急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理
赵海军1，马凤山1，丁德民1，高建科2，杨长祥2，卢耀军2
(1. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京，100029；
2. 金川集团有限公司二矿区，甘肃 金昌，737100)
摘 要：
摘 要：为了研究急倾斜矿体开采的岩移规律与变形机理，采用数值模拟的方法，对急倾斜矿体在高构造应力和自重应力2种条件下的岩移特征进行对比分析。研究结果表明：当开采区在竖直方向上的高度远小于矿体在水平方向上的长度时，在这2种应力条件下都具有类似水平矿体开采的地表岩移特征；反之，在高构造应力条件下，急倾斜矿体开采地表出现双沉降中心的现象，而在自重应力条件下只存在单沉降中心；在高构造应力条件下，急倾斜矿体开采在地表移动变形量、移动变形影响区规模及地表宏观变形破坏特征上与自重应力条件下相比都有较大差异，原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的取向对岩移行为的影响是产生这差异的根本原因。
关键词：
中图分类号：TD311；TD325 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)05-1423-07
Law of ground movement and its deformation mechanism
induced by mining steep deposit
ZHAO Hai-jun1, MA Feng-shan1, DING De-min1, GAO Jian-ke2, YANG Chang-xiang2, LU Yao-jun2
(1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Mining Area No.2, Jinchuan Group Co. Ltd., Jinchang 737100, China)
Abstract: Based on numerical simulation, the ground movement laws and deformation mechanism were studied at mining steep deposits in high tectonic stress area and in gravity stress area. The results show that, when the vertical size of the mining areas is smaller than the horizontal size of the orebody, no matter mining is in gravity stress area or in high tectonic stress area, they have similar features of ground movement with mining horizontal orebody; contrarily, there appear double settlement centers on the ground surface under the condition of mining in high tectonic stress area, while there is always a single center under the other condition. Meanwhile the ground movement lever, scale of mining influence area and macro features of ground movement, deformation and fracture are also different from mining in gravity stress area. The fundamental reason consists in the impact of orientation of the maximum principal stress on rock movement features in in-site rock stress field.
