基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定.pdf

基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定 ① 刘艳章１， 吴恩桥１， 冯毓松２， 张 奎１， 刘永涛１， 潘世华１， 陈小强１ （１．武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 ４３００８１； ２．黄麦岭磷化工有限责任公司，湖北 大悟 ４３２８１８） 摘 要 选取大包庄矿开采范围内所有地质剖面，建立二维有限元数值模型，计算一期、二期工程矿体开挖后不充填和全充填 ２ 种 工况下的地表变形，通过地表变形值与标准值对比，圈定 ２ 种工况下的地表移动带，并对数值模拟法与工程类比法圈定的移动带进 行了对比分析。 结果表明采空区不充填时数值模拟法与工程类比法圈定的范围较接近，开挖矿体较薄时，数值模拟法计算的地表 移动范围在工程类比法确定的移动范围内；开挖矿体较厚时，数值模拟法计算的地表移动范围在工程类比法确定的移动范围外。 采空区全充填时数值模法与工程类比法圈定的移动带范围差异较大，充填体限制了围岩变形，减小了地表移动范围。 数值模拟法 充分考虑了矿山复杂地质条件和开采技术条件，其圈定的移动带能更好地反映实际地表变形。 关键词 地表变形； 地表移动带； 工程类比法； 数值模拟法； 有限元分析 中图分类号 ＴＤ３２５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０１７．０３．００３ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０１７）０３-００１１-０５ Ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｂｅｌｔ ｆｏｒ Ｄａｂａｏｚｈｕａｎｇ Ｍｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩＵ Ｙａｎ-ｚｈａｎｇ１， ＷＵ Ｅｎ-ｑｉａｏ１， ＦＥＮＧ Ｙｕ-ｓｏｎｇ２， ＺＨＡＮＧ Ｋｕｉ１， ＬＩＵ Ｙｏｎｇ-ｔａｏ１， ＰＡＮ Ｓｈｉ-ｈｕａ１， ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ-ｑｉａｎｇ１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００８１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕａｎｇｍａｉｌｉｎｇ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｄａｗｕ ４３２８１８， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ａｌｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｄａｂａｏｚｈｕａｎｇ Ｍｉｎｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ， ｗｉｔｈ ｗｈｉｃｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ ｐｈａｓｅ Ｉ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ＩＩ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ａｆｔｅｒ ａｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｅｂｏｄｙ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂａｃｋｆｉｌｌ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖａｌｕｅ， ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｌｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｔｗｏ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎａｌｏｇｙ ｍｅｔｈｏｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ａｓ ｆｏｒ ｍｉｎｄ-ｏｕｔ ａｒｅａ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂａｃｋｆｉｌｌ， ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｒｅａｓ ｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ ｂｙ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ． Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｌｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｃｏｐｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎａｌｏｇｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ ｏｒｅｂｏｄｙ， ｂｕｔ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｏｒｅｂｏｄｙ． Ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｄ-ｏｕｔ ａｒｅａ ｂｅｉｎｇ ｂａｃｋｆｉｌｌｅｄ， ｔｈｅｒｅ′ｓ ａ ｂｉｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｃｏｐｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｃｏｐｅ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｌｔ ｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｇｉｖｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅｉｎｇ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａ ｆｕｌｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｌｔ； ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎａｌｏｇｙ ｍｅｔｈｏｄ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 大包庄矿是一座年产 １００ 万吨硫铁矿和铁矿的大 型矿山，矿山设计时采用工程类比法即根据类似矿山 岩层移动角圈定地表移动带，由于未充分考虑矿山地 质条件和开采工艺，其圈定的移动带范围与大包庄矿 实际情况存在较大差异。 金属矿山地表移动带的圈定 方法主要有工程类比法、理论分析法和数值模拟法 等［１］。 工程类比法根据经验确定岩层移动角，然后在 矿体边界作岩石移动界线圈定移动带，具有很大的不 ①收稿日期 ２０１７-０１-０９ 基金项目 国家自然科学基金面上项目（５１０７４１１５，５１５７４１８３）；湖北省自然科学基金重点项目（２０１５ＣＦＡ１４２） 作者简介 刘艳章（１９６９-），男，湖北人，博士，教授，主要从事矿山岩石力学、采矿工艺、矿山测试技术等方面的研究工作。 第 ３７ 卷第 ３ 期 ２０１７ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №３ Ｊｕｎｅ ２０１７ 万方数据 确定性；理论分析法主要有上盘渐进崩落理论、上盘渐 进断裂理论、概化随机介质理论和松动区引起地表岩 层移动理论等［２］，通过岩层移动的主要影响因素确定 移动角，再圈定地表移动带；常规的数值模拟法主要通 过计算典型区域的地表变形，修正移动角，采用修正后 的移动角圈定移动带［１］。 上述方法本质上都是根据 岩层移动角圈定地表移动范围，没有充分考虑到矿山 地质条件和开采技术条件，与矿山实际情况存在一定 差异。 本文选取大包庄矿开采范围内所有地质剖面进行 二维有限元数值计算［３-５］，分析矿体开挖或采空区充 填后的地表变形值，参考地表允许变形标准值［６］，对 比分析地表变形值与相应的变形标准值，根据地表变 形状态圈定矿山地表移动带，将数值模拟圈定结果与 工程类比法圈定的移动带进行对比，探求充分考虑矿 山地质条件和结合矿山开采技术条件下矿山移动带的 圈定方法。 １ 工程概况 大包庄矿开采对象是一个埋深 ３００ ｍ 以上的硫铁 矿和铁矿混合矿体，矿区地层、断层较多，地质条件复 杂。 矿体顶板围岩为凝灰岩和硬石膏层，底板围岩为凝 灰岩、石膏辉岩。 矿体总体产状呈向四周倾伏的穹隆 状，形状为似层状或透镜状，总体走向北东，长约１１００ ｍ， 宽约 ７７０ ｍ。 矿体在 ５６＃～５２＃勘探线范围内呈透镜状 且较薄；矿体在 ５２＃～５７＃勘探线范围内-２５０～ -４００ ｍ 间呈穹窿状，向北西方向倾斜延深大，倾角 ５～２０，且 在 ５２＃～５３＃勘探线范围内较薄，向南东方向倾斜延深 小，倾角 ２０ ～ ４０，在 ５２＃～ ５７＃勘探线范围内-４００ ～ -６００ ｍ 间呈似层状，向北西方向倾斜且较厚；矿体在 ５７＃～６１＃勘探线范围内向北西倾斜，平均倾角 ２５且较 厚。 其中，５３＃勘探线剖面地质概况如图 １ 所示。 粗安岩 粗斑粗安岩 含砾粗安岩 膏化辉石粗安岩 凝灰岩 含砾粗安岩 含砾粗安岩 膏辉石 矿体 粗面岩 凝灰岩石膏 辉石粗安岩 30 m -400 m -600 m 65 65 65 01774 m 辉石粗安岩 F4断层 图 １ ５３＃勘探线剖面矿岩分布示意 根据大包庄矿地下开采设计，矿山分两期开采。 一期开采-４００ ｍ 水平以上的矿体，其中 ５６＃～５２＃勘探 线内的矿体可在一期采完；二期开采-４００～ -６００ ｍ 水 平的矿体。 目前，矿山采用分段空场嗣后胶结充填采 矿法进行开采，阶段高度为 ５０ ｍ，矿房、矿柱宽度均为 １５ ｍ；先采矿房，充填采空区后再回采矿柱，充填时，各 中段底层 １０ ｍ 采用灰砂比为 １∶４的充填料充填，其余 采空区采用灰砂比为 １∶８的充填料充填。 ２ 工程类比法圈定地表移动带 工程类比法是通过工程经验及参考类似矿山的岩 层移动角，确定设计矿山的岩层移动角，根据移动角在 勘探线剖面上作出矿体边界的岩层移动界线，并在地 质平面图上连接各勘探线剖面岩层移动界线与地表的 交点，所形成的闭合曲线即为矿山地表移动带［１］。 根据大包庄矿工程地质条件，采用工程类比法确 定的大包庄矿上、下盘岩层移动角均为 ６５，端部岩层 移动角为 ７０，采用此移动角圈定大包庄矿一期、二期 工程的地表移动带，如图 ２ 所示。 圈定结果显示，一期 工程的移动带已覆盖到部分村庄区域，二期工程的移 动带相比于一期有所扩大，覆盖村庄区域面积增大。 4 1 2 1 56 54 5250 51 53 5557 59 61 1 3 图 ２ 工程类比法圈定大包庄矿地表移动带 １ 村庄区域； ２ 工业场地； ３ 一期工程移动带； ４ 二期工 程移动带 ３ 数值模拟法圈定地表移动带 通过对大包庄矿开采范围内所有地质剖面建立二 维有限元数值模型，分析计算矿山一期、二期矿体开挖 后采空区不充填和全充填 ２ 种工况下的地表变 形［７-９］，根据地表变形状态圈定地表移动带。 计算大 包庄矿地下工程开挖或充填后地表节点的水平变形、 倾斜和曲率 ３ 个地表变形值，并将计算值与对应的变 形标准值进行分析比较。 砖石结构建构筑物保护等级 及其对应建筑物所处地表位置允许变形最大值如表 １ 所示［６］。 采用砖石结构建筑物Ⅰ级保护等级对应的 ３ 个变形标准值衡量大包庄矿地下开采对地表的影响程 ２１矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 度。 当节点的 ３ 个计算值中任一指标达到或超过变形 标准值，则该节点即可视为地表破坏点，连接计算出的 各地质剖面上的边界破坏点，所形成的闭合曲线即为 数值模拟法圈定的地表移动带。 表 １ 砖石结构建筑物保护等级 保护 等级 水平变形 ／ （ｍｍ -１ ） 倾斜 ／ （ｍｍ -１ ） 曲率 ／ ｍ -１ 修缮 程度 Ⅰ≤０．００２≤０．００３≤０．０００ ２不修 Ⅱ≤０．００４≤０．００６≤０．０００ ４小修 Ⅲ≤０．００６≤０．０１≤０．０００ ６大修 Ⅳ＞０．００６＞０．０１＞０．０００ ６拆除 ３．１ 建立数值模型 根据大包庄矿地质资料，得到矿山主要矿岩和充 填体的物理力学参数如表 ２ 所示。 表 ２ 矿岩和充填体物理力学性质参数 岩石 容重 ／ （ｋＮｍ -３ ） 泊松 比 弹性模量 ／ （１０４ＭＰａ） 抗剪强度 ／ ＭＰａ 内摩擦角 ／ （） 粗安岩２６．６００．２３０．４９０．５７４８．７０ 辉石粗安岩２６．２００．２２７．０３０．９７４８．８０ 粗斑粗安岩２５．６００．２２３．０８０．７５４８．８０ 膏化辉石粗安岩２６．８００．３０３．６９０．５７４３．６０ 含砾粗安岩２９．１００．１６７．０３０．９７４８．