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地下采矿引起地表塌陷机理研究 ① 王栋毅１，２， 李夕兵２， 黎崇金２， 刘志祥２ （１.山金金控资本管理有限公司，上海 ２００１２０； ２.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 根据赤峰红岭铅锌矿的地质资料，利用颗粒流程序 ＰＦＣ２Ｄ 建立了红岭铅锌矿的二维离散元模型，模拟矿体的开挖过程；并 通过分析开采过程中的应力和位移演化规律，揭示矿山地表塌陷区的形成机理。 模拟结果表明矿山地表发生塌陷的主要原因是 矿区较大水平构造应力的释放，以及采空区未及时回填而使上盘形成悬臂结构；塌陷废石回填了部分采空区，并在一定程度上限制 了围岩的水平变形；地表位移的缓慢变形阶段和加速变形阶段的拐点表示围岩塌陷的开始，可作为预测地表塌陷的指标。 关键词 采矿工程； 地表变形； 地下采矿； 地表塌陷； 围岩移动； ＰＦＣ２Ｄ； 速度倒数 中图分类号 ＴＤ８５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０.３９６９／ ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３－６０９９.２０２０.０１.００４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０１－００１６－０６ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ-ｙｉ１，２， ＬＩ Ｘｉ-ｂｉｎｇ２， ＬＩ Ｃｈｏｎｇ-ｊｉｎ２， ＬＩＵ Ｚｈｉ-ｘｉａｎｇ２ （１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｇｏｌｄ Ｆｉｎａｎｃｉａｌ Ｈｏｌｄｉｎｇ Ｃａｐｉｔａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２０， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｏｆ Ｈｏｎｇｌｉｎｇ Ｌｅａｄ-Ｚｉｎｃ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｃｈｉｆｅｎｇ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｇｒｏｕｐ， ａ ｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｗ ｃｏｄｅ（ＰＦＣ）， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｅ ｂｏｄｙ. Ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｚｏｎｅ ｗａｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ. Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｈａｎｇｉｎｇ ｗａｌｌ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ-ｏｕｔ ａｒｅａ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎ-ｔｉｍｅ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ. Ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ-ｏｕｔ ａｒｅａ ｂａｃｋｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｐｓｅｄ ｒｏｃｋｓ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ. Ｔｈｅ ｔｕｒｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｆｒｏｍ ａ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｌｏｗ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ； ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ； ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｍｏｖｅｍｅｎｔ； ＰＦＣ２Ｄ； ｉｎｖｅｒｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ 在采矿工程中，地下采矿引起的围岩移动和地表 塌陷不仅会损坏矿区地表建筑物和地下采矿设备，给 矿山造成巨大的经济损失；同时，地表塌陷还会破坏地 表原有生态环境，给当地生态环境和当地居民造成严 重的影响［１］。 就金属矿山而言，地下采矿引起的地表 塌陷不仅与矿区地层结构、节理断层分布、围岩强度、矿 体赋存条件等自然因素有关，还与矿体开采顺序，采矿 方法等密切相关［２］。 地下采矿影响因素的多样性导致 了地表塌陷机理的复杂性，以及地表变形预测的困难 性，地表塌陷成为影响矿山安全生产的重要问题之一。 为此，国内外学者利用理论研究、数值模拟、物理模型试 验、现场监测等多种手段对金属矿山地下采矿引起的地 表变形规律和地表塌陷机理进行了许多研究［３－６］。 一直以来，对矿山地表位移规律的研究主要以现 场监测手段为主，因为现场监测数据能够真实地反映 矿山地表的位移规律，矿山通过现场监测数据能够实 时掌握地下采矿引起的地表变形情况。 然而，现场监 测方法仅限于地表位移记录，监测数据无法体现围岩 移动过程中裂纹的产生和扩展机制，也无法体现地下 采矿引起的应力调整和应力集中现象。 所以，难以通 ①收稿日期 ２０１９－０９－１３ 基金项目 国家自然科学基金（４１６３０６４２，５１６７４２８８） 作者简介 王栋毅（１９８９－），男，山东莱州人，博士研究生，主要研究方向为采矿工程。 通讯作者 黎崇金（１９９１－），男，广西玉林人，博士研究生，主要研究方向为岩石力学。 第 ４０ 卷第 １ 期 ２０２０ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ.４０ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０ ChaoXing 过位移监测数据揭示地下采矿引起的地表变形和地表 塌陷力学机理。 近年来，随着计算机仿真技术的快速 发展，数值模拟已逐渐成为一种研究矿山岩石力学问 题的新手段［７］。 而以离散单元法为基础的颗粒流程 序 ＰＦＣ，在岩石断裂和散体移动规律研究等方面有明 显的优势。 在 ＰＦＣ 模型中，不需要预先定义模型的本 构关系和破坏准则，只需定义一组能够反映岩石宏观 力学行为的微观参数，模型的颗粒之间服从牛顿第二 定律；外荷载作用下，颗粒集合体能够断裂破坏为散 体，能够同时模拟完整岩体和散体的力学表现，所以 ＰＦＣ 很适合模拟矿山围岩塌陷和大型边坡滑坡等工程 问题［８］。 