Key words: high tectonic stress; gravity stress; steep deposit; ground movement; deformation mechanism
地表移动和变形量测是矿山开采研究中的重要内容，也是井下采矿工作面推进过程中岩体移动在地表上的动态反映和获取地表动态移动和变形规律基础数据的必要工作。我国对煤矿地表移动规律进行了大量研究[1-3]，但是，对于急倾斜金属矿体开采地表移动规律的研究还不够深入，这主要是因为黑色金属、有色金属等均具有与沉积煤矿不同的岩体、地质和开采条件，导致采用空场法、留矿法、充填法开采的急倾斜金属矿山难以应用煤矿通用的方法来研究地表移动规律[4-13]。在高构造应力条件下，急倾斜矿体开采引起的地表移动、变形规律不同于仅有自重应力条件下的地表移动规律。前者对地表岩体的变形和改造不仅有自重应力对地表岩体的变形和改造作用，而且叠加了一个水平系统的变形和改造作用。为了研究及阐述方便，这里将仅受自重体积力作用的研究区称为自重应力型地区，将水平构造应力为最大主压应力的高构造应力研究区简称为构造应力型地区。构造应力型矿山开采引起的地表移动、变形可理解为自重体积力作用与水平构造应力作用双重影响的结果[11-14]。我国对金属矿山开采沉降规律的研究主要是通过建立各类观测站，确定移动角，采用岩移随机介质理论对金属矿体开采沉降与急倾斜矿体开采沉降问题进行了大量研 究[13]。然而，目前，对高构造应力区急倾斜矿体开采岩体移规律、发生机制、与自重应力型矿体开采岩移的对比研究和宏观破坏特征的机理分析方面的研究还较少，在此，本文作者对其进行研究。
1 构造应力型急倾斜矿体开采岩移规律与发生机制
1.1 计算模型与参数选取
选择金川2矿区14行剖面(即金川矿山第2个主采矿区的第14行勘探线)作为平面地质模型，此剖面内的岩组主要有富矿、贫矿，含矿超基性岩、大理岩和混合岩。采用FLAC3D有限差分软件，模型大致通过矿体中心，总长取4 km，最深边界达950 m，共划分17 939个单元，18 220个节点。模型的边界约束条件如图1所示，在模型的两侧面约束水平位移，模型底边界约束垂直位移，模型纵向约束全部位移，模型的上边界为自由表面，数值模拟计算参数如表1所示。
图1 数值模型剖面示意图
Fig.1 Cross-section map of numerical model
表1 数值模拟计算参数
Table 1 Parameters in numerical simulation
根据高地应力判别标准，矿区地应力基本上属于中高~超高。在地表附近，最大水平主压应力约为3 MPa。应力随深度增大而增大，在深度200~500 m处，最大主应力一般为20~30 MPa，最高实测值为50 MPa。在单元上施加梯形分布的水平初始应力。矿区地应力随深度变化的经验计算公式为[15]：
1.2 计算方案
为了揭示高构造应力条件下开采引起地表沉降特征与自重应力条件下开采的不同，分别在2种应力条件下进行开挖回填模拟。每种情况都分3个阶段进行：首先，采用单中段下向充填法开采高程为1.338~1.248 km水平的矿体，共分9步开挖，开挖后立即进行充填；从第10步开始进行双中段开采，上部从1.248 km水平下向充填开采，下部从1.148 km水平下向开采，直至水平矿体采完，共分10步开挖；最后，继双中段开采结束的1.048 km水平再次进行单中段下向充填法开采至1.008 km，全过程共开挖23次，充填23次，单次开挖高度为10 m。
1.3 计算结果分析
1.3.1 地表沉降和水平移动特征
对地下开采引起的地表岩体沉降和水平移动特征的研究是矿山开采研究的重要内容。为方便对比研究，将2种应力条件下开挖充填的不同阶段的地表单元节点位移全部输出，并分别绘制了地表沉降分布曲线(图2和图3)和地表水平移动分布曲线(见图4和图5)。