８０ 粗面岩２４．６００．２２２．８５０．７８４６．９０ 凝灰岩２５．７００．２３７．０８１．２９５０．８０ 膏辉石２７．２００．１０１２．６８２．７６５６．２０ 硫铁矿２６．９００．２６７．８２１．８７４８．２０ 铁矿３４．８００．２２７．２０２．５２５４．３０ 石膏２７．０００．２３４．５５０．３０３５．６０ １∶４充填体１８．７００．１８０．０６０．６０４１．５０ １∶８充填体１８．５００．１９０．０２０．４８３８．７０ 选取 ５３＃勘探线剖面进行典型分析，建立剖面的二 维有限元数值模型，划分网格，加载边界条件及自重应 力场；模型下部边界为位移边界条件，取全约束；左右边 界采用水平约束；上边界为自由边界。 ５３＃勘探线剖面 模型网格划分及边界条件加载示意如图 ３ 所示。 图 ３ ５３＃勘探线剖面模型网格划分及边界条件加载示意 ３．２ 数值计算 大包庄矿首采中段为-３００ ｍ 水平，采用自上而下 的阶段顺序进行开采。 其中，５３＃勘探线剖面一期开采 最低水平-４００ ｍ、二期开采最低水平-５５０ ｍ，一期、二 期工程矿体开挖后采空区不充填和全充填 ２ 种工况下 的计算结果对应 Ｘ 方向弹性应变分布云图如图 ４～５ 所示。 图 ４ ５３＃勘探线剖面不充填工况下 Ｘ 方向弹性应变分布云图 （ａ） 一期工程； （ｂ） 二期工程 图 ５ ５３＃勘探线剖面全充填工况下 Ｘ 方向弹性应变分布云图 （ａ） 一期工程； （ｂ） 二期工程 分析 ５３＃勘探线剖面模型矿体开挖后采空区不充 填和全充填工况下的应变状态，计算地表变形值，如图 ６ 所示，图中横轴 Ｘ 为地表节点离模型左边界的水平 距离。 该剖面地表节点共有 １４３ 个。 分析计算得到的 ５３＃勘探线剖面地表变形值，并 将其与地表建筑物 Ｉ 级保护等级对应变形标准值（水 平变形 ０．００２ ｍ／ ｍ、倾斜 ０．００３ ｍ／ ｍ、曲率 ０．０００ ２ ／ ｍ） ３１第 ３ 期刘艳章等 基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定 万方数据 X／m 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 3000600900120015001800 水平变形／m m-1 一期不充填 一期充填 二期不充填 二期充填 X／m 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000 3000600900120015001800 倾斜／m m-1 一期不充填 一期充填 二期不充填 二期充填 X／m 0.0030 0.0020 0.0010 0.0000 3000600900120015001800 曲率／ m-1 一期不充填 一期充填 二期不充填 二期充填 图 ６ 一期、二期工程各工况下地表变形值 进行比较［６］。 一期或二期开采结束时，各地表变形值 在不充填采空区工况下明显比充填采空区时大，表明 充填采空区可以明显降低地表变形程度［１０-１２］，减小地 表受影响范围；二期工程相比于一期工程开采深度增 大，各地表变形值增大。 对比图 ６ 中各工况下水平变 形和倾斜值，地表变形的变化趋势总体相似，发生较大 变形的区域主要在开挖矿体正上方，相同工况下地表 水平变形值明显比倾斜值大。 矿山一期工程结束时， 不充填采空区工况下引起地表水平变形、曲率最大值 超过标准值，倾斜最大值没有超过标准值；一期工程全 充填采空区工况下引起的地表水平变形、倾斜最大值 没有超过标准值，曲率最大值超过标准值。 二期工程 不充填采空区和充填采空区工况下引起的地表水平变 形、曲率最大值均超过标准值，倾斜最大值没有超过标 准值。 考虑开采范围内所有剖面地质条件的差异，对开 采范围内的其他地质剖面进行数值建模，计算一期、二 期工程矿体开挖后采空区不充填和全充填 ２ 种工况下 的地表变形，地表节点的水平变形、倾斜和曲率中任一 值达到或超过变形标准值，视为该点在移动范围内。 根据达到变形标准值的地表节点 Ｘ 坐标，在地质平面 图上连接各剖面移动范围的边界点，形成的闭合曲线 即为采用数值模拟法圈定的地表移动带。 一期、二期 工程矿体开挖后采空区不充填和全充填 ２ 种工况下的 地表移动带如图 ７ 所示。 4 1 2 1 7 8 56 54 5250 51 53 5557 59 61 1 3 5 6 图 ７ 大包庄矿地表移动带对比图 １ 村庄区域； ２ 工业场地； ３ 移动角圈定一期工程移动带； ４ 移动角圈定二期工程移动带； ５ 不充填时一期工程移动带； ６ 不充填时二期工程移动带； ７ 充填后一期工程移动带； ８ 充 填后二期工程移动带 ３．