线西部正接触带，其次在4～1线中部闪长岩体内。

F2断层走向NNW，长度大于5 000 m，倾向西，倾角70°～80°，破碎带宽5～20 m，断距50～150 m，主要由黄马青组砂页岩角砾组成，被闪长岩、硅质与铁质所胶结，裂隙较发育，有效裂隙率1.13%，该断裂带富水性中等。

F5断层总体走向30°左右延长2 500 m以上，延深至500 m以下，倾向南东，倾角80°，断层破碎带主要为正长细晶岩，沿断层走向略有弯曲变化，并有膨缩现象，破碎带宽5～10 m，破碎带最大部分15～20 m，推测为导水断裂。

2 矿体计算模型的建立

2.1 物理模型与网格划分

设计开采的矿体为位于河床下方的主矿体即Ⅰ号矿体。选取位于河流范围内的1、3、5、7、9号勘探线剖面建立计算的物理模型。考虑到开采的边界效应，建模范围较实际开采范围大。网格划分考虑到各种岩层的不规则、地表河流等因素，选取重点研究范围细化网格，如矿体、河流下的地表。所建物理模型尺寸长宽高为1 300 m×400 m×700 m，共有17 888个单元，节点共有21 255个。从上到下模型依次为河下强富水砂岩、角岩化砂岩、断层、铁矿体、闪长岩。并对地表河床上的重点区域布置监测点，分别是位于河流边界的2#、3#、4#、8#、9#、10#点和位于河流中部的5#、6#、7#点。矿体与围岩的三维数值模型如图1所示。

图1 三维数值模型

2.2 边界处理

依据矿山实际工程与水文地质情况，渗流岩体模拟的假设条件设定如下。

(1)岩体为多孔介质，流体在裂隙介质中满足Biot方程。

(2)不考虑岩石压缩性。

(3)开挖前，断层破碎带含水，设定饱和度为1。

(4)开挖前，闪长岩近似隔水。

(5)断层破碎带内岩体为同一种均质各向同性的弹塑性材料。

(6)不考虑地下水对岩石的水化学作用。

除以上渗流岩体模拟的假设条件，模型力学边界条件为：模型的左右边界采用水平约束；模型底部为固定约束；模型顶部压力简化为等效荷载：作用于模型顶部边界上铅直方向荷载为模型上部32 m厚的水体与岩体自重压力，上覆水压力

q=-∑ρhig,

(1)

式中，q为上覆水压力，Pa；ρ为水的密度，kg/m3；hi为水体深度，m；g为重力加速度，N/kg。

整个模型施加上覆水压力与岩体自重压力的等效荷载分别为-0.32MPa、-0.864MPa(模型中负号代表压应力)。

2.3 物理参数

本次数值模拟参数的选取根据现场采集的岩块在实验室进行试验所得，并进行类比折减得出岩体的力学参数。其中，岩体流体力学参数中的渗透系数由抽水试验确定，孔隙率是由裂隙率转化而来；充填体物理力学参数参考其他类似矿山选取，岩体的物理力学参数见表1，岩体和水的流体力学参数见表2和表3。

表1 岩体物理力学参数

表2 流体力学参数

表3 水的参数

3 模拟结果与分析

依据矿山的采矿方法，对模型进行模拟开采与充填。在断层未进行加固时，开采所引起的地表各监测点的沉降情况如图2所示。

图2 断层加固前地表各点沉降监测曲线

由图2 可知河流边界处沉降值最小，最大沉降值0.23 m位于河流中部，即F2断层的影响范围内。由于F2断层倾角较大，F5断层基本处于竖直状态，而且开采的矿体靠近并位于F2断层的下方，所以F2断层比F5断层对地表沉降影响更大一些。9#监测点靠近计划开采矿体的中部，所以该点最大沉降值大于位于模型边界的3#点的最大沉降值。