从图2可以看到，在只有自重应力下，地表沉降规律性明显，下沉分布曲线基本上呈对称分布。随着开采深度的加大，尤其双中段开始后，沉降量明显增大，形成尖底形状。在整个采充过程中，矿体上盘(图中心左侧)岩体沉降速度稍大于下盘沉降速率，且最大沉降中心向矿体上盘方面有一个小幅度偏移，这与矿体陡倾，随采深加大，采场向上盘方面移近相关。图3所示为构造应力型开采引起的地表沉降分布曲线。在单中段开采阶段，地表沉降曲线特征与自重条件下的沉降特征相似，但沉降量只有自重条件下沉降量的75.3%。在双中段开采到第4步时，矿体靠近沉降中心的下盘区域沉降速率开始减低，到双中段第5步开采结束后形成了比较明显的双沉降中心，此时，竖直方向总共开采高度为180 m，模型水平矿体平均宽度约为150 m。且随着开采规模的增大，双沉降中心特征越来越明显。与此同时，矿体上盘最大沉降中心也不断增大，并且向矿体上盘移动的幅度比自重应力开采条件下移动的幅度大，矿体上盘岩体沉降速率也明显大于下盘沉降速率。最大沉降量只有自重应力型开采最大沉降量的78.5%，但与自重应力型开采沉降相比，虽然其最大沉降量减少，但在沉降中心两侧的区域沉降量较前者的大。
1—单中段第2次开挖；2—单中段第6次开挖；3—双中段第1次开挖；4—双中段第3次开挖；
5—双中段第5次开挖；6—双中段第7次开挖；7—双中段第9次开挖
图2 自重应力型开采地表沉降分布曲线
Fig.2 Subsidence curves of gravity stress type mining
1—单中段第2次开挖；2—单中段第6次开挖；3—双中段第1次开挖；4—双中段第3次开挖；
5—双中段第5次开挖；6—双中段第7次开挖；7—双中段第9次开挖
图3 构造应力型开采地表沉降分布曲线
Fig.3 Subsidence curves of tectonic stress type mining
1—单中段第2次开挖；2—单中段第6次开挖；3—双中段第1次开挖；4—双中段第3次开挖；
5—双中段第5次开挖；6—双中段第7次开挖；7—双中段第9次开挖
Fig.4 Horizontal displacement curves of gravity stress type mining
1—单中段第2次开挖；2—单中段第6次开挖；3—双中段第1次开挖；4—双中段第3次开挖；
5—双中段第5次开挖；6—双中段第7次开挖；7—双中段第9次开挖
图5 构造应力型开采地表水平移动分布曲线
Fig.5 Horizontal displacement curves of tectonic stress type mining
图4所示为自重应力型开采所引起的地表水平移动分布曲线。可见，地表水平位移在含矿超基性岩地表露头附近为0，且以该处为界，左侧向右移动，右侧向左移动，都向沉降中心移动，左右两侧水平位移分别有1个最大值和极大值。矿体上盘岩体受采动影响大于下盘岩体所受的影响，上盘地表水平移动明显大于下盘的水平移动，上盘最大位移为下盘的2~5倍，这主要是由矿体和岩层的倾向所决定。图5所示为构造应力型开采地表水平移动分布曲线，可见，矿体上盘和下盘地表的水平位移均大于自重应力条件下的位移。并且上盘地表水平位移显著大于下盘的水平位移，其最大水平位移为下盘的1~3倍，由于双沉降中心的出现，水平移动零值点右移。
可见，仅有自重应力条件下开采所引起的地表沉降自始至终只出现1个沉降中心，且最大沉降中心向两侧扩展区域的沉降变化量较大，水平位移也较小，即地表岩体移动变形的铅直分量占优势。构造应力型开采沉降在不同的阶段有不同的规律，当开采深度较小时，与自重应力条件下的开采相类似。但是，当开采达到一定深度时，会出现双沉降中心，而且自沉降中心向两侧扩展区域的沉降变化量较前者的小，最大沉降量也小于自重条件下开采的沉降量。构造应力型开采上下盘地表岩移的水平位移均大于自重条件下的水平位移。
1.3.2 岩移现象的发生机理
地下开采引起地表岩体的移动和变形是受到了多个因素的综合作用，包括与矿体开采边界正交或近似正交的岩体移动和变形，它们是由矿体的上下盘岩体向采空区移动、变形和进一步发生的破坏引起的，还包括矿体顶部与矿体延伸方向平行的岩体移动变形。金川二矿区1号矿体长1.6 km，水平宽近200 m，平均宽度为98 m。
为了直观表征不同应力状态下和不同开采阶段岩体移动的发生机理，开采初期阶段、双中段开采后期阶段的位移场模拟结果见图6，相应的岩移规律和机理见图7。
在开采的初期阶段，由于开采的矿体在竖直方向上的深度远远小于矿体在水平方向上的宽度，所以，这个时期的采区几何形态类似于水平煤层的开采区的几何形态，其沉降曲线在形态上类似于水平煤层开采引起的沉降曲线(见图7(a))。在这个时期，虽然也有采空区左右两侧围岩的变形和移动，但移动的范围和幅度远小于采空区顶板岩体移动的范围和幅度。因此，在这个阶段，无论是自重应力型急倾斜矿体还是构造应力型急倾斜矿体，地表沉降曲线特征基本相似。当开采区在竖直方向上的深度开始超过水平方向上的宽度时，2种应力型矿山地表岩移特征开始出现不同的特点。
