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摘 要： 摘要：在對五道羊岔礦區巖體宏觀結構調查及室內巖石力學試驗的基礎上，采用FLAC有限差分法對礦區開采誘發的地表沉陷變形進行了數值模擬研究，得出礦區5個采區在不同采礦技術參數下的圍巖移動及地表變形的規律。基于數值模擬結果，確定了5個采區在開采完成后
摘要：在對五道羊岔礦區巖體宏觀結構調查及室內巖石力學試驗的基礎上，采用FLAC有限差分法對礦區開采誘發的地表沉陷變形進行了數值模擬研究，得出礦區5個采區在不同采礦技術參數下的圍巖移動及地表變形的規律。基于數值模擬結果，確定了5個采區在開采完成后的地表沉陷邊界，并估算了各采區的地表塌陷體積。
關鍵詞：采礦工程,地表變形,FLAC數值模擬,沉陷邊界,塌陷體積
在礦山生產中，人們往往希望最大限度地對礦產資源進行開采;另一方面又要滿足礦山在開采期間中的穩定性。然而在工程實踐中，礦產資源的大規模、高強度開采，已對生態環境造成了嚴重的負面影響，導致地表下沉、塌陷等，嚴重影響礦山及地表構筑物的穩定性。因此，對不同采礦方法、采礦工藝及技術參數下礦區地表沉陷、變形的預測具有重大的研究意義和實踐指導意義[1]。
地下開采誘發的巖層移動及地表沉陷是一個復雜的物理、力學變化過程[2]。國內外學者提出了許多關于開采沉陷的預測方法和沉降模型，如典型曲線法、剖面函數法、影響函數法、下沉網格法等[3]。20世紀80年代，伴隨著隨機介質理論的引入，我國學者在此基礎上建立了地表移動預計的經典概率積分法，是我國較為成熟和應用最為廣泛的預測方法之一[4-5]。然而，概率積分法在對巖層移動力學機理上的解釋存在不足，且關鍵參數須結合實地觀測數據確定，這給開采沉陷的預計工作造成了一定的難度[6]。
隨著離散元、有限元、有限差分及邊界元等各種算法和程序的問世，應用數值分析方法研究開挖引起的地表擾動變形得到了長足的發展。在各類數值計算方法中，有限差分法應用最為廣泛。它可模擬不同采礦工藝[7-8]和采礦方法[9-10]條件下地表的沉陷變形，從而優化觀測站布置[11]，圈定地表移動帶范圍[12]，進而為采動災害防治及地表建(構)筑物的保護措施提出合理建議。
以五道羊岔礦為例，采用數值計算方法研究了地下采動作用下礦區地表變形規律，圈定了地表沉陷帶的范圍，并估算開采誘發的塌陷體積，分析評價其對地表環境的損害，為該方法在地下開采穩定分析中積累有益的經驗。
1工程概況及采礦方法
1.1工程概況
五道羊岔礦床為太古宙巖漿晚期結晶分異形成的富鐵礦床，礦區總面積5.006km2，開采標高為1060～-280m。槽探、鉆探工程揭露顯示，礦區共有10個礦組47條礦體，礦體剖面形態各異，呈隱伏、半隱伏型。
1.2開采范圍及方法
五道羊岔礦區采區范圍及相應的工程地質勘探線布置如圖1。礦區分I～V共5個采區生產，共布置37條工程地質勘探線以查明地下礦體剖面形態。根據礦山現狀及礦體賦存條件，確定了各采區的開采對象及開采方案如下。
1)I區：開采對象為11#～13#勘探線、17#～31#勘探線之間的礦體，開采標高1060～820m。自上而下分中段開采，采用分段空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
2)II區：開采對象為3#～8#勘探線、12#～32#勘探線之間的礦體，開采標高720～-280m。自上而下分中段開采，中段內采用自遠而近后退式開采。采用房柱法開采，水平方向采至礦體邊界。
3)III區：開采對象為45#～47#勘探線、51#～63#勘探線之間的礦體，開采標高1040～759m。自上而下分中段開采，中段內采用自遠而近后退式開采。采用空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
4)IV區：開采對象為108#～102#勘探線之間的礦體，開采標高850～940m。整體自上而下分中段開采，中段內后退式開采。采用留礦法開采，水平方向采至礦體邊界。
5)V區：開采對象為100#～110#勘探線之間的礦體，開采標高850～700m。整體自上而下分中段開采，中段內后退式開采。采用空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
2模擬計算
2.1計算模型