但由于目前计算机运算能力有限，ＰＦＣ 还难 以通过三维模型模拟矿山地表塌陷等大型工程问题。 所以，本文采用 ＰＦＣ２Ｄ 建立赤峰有色金属集团红岭铅 锌矿的二维数值模型，模拟地下采矿引起的围岩变形 和地表塌陷，揭示红岭铅锌矿的地表塌陷机理，旨在为 矿山的地表变形预测和地下采空区的治理提供指导。 １ 工程概况 １.１ 矿山开采现状和地表塌陷情况 赤峰红岭铅锌矿主要矿段总长 １ ３５０ ｍ，宽 １００ ｍ， 走向北东 ５５～５９，倾向北西，倾角 ８０，剖面图如图 １ 所示。 目前矿区共有 ９ 个中段，其中 ９９５ ｍ 中段以上 已基本完成回采，并发生了部分塌陷；９５５ ｍ 和 ９０５ ｍ 中段的矿房已基本回采完成，形成了大面积的空区，矿 柱正在回收；８５５ ｍ 和 ８０５ ｍ 中段目前是矿山的主要 生产中段；７５５ ｍ 和 ７０５ ｍ 中段正在开拓阶段。 红岭 铅锌矿目前采用盘区阶段空场崩落联合采矿法，分段高 度 ５０ ｍ，预留临时顶柱 １０～１５ ｍ，矿块沿走向长 ５０ ｍ， 其中矿房 ３２ ｍ，间柱１８ ｍ，矿块宽为矿体厚度，约４０ ｍ。 图 １ 矿体采空区分布 图 ２ 为矿体典型的地质剖面图及其地表塌陷情 况。 由于上部矿柱相继回收，在 １７ 号勘探线处形成了 宽约 ８５ ｍ、深约 ８０ ｍ 的塌陷坑；地表塌陷主要发生在 上盘，上盘地表出现了大量沿矿体走向发育的拉伸裂 缝，裂缝区宽度约 ８０ ｍ。由于 ９０５ ｍ 中段以上的矿房 图 ２ １７ 号勘探线地质剖面图及地表塌陷情况 已基本完成回采，形成了大量空区，地表塌陷废石沿空 区进入地下采场，９０５ ｍ 中段以上的许多空区已被废 石充填。 １.２ 岩体强度和原岩地应力 从矿山取回完整性较好的岩石，通过钻芯取样获 得标准试样，然后通过实验室测试得到完整岩石的基 本力学参数，最后根据 Ｈｏｅｋ-Ｂｒｏｗｎ 准则得到工程岩体 力学参数，如表 １ 所示。 表 １ 岩体力学参数 岩石 类型 密度 ／ （ｋｇｍ －３ ） 单轴抗压强度 ／ ＭＰａ 抗拉强度 ／ ＭＰａ 弹性模量 ／ ＧＰａ 泊松 比 矿体３ ５５６２０.０１０.７７２５.１２０.１９ 上下盘板岩２ ７７０１０.４３０.３５１５.８５０.２１ 地应力测量结果表明，矿区存在较大的水平构造 应力。 最大水平主应力 σＨｍａｘ的方向为北偏东 ５ ～ ２２，最小水平主应力 σＨｍｉｎ的方向为北偏西 ６８～８５， 垂直主应力基本等于岩体的自重应力，三维主应力的 ７１第 １ 期王栋毅等 地下采矿引起地表塌陷机理研究 ChaoXing 线性回归方程为 σｖ＝ ０．０２７ ９ｈ（１） σＨｍａｘ＝ ０．０２５ ６ｈ ＋ １０．２０２（２） σＨｍｉｎ＝ ０．０２３ ３ｈ ＋ １．４７４ ３（３） ２ 数值模型建立 为研究矿区地下采矿引起的地表塌陷机理，根据 １７ 号勘探线地质剖面图，利用 ＰＦＣ２Ｄ 建立了二维离 散元模型，如图 ３ 所示。 数值模型以标高＋５００ ｍ 为 ｙ 轴的原点，模型水平宽度为 １ ０００ ｍ，左右边界高度分 别为 ５６３ ｍ 和 ６５０ ｍ，地表有 ５左右的坡度。 根据地 质剖面图，上、下盘直接围岩均为板岩，矿体上窄下宽， 倾角约 ７７。 为提高模型的计算精度和计算效率，将 模型分 ３ 个区域设置颗粒的半径，区域Ⅰ０.８～２.４ ｍ， 区域Ⅱ１.２～３.６ ｍ，区域Ⅲ１.８～５.４ ｍ，模型总颗粒数 为 ２８ ９８７ 个。 图 ３ PFC 数值模型 在 ＰＦＣ 中，颗粒间的粘结有两种模型接触粘结 模型和平行粘结模型，已有研究表明［９－１０］，平行粘结模 型更适合模拟岩石类脆性材料，所以本次模拟采用平 行粘结模型。 