３ 计算结果分析 工程类比法和数值模拟法圈定的各条件下一期、 二期工程地表移动带面积如表 ３ 所示。 表 ３ 各条件下一期、二期工程移动带面积 条件 移动带面积／ ｍ２ 一期工程二期工程 工程类比法７７５ ４３９１ ３３４ ７８７ 数值模拟法（不充填）７００ ７８７１ ３６１ ７１１ 数值模拟法（充填）１０１ ８１６６８９ ３７７ 不充填采空区工况下一期、二期工程数值模拟法与 工程类比法圈定移动带面积比分别为 ０．９ 和 １．０２，此时 数值模拟法与工程类比法圈定的地表移动带范围接 近，２ 种方法确定的移动带范围仍存在差异。 ５６＃～５４＃勘探线范围的矿体在一期采完，５６＃勘探 线范围的矿体较薄，该范围数值计算的地表变形满足 砖石结构建筑物 Ｉ 级保护等级；５２＃～５７＃勘探线间-４００ ｍ 中段向南东方向倾斜的矿体较薄且可在一期工程采 完，５２＃～５１＃和 ５７＃～５９＃勘探线间-４００ ｍ 中段向北西 方向倾斜的矿体较薄，此时该范围数值计算的地表移 动范围比工程类比法确定的移动范围小；５３＃～ ５５＃勘 探线间-４００ ｍ 中段向北西方向倾斜的矿体较厚，二期 工程开采的矿体主要呈缓倾斜似层状厚大矿体，此时 数值计算地表移动范围比工程类比法确定的移动范 围大。 工程类比法确定的移动带范围主要与选取的移动 角大小和矿体边界位置有关，没有充分考虑矿山的地 质条件。 数值模拟法考虑了矿岩的物理力学性质，模 ４１矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 拟矿山复杂的地质条件，反映地下开采引起的地表变 形情况。 大包庄矿在不充填采空区工况下，数值模拟 计算开挖矿体较薄时，留下的采空区较小，围岩的应力 应变状态引起的地表变形较小，造成该范围地表移动 范围比工程类比法确定的范围小；开挖矿体较厚时，留 下的采空区较大，围岩应力应变状态引起的地表变形 较大，造成该范围地表移动范围比工程类比法确定的 范围大。 大包庄矿山采用分段空场嗣后胶结充填采矿方法， 利用充填体限制围岩变形［１３-１５］，减小地表的受影响范 围。 充填采空区工况下，一期、二期工程数值模拟圈定 的移动带范围均比不充填工况下数值模拟法和工程类 比法圈定的移动带范围小，且范围差异较大，此时数值 模拟法与工程类比法圈定的一期、二期工程移动带面 积比分别为 ０．１３ 和 ０．５２。 一期工程开挖的 ５６＃～５０＃勘 探线间矿体较薄，充填后该范围地表变形满足砖石结 构建筑物Ⅰ级保护等级，一期工程地表移动带没有扩 展到地表村庄区域和工业场地；二期工程移动带有所 扩大，移动带已覆盖到村庄区域和部分工业场地，地下 开采可能会对该区域的部分建构筑物造成安全影响， 后期开采应加强该部分区域的监测。 充填采空区后，充填体限制了围岩变形，对矿山地 表变形起到很好的控制作用，数值模拟法考虑矿山复 杂地质条件，结合矿山开采技术条件，圈定的地表移动 带能更好地反映实际地表变形。 ４ 结 论 通过对大包庄矿开采范围内所有地质剖面建立二 维有限元数值模型，计算一期、二期工程矿体开挖后采 空区不充填和全充填 ２ 种工况下的地表变形值，根据 地表变形状态圈定相应工况下的地表移动带，将圈定 结果与工程类比法圈定的移动带进行对比分析，结果 表明 １） 采空区不充填时数值模拟法与工程类比法圈 定的一期、二期工程移动带面积比分别为 ０．９ 和 １．０２， ２ 种方法圈定的移动带范围接近，开挖矿体较薄时，数 值模拟法确定的地表移动范围在工程类比法确定的范 围内；开挖矿体较厚时，数值模拟法确定的地表移动范 围在工程类比法确定的范围外。 ２） 矿山目前采用的分段空场嗣后胶结充填采矿 法，采空区充填后数值模拟法与工程类比法圈定的一 期、二期工程移动带面积比分别为 ０．１３ 和 ０．５２，此时 数值模拟法与工程类比法圈定结果范围差异较大，充填 结束后，充填体限制了围岩变形，减小地表移动范围。 ３） 数值模拟法考虑了矿岩物理力学性质，模拟矿 山开采范围内复杂的工程地质条件，结合矿山开采工 艺，反映地下工程实施后的地表变形状态，其圈定的移 动带能更好地反映实际地表变形。 参考文献 ［１］ 张 飞，王 滨，田 睿，等． 书记沟铁矿地下开采岩层移动界线 的圈定［Ｊ］． 金属矿山， ２０１１（３）３８-４１． ［２］ 袁 义． 地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定方法研究 ［Ｄ］． 长沙中南大学资源与安全工程学院， ２００８． ［３］ 任卫东，陈建宏． 