(a) 开采初期阶段位移场分布；(b) 自重应力型急倾斜矿体开采位移场分布；(c) 构造应力型急倾斜矿体开采位移场分布
图6 不同开采阶段和应力条件下急倾斜矿体开采位移场分布
Fig.6 Displacement distribution induced by underground mining under different stage and stress condition
(a) 开采水平矿体岩体移动方式示意图；(b) 自重应力型急倾斜矿体开采岩移方式示意图；(c) 构造应力型急倾斜矿体开采岩移方式示意图
图7 不同开采阶段及应力条件下岩体移动及位移传递机理
Fig.7 Ground movement induced by underground mining and their general transmission model
对于自重应力型急倾斜矿体，由于在开采区以自重体积力为主，尽管开采的矿体上下盘岩体移动变形区域大于顶底板移动变形区域，但上下盘每点的岩体移动是以竖直分量占优势，因此，地表岩体移动变形以整体竖向沉降为主，沉降曲线一直保持单沉降中心的尖底形特征。对于构造应力型急倾斜矿体，当开采区在竖直方向上的深度大于矿体在水平方向上的宽度时，上下盘岩体的水平移动开始起主导作用，并逐步传递到地表形成沉降盆地，双沉降中心逐渐显现。
构造应力型急倾斜矿体开采沉降小于自重型沉降，但水平移动和影响区域较大。由于金川矿区地应力基本上属于中高～超高范围，在成矿构造上受到挤压作用，矿区陡倾岩体结构面走向基本与最大压应力方向垂直，结构面法向应力较高，岩体陡倾结构面的滑动摩擦阻力大，受采动影响不易松动、活化，这在一定程度上减缓了岩体变形的幅度和破坏程度；另一方面，在较高的水平构造应力下开采，采空区围岩的移动变形除竖直分量外，水平方向的移动变形往往较大且占优势，致使水平移动变形范围扩大。因此，构造应力的存在一方面减缓了铅直下沉的幅度，另一方面也促进了矿体上下盘地表岩体的水平移动和变形的发展。
2 地表岩体移动、变形和宏观破坏特征及形成机制
由于作用机制不同，构造应力型急倾斜矿体开采地表岩移与自重应力型矿体开采，尤其是自重应力型水平矿体开采引起地表岩体移动、变形和宏观破坏特征不同，主要表现在[11-14] ：
a. 由于下沉所形成的下沉盆地其容积远小于地下采出体积，即使是采用充填法采矿的高构造应力矿区(如金川矿山)，所形成地表沉降盆地的容积也远小于地下充填后的空区体积，且沉降缓慢，不会产生突然的大幅度沉降。
b. 地表岩体移动、变形和破坏范围有向外扩大的现象，且不同区域的破坏呈现2种不同的类型：内区剪切错断台阶状破坏，对应与自重应力场条件下的开采沉降和变形；外区以拉伸破坏为主，由叠加构造应力型开挖卸载所导致的开采沉降与拉伸破坏引起 (图8)。
c. 地表的水平移动和变形的范围更大，移动盆地边缘各点的水平位移分量和竖直位移分量的比值(U/W)成倍甚至成数量级增长(表2)。
d. 构造弱面的存在改变了构造应力型矿山地表拉伸变形分布与破坏的正常规律。金川矿山F1断层带的存在基本上可以作为矿体下盘岩移变形的边界，断层带远离矿体一侧的监测点变形量明显小于内侧的变形量。如图9所示，金川三矿区沉陷椭圆区存在1条陡倾的断层带F17 ，在椭圆形盆地内靠近断层带的地方，位移变化幅度大，位移等值线密集，而在断层带的另一侧岩体移动，变形趋势截然不同，等值线分布规律性不强，而且其值远远小于断层另一侧对称区域的值。其次，小断层和一些弱结构面往往是造成地表出现大量台阶状陡坎的诱因。在地表岩移的压缩区，沿断层面或结构面剪切错断，成台阶状破坏；在拉张区断层面及软弱结构面上产生了较强的附加张应力，造成断层面以及软弱结构面被拉开错动(见图8)。
图8 地表岩体非连续变形示意图
Fig.8 Discontinuous deformation of rockmass
表2 金川二矿沉降主断面14行岩移盆地中心至边缘水平位移U与竖直位移W之比
Table 2 Ratio of horizontal displacement to subsidence from center to edge in main cross-section of subsidence in Jinchuan No.2 mine
