任青云



某地下矿山开采对蕉溪岭隧道影响分析

任青云

(湖南有色金属研究院，湖南 长沙 410100)

蕉溪岭特长隧道西南侧为蕉溪岭铜矿，距离矿山矿权界限最近水平距离约330 m，且该地下矿山采空区规模较大，形态各异。为了分析蕉溪岭铜矿采空区对拟建隧道施工的影响，采用基于DIMINE与MIDAS/GTS NX有限元软件进行了三维有限元数值模拟计算，结果表明，蕉溪岭铜矿采空区沉降影响范围未影响到蕉溪岭特长隧道建设工程。

地下矿山；隧道；数值模拟计算；地表沉降

随着湖南省经济的迅猛发展，交通道路等重大民生基础工程在全省范围内不断兴建，一些大型基础工程不得不穿越矿区矿产资源的开采引起的地表移动和变形往往会影响这些基础工程的设计、施工。为了减少非煤矿山开采采空区的损害，有效地保护矿山周围的重要基础工程，开展非煤矿山采空区对重要交通设施的安全影响评估和监控措施的研究是必要的，只有通过对矿山采空区的评估确定矿山周围重要基础工程受矿山开采的影响程度，才能既经济又有效地对矿山周围重要基础设施进行设计与改造，从而达到减轻或者预防矿山开采对重要交通设施的影响，确保重要民生工程的安全。本文基于DIMINE与MIDAS/GTS NX有限元软件结合，分析拟建金阳大道(三期)蕉溪岭特长隧道与蕉溪岭铜矿之间的相互影响，揭示蕉溪岭铜矿采空区对蕉溪岭特长隧道建设的主要影响因素。

1 工程基本情况

1.1 蕉溪岭特长隧道项目

金阳大道三期工程位于浏阳市境内，路线起于浏阳市集里街道，与G354浏阳关口至集里公路(西北环线)相接，对接道吾山路，终点位于工业新城蕉溪乡G319上，与S109(浏阳蕉溪至黄花机场公路)起点对接。该项目的建设将进一步加密东西向路网，是区域路网的重要补充，将成为浏阳向西融入长沙城区的免费快速通道。项目的建设对改善区域交通条件，带动沿线经济发展具有重要意义。

拟建金阳大道(三期)蕉溪岭特长隧道位于浏阳市集里镇~蕉溪乡境内，在道吾村西进隧道，穿越蕉溪岭山，在陈家冲出隧道，该隧道为分离式隧道，拟建隧道呈曲线形展布；左线隧道起讫桩号ZK1+385~ ZK6+075总长4690 m，隧道最大埋深约595 m，位于ZK3+580处。右线隧道起讫桩号K1+375~K6+055，总长4680 m，隧道最大埋深约604 m，位于K3+600处。

拟建金阳大道(三期)蕉溪岭特长隧道，隧道西南侧为蕉溪岭铜矿，距离矿山矿权界限最近水平距离约330 m，位于隧道桩号K5+900处。

1.2 蕉溪岭铜矿采空区情况

根据矿山提供的地质勘察报告和采掘工程平面图，结合井下现场调查和老矿工对井下采空区的描述，确定矿山井下分布有5大采空区，分别是老采空区、75号脉空区、80号脉空区、33号脉空区和35号脉空区，保守计算空区总面积约42800 m2，采空区分布平面见图1。

1.3 岩体力学参数试验

研究人员对蕉溪岭铜矿井下开采区域进行了岩体工程地质调查，现场选取围岩与矿岩岩样，对岩样加工并进行了岩石力学室内试验，得到了蕉溪岭铜矿岩石的基本物理力学参数，并对所得到的成果进行了统计分析。测试项目包括单轴抗压强度、巴西劈裂强度、内摩擦角和粘聚力。测试矿岩各有5个Φ50 mm× 100 mm圆柱试样开展单轴压缩试验、5个Φ50 mm×40 mm圆柱试样用于巴西劈裂试验、12个50 mm×50 mm×50 mm立方岩样用于变角剪试验；围岩还有12个Φ50 mm×100 mm圆柱试样用于常规三轴试验。岩石力学试验结果见表1。

图1 蕉溪岭铜矿井下采空区情况

表1 岩石室内试验各项指标汇总

2 数值模拟分析

2.1 基于DIMINE矿山模型

利用Dimine软件建立矿山地质模型，在Dimine中生成的矿山实体模型，无法直接用于有限元数值模拟运算，需要将此模型导入到MIDAS/GTS中，建立矿山与隧道的实体模型(见图2)。利用MIDAS/GTS的网格划分功能，结合采矿工艺，进一步建立采区模型，划分网格单元，见图3所示。计算过程中矿岩均采用摩尔−库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则。

图2 蕉溪岭铜矿与隧道实体模型

图3 模型网格及约束边界

2.2 +90 m中段以上采空区数值分析

2.2.1 位移计算结果分析

+90 m中段及上部矿体采空后的位移计算结果如图4、图5所示。从图中可以看出采空区上盘位移值为“-”，下盘位移值为“+”。表明采空区顶板发生位移沉降，底板发生底鼓。地表最大沉降值为6.3 mm，最大沉降位移出现在采场顶板，由图4可知，地表发生大的沉降位移为5.02~6.3 mm，发生地表沉降面积占计算模拟面积的3.4%。由图5可知，采空区顶板位移随着与采场距离增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值为1.8 mm，整个开采移动范围面积约占42.6%。从图中可以看出矿体开采引起破碎带发生了轻微的“+”向位移，表明破碎带已产生了轻微的“上拱”现象。