根据岩体的宏观物理力学参数，通过 “试错法”标定 ＰＦＣ 模型的微观参数，直到数值模型与 岩体的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比基本相等，得 到的微观参数如表 ２ 所示。 表 ２ PFC 模型微观参数 微观 参数 单位 数值 矿体上下盘板岩 摩擦系数（υ）／０.５０.５ 接触模量（Ｅｃ）ＧＰａ１９.０３１２.３６ 接触刚度比（ｋｎ／ ｋｓ）／１.８２.０ 平行粘结模量（Ｅｃ）ＧＰａ１９.０３１２.３６ 平行粘结刚度比（ｋｎ／ ｋｓ）／１.８２.０ 平行粘结法向强度（σｃ）ＭＰａ１３.８９２.７８６.５６１.３１ 平行粘结切向强度（τｃ）ＭＰａ２０.８４４.１７９.８４１.９７ 在进行开挖模拟前，需先对模型施加原岩地应力。 由于垂直主应力基本等于岩体的自重应力，所以垂直 应力直接取自重应力；而矿区主应力方向与矿体倾向 不在同一平面，所以需要先将主应力投影到矿体倾向 的方向。 取矿体走向平均值北偏东 ５７，最大主应力 角度平均值北偏东 １３.５，则矿体走向与最大主应力成 夹角 ４３.５，最终得到模型的水平地应力为 σｈ＝ ０．０２４ ４ｈ ＋ ５．６０１（４） 模型左右两侧采用颗粒边界，底部采用墙体边界， 如图 ３ 所示。 由于 ＰＦＣ 为离散元模型，只能给颗粒施 加力，而无法直接施加应力，所以需要将地应力转化为 施加到边界颗粒上的力。 对于纵坐标为 ｙ 的颗粒，施 加的水平力为 Ｆｂａｌｌ＝ ２ｒｔ［０．０２４ ４（Ｈ － ｙ） ＋ ５．６１］（５） 式中 Ｆｂａｌｌ为施加到每个边界颗粒上的力；ｒ 为边界颗粒 的半径；ｔ 为边界颗粒的厚度；Ｈ 为模型的边界高度，本 模型的左右边界高度分别取 ５６３ ｍ 和 ６５０ ｍ；ｙ 为颗粒 的纵坐标。 数值模拟的开挖顺序为从地表向下开挖到 ７０５ ｍ 中段，每次开挖 １０ ｍ，并记录每个中段开挖完成后模 型的塌陷情况与应力分布情况。 为监测开挖过程中的 应力变化，在矿体的 ９０５ ｍ，８５５ ｍ，８０５ ｍ，７５５ ｍ 中段 设置 ４ 个应力监测环（Ａ１～Ａ４），半径为 ２５ ｍ；在上盘 地表设置 ４ 个应力监测环（Ｂ１～ Ｂ４），半径为 １２ ｍ，如 图 ３ 所示。 ３ 模拟结果分析 ３.１ 围岩塌陷机理分析 矿体开挖模拟过程中，模型的塌陷情况及相应的 应力变化过程如表 ３ 所示。 在平行粘结力分布图中， 浅色表示拉应力，深色表示压应力；但接触力分布图只 能表示压力。 因为在 ＰＦＣ 模型中，平行粘结力是 ２ 个 颗粒间的粘结材料所受的力，大小由粘结刚度决定，存 在拉力和压力；而接触力是 ２ 个颗粒受到挤压变形产 生的力，大小由接触刚度决定，但只存在压力。 如表 ３ 所示，９５５ ｍ 中段以上矿体开挖以后，围岩上盘形成了 悬臂结构，同时由于较大的水平应力被释放，导致上盘 地表出现了明显的拉应力集中区。 上盘地表水平应力 演化曲线如图 ４ 所示。 随着矿体的开挖，水平压应力 被不断释放，然后变为拉应力，且越靠近开挖区，应力 下降越快。 当水平拉应力达到岩体的抗拉强度时，岩 体发生拉伸破坏，导致上盘地表出现了多条拉伸裂纹。 随着矿体继续向下开采，地表拉伸裂缝不断扩展贯通， 最终导致上盘发生倾倒破坏。 随后，矿体继续向下开 挖，上盘地表未塌陷区域的水平应力继续被释放，拉应 力不断增加，如图 ４ 的 Ｂ３ 和 Ｂ４ 监测点，当其达到岩 体拉伸强度时，上盘将有可能发生第二次大规模塌陷。 ８１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 表 ３ 地表塌陷过程及相应的应力演化过程 开采水平地表塌陷过程平行粘结力分布图接触力分布图 ９５５ ｍ ９０５ ｍ ７０５ ｍ 模拟时间/s 6 4 2 0 -2 200406080100 上盘地表水平应力/MPa B4 B3 B2 B1 图 ４ 上盘地表水平应力演化曲线 对比表 ３ 的平行粘结力分布和接触力分布可以看 出，上盘塌陷后，采空区被废石充填，虽然采空区已无 平行粘结力，但仍存在接触力。 