等值线中数值对应的单位：mm
图9 金川三矿区地表GPS三维位移等值线
Fig.9 3D displacement contour of Jinchuan No.3 mine
e. 构造型矿山，尤其是像金川这样的金属矿山，经历了复杂的成矿构造运动，矿体陡倾。随着采掘向纵深发展，沉降量累计递增，地表的沉降范围不断扩大，沉降中心向矿体上盘方向缓慢地发生偏移，最大沉降量和移动角都是动态变化的，地表岩体移动、变形和破坏的区域也会缓慢向矿体上盘区域发展，下盘区域移动速率逐渐减弱。
可见，不同的受力条件出现不同的宏观破坏特征，构造型地下开采地表岩移宏观破坏特征与自重应力条件下开采，尤其是自重应力下的水平煤系地层开采岩移的宏观特征不同，其根本原因在于原岩应力场状态下的开挖作用。在自重应力型地区，以自重体积力为主，在一般情况下，最大主压应力为铅直取向，地表岩移的竖直分量大于水平分量。在构造型地区，最大主应力一般与最小主应力方向为近水平方向，中间主应力方向多为铅直取向，地下开采引起的地表岩移除竖直分量外，水平分量通常较大，往往导致岩移范围扩大，呈现不同的破坏特征。
3 结 论
a. 在开采的初期阶段，急倾斜矿体无论是自重应力型还是构造应力型，开采后都具有类似水平矿体开采的地表岩移特征。当开采区在竖直方向上的深度大于矿体在水平方向上的宽度时，对于自重应力型急倾斜矿体，地表沉降盆地自始至终只出现1个沉降中心；对于构造应力型急倾斜矿体，在地表沉降盆地出现双沉降中心的现象。
b. 由于高构造应力区优势结构面法向应力较高，岩体陡倾结构面的滑动摩擦阻力大，受采动影响，不易松动、活化，这在一定程度上减缓了岩体变形幅度和破坏程度；另一方面，在较高的水平构造应力下开采，采空区围岩的移动除竖直分量外，水平分量往往较大而且占优势，致使构造应力型急倾斜矿体开采地表岩体水平移动和变形范围扩大。
c. 高构造应力区急倾斜矿体开采引起的地表岩体移动、变形和宏观破坏特征在沉降盆地容积、岩体移动、变形和破坏边界类型、移动盆地边缘带移动分量比值及沉降中心偏移量等方面与自重应力型矿体开采不同，尤其是自重应力型水平矿体开采引起的地表移动、变形和宏观破坏特征上表现得更突出，其根本原因在于原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的取向对岩移行为的影响。
参考文献：
[1] 刘宝琛, 廖国华. 煤矿地表移动的基本规律[M]. 北京: 中国工业出版社, 1965.
LIU Bao-chen, LIAO Guo-hua. The fundamental laws of the coal mine ground movement[M]. Beijing: China Industry Press, 1965.
[2] 中国矿业学院. 煤矿岩层与地表移动[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1981.
China College of Mining and Technology. Ground movement and coal mining[M]. Beijing: China Coal Industry Press, 1981.
[3] 颜容贵. 地表开采沉陷及其地表建筑[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995.
YAN Rong-gui. Ground subsidence and buildings due to mining[M]. Beijing: China Metallurgical Industry Press, 1995.
[4] 马凤山, 袁任茂, 邓青海, 等. 金川矿山地表岩移GPS监测及岩体采动影响规律[J]. 工程地质学报, 2007, 15(Suppl 2): 84-97.
MA Feng-shan, YUAN Ren-mao, DENG Qing-hai, et al. GPS monitoring of ground movement and mechanism of underground mining influence in Jinchuan mine[J]. Journal of Engineering Geology, 2007, 15(Suppl 2): 84-97.
