梅志恒 张俊思 鲍敏

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 武汉 430070； 2.大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿 湖北黄石 435232)

0 引言

拟建设的大冶市金湖外环线工程，将压覆大冶铜山铜铁矿401号和402号矿体。为保障道路的安全建设和矿山的安全开采，需研究城市道路下金属矿山保护性开采措施。

城市道路下的矿山开采属“三下”开采范围。“三下”开采的重要研究方向之一就是预测矿体开采后引起的上覆岩层沉降变形，确定所采用的开采技术是否能保证地表建(构)筑物的安全。虽然国内外对于“三下”开采的文献较多[1-4]，但是涉及到城市道路下金属矿山开采的研究却很少。

本文采用理论计算和数值模拟的方法，研究了大冶铜山铜铁矿保护性开采措施，为类似工程项目提供参考和借鉴。

1 矿体特征及开采方式

1.1 矿体特征

大冶铜山铜铁矿赋存有401号和402号矿体。401号矿体位于矿区西部，402号矿体位于矿区东部。401号矿体产于下三叠统嘉陵江组第一段白云岩夹大理岩构成的捕虏体的东侧接触带的石榴石硅卡岩中，矿体长253 m，斜深25～162 m，厚6.69～61.53 m，平均24.87 m。402号矿体产于铜山矿区深部中-下三叠统大冶组第四段大理岩捕虏体与石英闪长岩内、外接触带中，矿体赋存于-85～-679 m标高间。矿体围岩主要为石英闪长岩、硅卡岩，其次为大理岩等。

1.2 矿床工程地质条件

矿区的地形南高北低，由南向北，为中低山、丘陵至大冶湖盆地。南部中低山由石炭、二叠、三叠系灰岩、大理岩等碳酸盐岩组成，地形标高一般为100～400 m；丘陵区主要由燕山期石英闪长岩、花岗岩、闪长斑岩等岩浆岩组成，地表多被第四系残坡积层覆盖，地形标高一般为30～60 m；湖盆地沉积物主要为湖相粘土及河湖相亚粘土，湖底标高为14.5～19 m。

本矿区地层岩性较为简单，浅部岩浆岩风化强烈，深部岩浆岩、大理岩工程地质岩组工程地质性状良好。

1.3 开采方式及采矿方法

401矿体于2009年已采完并进行了充填。402号矿体采用竖井开拓，最高开采标高为-85 m，最低开采标高为-679 m，中段间距为50 m，胶结充填开采。

2 道路工后容许沉降值的确定

2.1 道路等级与功能的确定

根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)和交通量预测，公路基本路段均处于三级服务水平，考虑到其主要服务于马叫工业区内的工矿企业，行驶大型货车较多，同时该公路与该区域城市路网联系紧密，规划部门拟将其纳入城市路网中，故确定本项目全线采用双向四车道三级公路兼城市次干路。

2.2 路基容许工后沉降值的确定

地下开采将导致城市道路发生沉降变形，而关于其允许变形值目前国内外尚未做过专门的研究。《城市道路工程设计规范》(CJJ 37—2012)[5]中指出： 进行路基变形分析和稳定性验算，应合理确定特殊地基处理或处治的设计方案，满足路基变形和稳定性要求。 但该规范中并未给出路基变形具体要求。

《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[6]中7.7.1条款，对公路路基容许工后沉降值进行了规定，详见表1。 拟建设的城市道路为三级公路兼城市次干路，属低等级公路，为了确保城市道路的安全使用，按照较高标准控制地表移动变形。本道路按干线公路的二级公路取值，即路基容许工后沉降值≤0.5 m。

表1 容许工后沉降 m

3 最小安全开采深度的确定

根据特殊条件下(“三下”采矿)生产实践，在“三下”开采时，首先要确定最小的安全开采深度，即在地表建(构)筑物与停采线标高之间预留一定厚度的保护层矿柱，其在回采过程中起到缓冲作用，防止地表下陷[7]，详见图1。

图1 城市道路下地下开采示意

目前金属矿山尚无系统的开采沉陷计算方法，上覆岩层沉降预测大都参考煤炭行业。在金属矿山胶结充填开采中，各中段未充满的空间视同于一层矿开采未充填所形成的采空区，因此可将矿山开采简化为多层矿开采。其最小安全开采深度可参照《三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册》计算。

3.1 保护层高度(h1)的确定

当矿体倾角在0°～55°时，保护层高度为

(1)

3.2 导水裂缝带最大高度(h2)的计算

当矿体倾角在0°～55°时，导水裂缝带最大高度为

(2)

(3)

3.3 最小安全开采深度的计算

安全开采深度可计算为

H安=h1+h2

(4)

当矿体倾角在0°～55°时，安全开采深度为H安=(5+73.17±8.9)m=(78.17±8.9)m;当矿体倾角在55°～90°时，安全开采深度为H安=(20+177.51±8.4)m=(197.51±8.4)m。