如前所述，岩体发生破 坏后，虽然失去了整体承载力，但废石仍有一定的残余 承载力。 塌陷区下部矿体继续开挖时，围岩由于水平 应力的释放而产生横向变形，使采空区中的废石受到 挤压而产生抵抗力，这个抵抗力反过来限制了围岩的 变形。 从这一点来看，采空区中的废石能够为围岩提 供一定的被动支撑力，从而在一定程度上限制了上下 盘的破坏，所以回填塌陷坑有利于控制围岩的水平变 形。 图 ５ 为各中段矿体水平应力的演化曲线。 随着矿 体开采深度增加，矿体的压应力集中区不断向下部转 移，导致下部中段的水平应力不断增加，这一点从表 ３ 中也可以明显看出。 而矿体开挖到该中段后，其水平 应力又迅速降低，最后在 １ ＭＰａ 上下震荡，这 １ ＭＰａ 左右的残余应力即为塌陷废石产生的抵抗力。 模拟时间/s 30 20 10 0 200406080100 矿体水平应力/MPa A1 A2 A4 A3 图 ５ 矿体水平应力演化曲线 图 ６ 为塌陷区的最终破坏形态。 ７０５ ｍ 中断开挖 以后，地表形成了高 １２３ ｍ、宽 １９１ ｍ 的塌陷坑。 同 时，从图 ６ 损伤边界与矿体边界的对比可以看出，上盘 的破坏区要比下盘大得多，而且损伤边界上宽下窄。 ９１第 １ 期王栋毅等 地下采矿引起地表塌陷机理研究 ChaoXing 在 ９５５ ｍ 中段以上，上盘发生了较大面积的塌陷，而在 ９０５ ｍ 中段以下，上下盘的损伤边界与矿体边界平行 且损伤范围相对较小。 因为在 ９５５ ｍ 中段以前，采空 区未回填，导致上盘发生了大规模的塌陷。 随后，塌陷 废石回填了部分采空区，废石为围岩提供了一定的支 撑力，所以随后的矿体开挖对围岩的破坏并不大，即开 挖损伤区较小，这也说明了采空区废石对围岩破坏起 到了一定的限制作用。 但废石的支撑作用属于被动支 护，其限制作用有限，如果继续向下开挖矿体，围岩仍 有可能进一步发生大规模的塌陷或边坡滑移。 因此， 矿山应及早对地表塌陷区及地下采空区进行回填治 理，以限制围岩的开挖变形，以免围岩发生大规模的 塌陷。 图 ６ 塌陷区破坏形态 ３.２ 地表位移分析 图 ７ 为模型的垂直位移分布图。 由图 ７ 可知，随 着矿体的开采，围岩沉降逐渐向上下盘两边扩散，且上 盘变形区大于下盘。 ９０５ ｍ 中段开挖以后，矿体上盘 发生了塌陷，越靠近塌陷区，围岩的垂直位移越大。 图 ８ 给出了本次模拟中上盘地表的竖直位移和竖 直速度倒数与模拟时间和开采深度的关系。 根据位 移-时间变化曲线，上盘变形可以分为 ３ 个阶段缓慢 变形阶段、加速变形阶段和稳定变形阶段。 缓慢变形 阶段为矿体开采的初期，上盘变形主要是弹性变形，变 形量较小。 当开采深度达到 ２０７ ｍ（９０５ ｍ 中段）时进 入加速变形阶段，此时地表拉伸裂纹大量产生，随后引 起上盘发生大规模塌陷，导致地表位移迅速增加。 缓 慢变形阶段和加速变形阶段的转折点称为临界竖直位 图 ７ 模型的垂直位移分布 （ａ） ９９５ ｍ； （ｂ） ９５５ ｍ； （ｃ） ９０５ ｍ； （ｄ） ８５５ ｍ； （ｅ） ８０５ ｍ； （ｆ） ７５５ ｍ； （ｇ） ７０５ ｍ 模拟时间/s 开采深度/m 200000 160000 120000 80000 40000 0 160 120 80 40 0 200 090180270360450 406080100 速度倒数/s m-1 竖直位移/m 缓慢变形阶段稳定变形阶段加速 变形 阶段 CVD 速度倒数 竖直位移 图 ８ 竖直位移和速度倒数 移（ＣＶＤ），它代表围岩开始发生大规模塌陷时对应的 竖直位移。 