图4 位移等轴侧视图

图5 Z轴方向位移剖分图

由图4与图5可知，拟建蕉溪岭隧道位于+90 m中段以上开采移动范围以外。即蕉溪岭铜矿开采+90 m中段以上不会对拟建隧道产生位移沉降影响。

2.2.2 应力计算结果分析

从图6~图9可以看出，矿体开采后造成周围岩体应力重分布，采场周边产生卸压区域，地应力减小，在此范围之外，地应力的大小仍随埋藏深度水平变化。应力集中现象出现在采场两帮，剖面范围内的最大压应力值为32.18 MPa，+90 m中段以上采空区未出现拉应力区。拟建隧道位于矿山开采范围330 m以外，拟建隧道区围岩应力为自重应力的影响，矿体开采形成的应力集中区未影响到矿区东北侧的隧道工程。

图6 最大主应力等轴侧视图

图8 最小主应力等轴侧视图

图9 最小主应力剪切图

2.2.3 塑性区计算结果分析

+90 m中段以上开采，在破碎带出现塑性变形区(见图10)，塑性区面积为12.5%，最大塑性变形为5.26×10−5。对于岩体而言，塑性形变意味着可能发生破坏，对出现塑性形变的岩体，如不及时进行支护处理，极有可能出现失稳现象。由于破碎带连通着矿山与拟建隧道工程，隧道周围破碎带出现塑性形变的区域在隧道施工过程中有可能出现局部的失稳现象，故隧道施工过程中应加强监测和管理，施工中应进行临时支护。

图10 塑性区主轴视图

2.3 +90 m中段以下采空区模拟分析

2.3.1 位移计算结果分析

+90~+50 m中段矿体采空后的地表最大沉降值增加至10.9 mm。最大沉降位移出现在采场顶板，地表发生大的沉降位移为5.28~10.9 mm，发生地表沉降面积占计算模拟面积的11.8%。采空区顶板位移随着与采场距离增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值为1.89 mm，整个开采移动范围面积约为56%。

拟建蕉溪岭隧道位于+90~+50 m中段矿体开采移动范围以外。即蕉溪岭铜矿开采+90 m中段以下矿体不会对拟建隧道产生位移沉降影响。

2.3.2 应力计算结果分析

从应力计算结果可以看出，矿体开采后应力集中现象出现在采场两帮，剖面范围内的最大压应力值为37.27 MPa，未出现拉应力区。拟建隧道位于矿山开采范围330 m以外，矿体开采应力集中区未影响到矿区东北侧的隧道工程。

2.3.3 塑性区计算结果分析

+90~+50 m中段矿体开采，在破碎带出现塑性变形区，塑性区面积增加至13.8%，破碎带塑性形变变大，最大塑性形变为5.34×10-5。破碎带出现塑性变形后，可能会出现失稳现象，岩体结构受到破坏，从而引起破碎带区域位移发生沉降。

3 结 论

对蕉溪岭铜矿开采的采空区对蕉溪岭隧道的影响进行了数值模拟计算，结果显示：

(1) 矿山开采+90 m中段以上矿体时，在地表发生了大的位移沉降，位移最大沉降值为6.3 mm，影响面积约为42.6%；矿山开采+90~+50 m中段矿体时，地表位移沉降值增大，地表沉降位移增至10.9 mm，地表移动影响面积增大至56%，但是矿山开采移动影响范围均未影响到拟建隧道工程。

(2) 数值模拟计算结果表明：在破碎带出现塑性变形区，矿山开采+90 m中段以上时，塑性区面积为12.5%，开采+90 m中段以下时，塑性区面积增加至13.8%。塑性形变意味着可能发生岩体破坏。由于破碎带连通着矿山与拟建隧道工程，隧道周围破碎带出现塑性形变的区域在隧道施工过程中有可能出现局部的失稳现象，岩体结构受到破坏，从而引起破碎带区域位移发生沉降。

因此矿山开采采空区会引起拟建隧道工程破碎带区域发生一定位移变形，存在一定的安全隐患，建议施工中进行临时支护。

[1] 汤海岩.穿越采空区桥隧工程危害效应及对策分析[J].交通世界,2017(32):100−103.

[2] 常 炜,袁名旺.段家堡隧道穿越煤矿采空区处治方法[J].山西建筑,2018,44(4):160−161.

[3] 陈 杨.公路隧道穿煤矿采空区段围岩稳定性研究[J].煤炭技术,2018,37(3):28−30.

[4] 赵国军,王 超,王永庆,等.公路隧道下穿煤层采空区施工技术研究[J].施工技术,2017(46):725+728.

[5] 罗春雨.华蓥山隧道侧部采空区安全距离研究[J].桥隧工程, 2017(5):232−234.

(2018−10−12)

任青云(1985—)，男，工程师，硕士研究生。