为保障地表公路建设运营安全，设计按最不利情况考虑，最小安全开采深度应不小于206 m。矿区地表高程约+46 m，则矿体停采线高程为-160 m。

4 地表移动变形数值模拟计算

参考有关地表沉陷数值模拟的文献[8-9]，结合矿山实际岩体力学性质及开挖形式，本文选取FLAC3D软件作为研究工具，研究胶结充填条件下不同的停采线标高时，大冶铜山铜铁矿地下开采可能导致金湖外环线沉陷情况。

4.1 基本假设

鉴于矿山矿岩构造的多样性和复杂性、矿岩的各向异性以及实际工程的诸多影响因素，为了构建研究模型和适当简化模拟计算的过程，将岩石强度、岩芯质量指标、结构面间距、结构面条件、地下水等影响在岩体力学性质中体现，突出研究重要影响因子，确保模拟结果的突出性和准确度[10]。现对模型建立做如下简化和假设：

(1)模拟的围岩均为理想状态下的弹塑性体，在到达屈服点只发生塑性流变，体积和强度不改变；

(2)模拟的矿岩均为连续的各向同性体，不考虑地下水活动和岩体结构面的影响；

(3)模拟过程中不考虑采矿扰动等因素的影响；

(4)未考虑井巷工程掘进导致的地应力重新分布所带来的影响；

(5)未考虑井巷支护对采场稳定性的影响；

(6)假定矿体回采和充填是连续完成的。

4.2 模型的构建

鉴于401号矿体已充填开采完毕，本文仅对金湖外环线公路压覆的402矿体构建计算模型。 停采线标高初步考虑两种情况，即-160 m和-230 m，所建模型如图2及图3所示。 模型采用与矿体形状一致的结构单元，单元大小为134.28 mm2；采用位移边界约束，即模型底部和左右两边采用位移固定约束，模型顶部载荷仅考虑上覆岩层自重应力， 以此来模拟该条件下不同停采线高程对地表沉陷变形的影响。

图3 停采线-230 m模型

图2 停采线-160 m模型

4.3 材料参数的设定

大冶铜山铜铁矿的开采设计及地质报告中提供了矿岩力学参数，但未提及充填体材料的力学参数。 依据开采设计，充填料主要由水、水泥、尾砂组成，水泥选用425#水泥，灰砂比范围为1∶4～1∶10，充填料浆质量分数为67%。 依据充填体的设计参数，将国内相似矿山的充填体材料力学参数作为本次模拟的充填体材料的力学参数[11]。 模拟所需材料参数见表2。

表2 矿岩和充填体力学参数

4.4 模拟结果与分析

通过FLAC3D将各方案依次进行数值模拟计算，方案一数值模拟计算结果见图4，方案二数值模拟计算结果见图5。由图4、图5可知，当停采线高程为-160 m时，地表竖向沉降量为0.32 m；当停采线高程为-230 m时，地表竖向沉降量为0.25 m；方案一、方案二两者的地表沉降量均小于路基容许工后沉降值0.5 m。为了充分回收宝贵的矿产资源，推荐采用方案一，即停采线高程为-160 m。数值模拟计算结果进一步验证了前面的理论计算结果。

图5 方案二竖直方向位移分布

图4 方案一竖直方向位移分布

5 安全防治措施

(1)401号矿体采空区的治理

虽然401号矿体已充填开采完毕，但充填体存在压缩率且401号矿体埋藏较浅，为保障地表金湖外环线公路等重要建(构)筑物安全，应对401号矿体采空区的充填情况进行调查核实，若未接顶充分则需进行二次充填。

(2)402号矿体的开采要求

402号矿体的停采线标高是-160 m，停采线标高以上的矿体划作禁采区，严禁开采；停采线标高以下的采场矿柱不开采，留做永久矿柱。402号矿体的开采严格采用胶结充填采矿法，并确保充填体的强度和接顶充分，采矿结构参数及回采工艺严格按照开采设计执行。

(3)城市道路的安全管理措施

为保障金湖外环线公路运营安全，必须做好地面变形的动态监测工作，建立完善道路线路变形监控系统，对道路沿线20 m范围内设置观测点，落实观测人员，定期进行观测并做好记录。同时制定必要防治方案和应急预案，发现异常情况及时与当地主管部门联系。

(4)疏排水的管理措施

在矿山实际生产中,要加强对涌水量的观察和预测工作，并根据矿山实际涌水量的大小，及时调整排水设备、设施，并做好排水记录，随时监测水位变化。

(5)地下开采的安全监测措施

矿山采用胶结充填采矿法，地表下沉系数很小，开采导致的岩移对地表的破坏程度在控制范围内。考虑到矿山地下开采的复杂性，仍需加强对岩溶塌陷区、矿山采空区、充填体质量、充填体接顶等方面的监测工作。

6 结语

(1)最小安全开采高度的确定，采用了理论计算和数值模拟两种方法，得到结果相近，验证了理论计算方法的可行性。在评估金属矿山地下开采导致的地表沉降变形时，也可通过该理论计算方法进行预测。

(2)针对城市道路和金属矿山的具体实际，提出了针对性的保护性开采措施，为类似矿山实践提供参考。