当开采深度达到 ２５２ ｍ（８５５ ｍ 中段）时进 入稳定变形阶段，此时监测点已进入塌陷坑的废石堆， 所以随后的位移主要是矿体出矿引起的，且其斜率代 表了出矿的快慢。 从速度倒数-时间曲线来看，在缓慢 变形阶段，速度倒数呈跳跃循环变化，每一次的跳跃循 环就代表了一次微裂纹的形成，当微裂纹大量累积后 便会相互搭接形成宏观裂纹，导致围岩发生塌陷，此时 ０２矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 围岩位移速度快速增加，即速度倒数趋向于 ０，围岩变 形开始进入加速变形阶段。 从图 ８ 可以看出，速度倒数趋向于 ０ 的时间与 ＣＶＤ 对应的时间基本一致，且要略早于 ＣＶＤ 出现的 时间，因为位移是速度在时间上的累积，当围岩发生塌 陷时，速度立即增大，但位移要累积一段时间后才会出 现明显的拐点。 所以速度倒数对围岩变形更加敏感， 对围岩塌陷具有很好的预警作用。 目前，红岭铅锌矿 还未安装地表位移监测系统，为了保证井下施工人员 的安全，矿山应尽快设计安装地表位移监测系统，定时 进行位移监测记录，并将监测数据转化为速度倒数，绘 制成如图 ８ 的形式，以便随时了解围岩变形情况，并对 有可能发生的大规模塌陷做出预测。 ４ 结 论 １） 红岭铅锌矿地表塌陷的主要原因是地下矿体 开采后空区未及时回填，使上盘形成悬臂梁结构，上盘 地表在拉应力的作用下产生大量拉伸裂缝，并最终扩 展贯通，导致上盘发生大规模塌陷。 ２） 上盘发生塌陷后，塌陷废石回填了部分采空 区，在随后的矿体开采中，塌陷废石对围岩水平变形起 到了限制作用，能够为围岩提供一定的支撑反力。 ３） 地表位移随时间的变化分为 ３ 个阶段，缓慢变 形阶段的围岩变形主要是弹性变形，加速变形阶段主 要是地表发生大规模塌陷的过程，稳定变形阶段主要 是出矿引起的下沉。 ４） 采用速度倒数法分析了上盘塌陷过程，在缓慢 变形阶段，速度倒数的每一次跳跃变化表示一次微裂 纹的形成；速度倒数的拐点即为围岩大规模塌陷的起 点，所以速度倒数对围岩塌陷具有很好的预警作用。 参考文献 ［１］ 李 腾，付建新，宋卫东. 厚大铁矿体崩落法开采围岩移动规律研 究［Ｊ］. 采矿与安全工程学报， ２０１８，３５（５）９７８－９８３. ［２］ 宋许根，陈从新，夏开宗，等. 程潮铁矿塌陷区周边地表变形扩展 规律研究［Ｊ］. 岩石力学与工程学报， ２０１８，３７（２）４１５－４２９. ［３］ 付 华，陈从新，夏开宗，等. 地下采矿引起地表滑移变形分析［Ｊ］. 岩石力学与工程学报， ２０１６，３５（Ｓ２）３９９１－４０００. ［４］ 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Ｉｎｔｅｒ- ｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１８，１０４ １３１－１４６. ［１０］ 黎崇金，李夕兵，李地元. 含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析［Ｊ］. 工程科学学报， ２０１７，３９（１２）１７９１－１８０１. 引用本文 王栋毅，李夕兵，黎崇金，等. 地下采矿引起地表塌陷机理研 究［Ｊ］. 矿冶工程， ２０２０，４０（１）１６－２１. 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇 编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交文章发表的行为即 视为同意本刊上述声明。 矿冶工程杂志编辑部 ２０２０ 年 ２ 月 １２第 １ 期王栋毅等 地下采矿引起地表塌陷机理研究 ChaoXing