开采顺序对采场稳定性及地表沉降影响的数值 模拟研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１１，３１（６）２１-２４． ［４］ Ｌｉ Ｊｉａｎ， Ｚｈａｎｇ Ｊｉｘｉｏｎｇ， Ｈｕａｎｇ Ｙａｎｌｉ， ｅｔ ａｌ． Ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒ- ｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ， ｓｏｌｉｄ ｂａｃｋ ｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ［Ｊ］． Ｉｎ- ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１２，２２（４） ４５３-４５７． ［５］ 江文武，徐国元，李国建． 高构造应力下充填采矿引起的地表变形 规律［Ｊ］． 采矿与安全工程学报， ２０１３，３０（３）３９８-４００． ［６］ 金连生，牟金锁． 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤 开采规程［Ｍ］． 北京煤炭工业出版社， ２０００． ［７］ 黄平路，陈从新，肖国峰，等． 复杂地质条件下矿山地下开采地表 变形规律的研究［Ｊ］． 岩土力学， ２００９，３０（１０）３０２０-３０２４． ［８］ Ｓｏｎｇ Ｊｉａｎｊｕｎ， Ｈａｎ Ｃｈｕｎｊｉａｎ， Ｌｉ Ｐｉｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａ- ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１２，２２（１）６９- ７３． ［９］ 夏开宗，刘秀敏，陈从新，等． 程潮铁矿西区地下开采引起的地表 变形规律初探［Ｊ］． 岩石力学与工程学报， ２０１４，３３（８）１５７２- １５８８． ［１０］ 杨宝贵，彭杨皓，李 杨，等． 充填开采地表移动变形规律数值模 拟分析［Ｊ］． 金属矿山， ２０１４（１２）１６９-１７４． ［１１］ Ｒｅｎ Ｗｅｉｚｈｏｎｇ， Ｙａｏ Ｑｉａｎｇｌｉｎｇ， Ｌｉ Ｘｕｅｈｕａ， ｅｔ ａｌ． Ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ- ｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ｄｕｅ ｔｏ ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｔｈｉｃｋ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｔｅｒｒａｎｅ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒ- ｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１０，４７ （４）６１４-６２４． ［１２］ 陈陆望，孙 瑞，白世伟，等． 近地表倾斜矿体开采地表及覆岩变 形破坏模拟［Ｊ］．采矿与安全工程学报， ２０１４，３１（２）２４３-２４８． ［１３］ Ｌｉｕ Ｙａｎｚｈａｎｇ， Ｗａｎｇ Ｑｉｈｕ， Ｙｅ Ｙｉｃｈｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｏｐｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ Ｅ′ｘｉ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１１，６６１４３４- １４３９． ［１４］ 李小贝，戴兴国，王新民，等． 基于 ＣＴ-ＧＲＮＮ 模型的采场顶板位 移预测［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１５（６）３０-３４． ［１５］ 瞿群迪，姚强岭，李学华，等． 充填开采控制地表沉陷的关键因素 分析［Ｊ］． 采矿与安全工程学报， ２０１０，２７（４）４５８-４６２． 引用本文 刘艳章，吴恩桥，冯毓松，等． 基于有限元分析的大包庄矿地 表移动带圈定［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（３）１１-１５． ５１第 ３ 期刘艳章等 基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定 万方数据