由于断层、节理等地质结构为地表沉降提供了基础[11]，在断层未处理时河流下地表沉降较大，存在很大的安全隐患。因此，对F2断层及F5断层位于矿体上部对地表沉降影响较大的部分进行注浆。由《矿山充填力学基础》[12]中的经验计算得出注浆后的弹性模量以及黏聚力都翻倍。应用《FLAC/FLAC3D基础与工程实例第二版》[13]中的换算公式

(2)

(3)

式中，K为体积模量，Pa；G为剪切模量，Pa；E为杨氏模量，Pa；μ为泊松比。

由以上公式计算得出注浆加固后的断层参数如表4所示。

表4 注浆断层物理力学参数

断层注浆加固后的流体参数基本不变，孔隙率由原来的0.6变为0.3。

由以上计算数据再次对模型进行计算，得出地表各监测点的沉降如图3所示。

图3 断层加固后地表各点沉降监测曲线

图3中河流边界处沉降相对较小，最大沉降0.15 m位于河流中部。除3#监测点位于模型边界处，所以其最大沉降在断层加固前后没有很大变化外，6#与9#监测点在断层加固后最大沉降值明显减小。

基于以上数据，对断层注浆加固前后的地表沉降情况进行对比分析，河流中部6#监测点在断层注浆加固前后的地表沉降情况如图4所示。

图4 断层注浆加固前后地表6点沉降监测曲线

由图4可知在断层加固前开采引起的地表最大竖向位移达0.23 m，而断层加固后地表沉降最大值为0.15 m。河流中部最大沉降减小了8 cm。模拟计算得出在实际生产中要注意对断层的加固，避免较大的沉降导致的塌陷、透水等事故的发生，对矿山的安全生产有着很好的指导作用。

4 结 论

(1)模型网格的划分和岩体物理参数的选取对模拟结果的精确度有着很大的影响，越细密地划分网格得到的计算结果越真实可靠，但是会使计算时间成倍增长。所以一定程度地细化网格可以更接近真实的沉降情况，同时可以使计算时间更加合理。

(2)采用连续倾斜进路尾砂充填法可以改善围岩应力状态，对围岩起到一定程度的支撑作用。可以满足地表不严重塌陷、井下不突水的要求。

(3)断层距离矿体较近，位于开采扰动范围内。开采矿体会引起断层的滑移错动，对地表沉降有很大的影响。对影响较大的断层部分进行注浆加固，可以使断层与围岩形成整体，使围岩应力重新分布，增加围岩断层整体稳定性，减小地表沉降。

[1] 曾先贵，李文平，李洪亮，等．综放开采近断层导水断裂带发育规律研究[J]．采矿与安全工程学报，2006，23(3)：306-310． Zeng Xiangui，Li Wenping，Li Hongliang，et al．Development rule of height of water conducted zone near fault with fully mechanized top coal caving[J]．Journal of Mining and Safety Engineering，2006，23(3)：306-310．

[2] 赵海军，马凤山，李国庆，等．断层上下盘开挖引起岩移的断层效应[J]．岩土工程学报，2008，30(9)：1372-1375． Zhao Haijun，Ma Fengshan，Li Guoqing，et al．Fault effect due to underground excavation in hanging walls and footwalls of fault[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(9)：1372-1375．

[3] 李志华，窦林名，曹安业，等．采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理[J]．煤炭学报，2011(S1)：68-73． Li Zhihua，Dou Linming，Cao Anye，et al．Mechanism of fault slip induced rock burst during mining[J]．Journal of China Coal Society，2011(S1)：68-73．

[4] 左建平，陈忠辉，王怀文，等．深部煤矿采动诱发断层活动规律[J]．煤炭学报，2009，34(3)：305-309． Zou Jianping，Chen Zhonghui，Wang Huaiwen，et al．Experimental investigation on fault activation pattern under deep mining[J]．Journal of China Coal Society，2009，34(3)：305-309．