本次研究采用了FLAC2D二維有限差分數值模擬軟件，對該礦區開采后的地表移動進行模擬。采用的計算為二維計算，計算平面為上述37條勘探線剖面。每條剖面的計算范圍：水平方向上取沿該勘探線走向兩端各延長1倍的距離，以消除邊界效應的影響。對于每條計算剖面，采用摩爾-庫倫模型模擬開挖計算。
模型兩端水平方向上的位移固定，底部為固定邊界，頂部為自由邊界。模型上部自由邊界上的網格節點為監測點。首先計算在沒有開采狀態下，由于自重應力引起的y向(垂直)沉降位移及速度，并使之歸0。然后按照上述開采方案，模擬計算各剖面線上礦體開采完成后地表發生的沉降值及變形破壞范圍。
2.2計算參數
計算剖面中涉及的巖性為鐵礦體、斜長角閃巖、花崗巖。通過現場對不同巖性巖石的取樣及室內巖石力學試驗，結合相關工程經驗類比進行經驗折減，確定了計算力學參數(表1)。
2.3計算結果與分析
2.3.1地表動態沉陷特征
選取上述37條勘探線剖面，建立相應的數值計算模型。對每個剖面進行了仿真開采，分析開采完成后各條剖面上的位移場變化規律。由于篇幅所限，本節僅給出101#勘探線剖面仿真模擬開采的結果(圖2)，旨在說明分析方法，其它可以此類推。不同開采階段計算剖面上垂直位移等值線圖如圖2(a)和圖2(c)。
可以看出在垂直方向上，隨著開采的持續進行，地表沉降呈漸進式發展。不同開采階段的地表沉陷位移曲線如圖3。由圖3可以看出，豎直位移曲線相對平滑，且連續性良好。在開采全部完成時地表沉降量達到最大，為9.7mm，出現在距勘探線左端400m的邊坡處。不同開采階段計算剖面的水平位移等值線圖如圖2(b)和圖2(d)。
可見隨著開采的進行，巖體水平位移的變化規律趨于明顯，主要表現在采空區上下盤巖體向空區的擠近。即上、下盤巖體發生相向移動，上盤巖體總體上發生向左的移動，下盤巖體則發生向右的移動。沿勘探線走向的地表沉陷位移圖如圖3。
由圖3可以看出，水平位移曲線近似以沉降中心為原點呈正弦曲線分布，最終的地表水平位移值為7.2mm，出現在距勘探線左端457m的邊坡處。
2.3.2地表沉陷預測評價
通過對上述5個采區37條剖面不同開采階段下的二維仿真計算，分別得出了各個剖面的垂直位移值和水平位移值。在上述計算剖面的離散化過程中，每條剖面計算模型上部自由邊界上的網格節點為地表監測點。在開挖計算完成后，通過提取這些監測點的平面坐標及相應的位移量值，即可得到各剖面線上開采完成后相應監測點的空間三維數據。
基于Surfer平臺，對上述的監測點數據進行處理。按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，以沉陷值為10mm作為沉陷盆地邊界，繪制各采區的沉陷等值線圖。整個礦區全部開采完成后的地表沉陷區劃圖如圖4。
可以看出，地表沉降區主要分布在礦體上盤地表及下盤地表的一定區域內。I區、III區、IV區和V區地表呈橢圓形盆地塌陷形態，相應的各區最大沉降量分別為70、18、40、20mm。由于II區礦體厚度較大，在縱向延展較遠，地表受開采影響較大，故開采結束后的地表沉降邊界擴展較大，且無明顯的沉降中心，最大沉降量值為40mm。
利用Surfer三維建模功能，對上述5礦區37個計算模型開采沉陷前后的二維面積在空間上的插值，可得到各礦區開采前后地表沉陷的體積變化，開采誘發的地表沉陷體積見表2。可以看出，由于II采區礦體規模大，在5個采區中II采區開采前后發生的塌陷量最大，約占整個礦區塌陷體積量的97.5%，這與上述數值模擬得到的結果是一致的。因此，應合理地布置II采區的礦山生產，以減少該采區礦山生產期間的運輸成本及潛在礦山沉陷災害帶來的損失。
3結論
1)地表沉陷隨著開采的進行呈漸進式發展，豎直位移曲線和水平位移曲線相對平滑;在對稱性良好的水平開采情況下，豎直位移曲線的對稱軸位置大致為正弦形態的水平位移分量的對稱中心。
2)通過對不同采區地表位移量的分析和界定，給出了5個采區全部開采結束后的地表沉陷邊界和地表塌陷體積。根據預測地表沉陷預測的位移量值，認為雖然II礦區地表建筑物在地表沉陷邊界外，但其穩定性在一定程度上仍受開采沉陷的影響，在后續的礦山生產過程中應注意對這些建筑物的監測。
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推薦期刊：《煤炭科學技術》創刊于1973年，是由國家煤礦安全監察局主管、煤炭科學研究總院主辦的綜合性煤炭科技期刊。主要刊載煤炭工業各領域取得的最新成果、新技術、研究動態、新經驗及新產品等方面的論文，內容包括煤礦開采、礦井建設、地質勘探、煤礦電氣、煤礦機械、煤化工、科學管理、國外技術等。