[5] 袁仁茂, 马凤山, 邓清海, 等. 基于Elman型神经网络的金川二矿地表岩移时序预测模型[J]. 工程地质学报, 2008, 16(1): 116-123.
YUAN Ren-mao, MA Feng-shan, DENG Qing-hai, et al. Elman neural network based time-series forecasting model for group surface movement on No.2 nickel mine area in Jinchuan[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(1): 116-123.
[6] 赵海军, 马凤山, 李国庆, 等. 充填法开采引起地表移动、变形和破坏的过程分析和与机理研究[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(5): 670-676.
ZHAO Hai-jun, MA Feng-shan, LI Guo-qing, et al. Analysis and mechanism of ground movement deformation and fracture induced by underground backfill mining[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(5): 670-676.
[7] 李庶林. 论我国金属矿山地质灾害与防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2002, 13(4): 44-52.
LI Shu-lin. Study on the geological hazard in metal mines and its prevention countermeasures[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2002, 13(4): 44-52.
[8] 张巨伟, 高 谦, 王福玉. 金属矿山岩移与工程稳定性研究及动态预测[J]. 地质与勘探, 2006, 42(5): 98-102.
ZHANG Ju-wei, GAO Qian, WANG Fu-yu. Study on strata movement and dynamic predicting and control of the stability for main projects in mine zone[J]. Geology and Prospecting, 2006, 42(5): 98-102.
[9] 王艳辉, 宋卫东, 蔡嗣经. 地下金属矿山崩落采矿法岩层移动规律分析[J]. 金属矿山, 2002, 309: 13-16.
WANG Yan-hui, SONG Wei-dong, CAI Si-jing. Analysis of rock stratum displacement law of caving mining of underground metal mines [J]. Metal Mine, 2002, 309: 13-16.
[10] 刁心宏, 远 洋, 张传信. 金属矿山地质灾害及其研究发展趋势[J]. 金属矿山, 2006, 360: 1-4.
DIAO Xin-hong, YU Yang, ZHANG Chuan-xin. Geological disasters of metal mines and trend in their research[J]. Metal Mine, 2006, 360: 1-4.
[11] 曹 阳, 颜荣贵, 贺跃光, 等. 构造应力型矿山地表移动宏观破坏特征与对策[J]. 矿冶工程, 2002, 22(2): 31-33.
CAO Yang, YAN Rong-gui, HE Yue-guang, et al. Macroscopic destroy of tectonic stress type surface movement[J]. Mining and Metal Lurgical Engineering, 2002, 22(2): 31-33.
[12] 方建勤, 彭振斌, 颜荣贵. 构造应力型开采地表沉陷规律及其工程处理方法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2004, 35(3): 506-510.
FANG Jian-qin, PEN Zhen-bin, YAN Rong-gui. The law of tectonic stress mining ground surface subsidence and its engineering treatment method[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2004, 35(3): 506-510.
[13] 贺跃光, 颜荣贵, 曾卓乔. 构造应力作用下的地表移动规律研究[J]. 矿冶工程, 2000, 20(3): 12-14.
HE Yue-guang, YAN Rong-gui, ZENG Zhuo-qiao. Law of mining surface movement by the effect of tectonic stress[J]. Mining and Metal Lurgical Engineering, 2000, 20(3): 12-14.
[14] Sing R P, Yadav R N. Prediction of subsidence due to coal mining in Raniganj coalfield, West Bengal, India[J]. Engineering Geology, 1995, 39: 103-111.
[15] Tian Y S, Zhang W. Engineering geological characteristics and rheological properties of rock mass in Jinchuan nickel mine[C]//Proc 8th Cong Inter Soc on Rock mechanics. Balkema A A, 1995: 9-12.
收稿日期：2008-08-10；修回日期：2008-11-09
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2-YW-113)；国家自然科学基金资助项目(40702048)
通信作者：赵海军(1981-)，男，宁夏中卫人，博士研究生，从事工程地质与岩土工程研究；电话：010-82998590； E-mail: Jonavy@126.com