[5] 李青锋，王卫军，彭文庆，等．断层采动活化对南方煤矿岩溶突水影响研究[J]．岩石力学与工程学报，2010(S1)：3417-3424． Li Qingfeng，Wang Weijun，Peng Wenqing，et al．Influence of activation fault after coal extraction on coal mine karst water-in rush[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010(S1)：3417-3424．

[6] 卢兴利，刘泉声，吴昌勇，等．断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析[J]．岩土力学，2009，30(S)：165-168． Lu Xingli，Liu Quansheng，Wu Changyong，et al．Hydro-mechanical coupling analysis of mining effects around fault fractured zone[J]．Rock and Soil Mechanics，2009，30(S)：165-168．

[7] 姜耀东，王 涛，赵毅鑫，等．采动影响下断层活化规律的数值模拟研究[J]．中国矿业大学学报，2013，42(1)：1-5． Jiang Yaodong，Wang Tao，Zhao Yixin，et al.Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction[J]．Journal of China University of Mining and Technology，2013，42(1)：1-5．

[8] 刘江波，王亚博，王怀远，等．大断层下盘采动对上盘煤层影响的相似材料模拟[J]．金属矿山，2014(1)：34-37． Liu Jiangbo，Wang Yabo，Wang Huaiyuan，et al．Study on effect of large fault foot-wall mining on hanging wall coal seam with similar material simulation[J]．Metal Mine，2014(1)：34-37．

[9] 马海涛，李迎佳，王云海．港里铁矿水下开采流固耦合数值模拟与风险分析[J]．金属矿山，2014(3)：36-39． Ma Haitao，Li Yingjia，Wang Yunhai．Fluid-solid coupling numerical simulation and risk analysis of underwater mining of Gangli Iron Mine[J]．Metal Mine，2014(3)：36-39．

[10] 彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2011． Peng Wenbin．FLAC3DPractical Guide[M]．Beijing：Mechanical Industry Press，2011．

[11] 郭进平，刘晓飞，王小林，等．金属矿床开采地表破坏机理及防控方法[J]．金属矿山，2014(2)：6-11． Guo Jinping，Liu Xiaofei，Wang Xiaolin，et al．Mechanism of mining-induced surface destruction in metal mines and its control technology[J]．Metal Mine，2014(2)：6-11．

[12] 蔡嗣经．矿山充填力学基础[M]．北京：冶金工业出版社，1994：119-121． Cai Sijing．Mechanical Basis of Mine Filling[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1994：119-121．

[13] 徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009：11-12． Xu Dingping.FLAC/FLAC3DFoundation and Engineering Application[M].Beijing:China Water Conservancy and Hydropower Press，2009：11-12．

(责任编辑 徐志宏)

Numerical Simulation Analysis of Ground Surface Subsidence During Mining of Baixiangshan Iron Mine under a Riverbed

Liu Yanchao1Chen Ke2Cai Sijing1Huang Gang1Liu Faping2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Gushan Mining Company，Magang (Group) Holding Company Ltd.，Maanshan 243184，China)

In view of the main orebody of Baixiangshan iron mine is located under Qingshan river.In order to guarantee the safe mining，the numerical simulation method is used to build model of the ore body，surrounding rocks and faults.Faults model is built with rock weakening method.The surface and the faults with large influence are meshed，and then the caving and filling on the model are made by the continuously inclined drift stoping method with tailings backfilling to analyze the situation of surface subsidence.Through analysis and calculation，the maximum settlement value at the central river with the X-coordinate 400m is determined to be 0.23 m.According to the simulation results，an approach for grouting reinforcement of faults in risks was proposed.Through the calculation，the maximum settlement value is reduced to 0.15 m.The results verify the feasibility and safety of mining methods and the safety effectiveness of the grouting reinforcement method.

Mining with backfill，Numerical simulation，Surface subsidence，Grouting reinforcement

2014-08-11

国家自然科学基金项目(编号：51204100)。

刘彦超(1990—)，男，硕士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-11-054-04