CN106326528A - 一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法 - Google Patents

一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，包括：收集露天铁矿区的地形地质资料；露天铁矿坑端帮地下开采模型构建；露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定；地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律；地表裂缝预测。本发明立足于解决铁矿露天转地下矿山的端帮开采引起的地表开裂预测问题，利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型。利用本发明方法可以预测出地下开采过程中地表裂缝的分布范围与形式，为矿山安全生产提供支持。

Description

一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法
技术领域
本发明属于采矿工程技术领域，具体涉及一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法。
背景技术
露天矿端帮矿体是位于矿坑底部以上从端帮边坡坡面延伸到露天境界外一定距离的矿体，一般在露天转向地下开采的过渡期进行地下开采。利用无底柱分段崩落法进行端帮矿体开采将造成地表开裂破坏。地表开裂破坏造成的危害包括：(1)地表开裂将引起地面设施的毁坏，如：破坏露天矿坑的截排水设施等；(2)地表裂缝可能造成人员安全事故。因此，预测地表裂缝十分重要。
目前，常用的地表裂缝预测方法是适用于煤矿地下开采的经验方法，关于露天矿坑端帮下铁矿开采引起的地表裂缝的预测方法，尚未见文献报道。
当地下矿体采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表发生移动和变形，当地表拉伸变形超过其抵抗变形能力时，地表产生裂缝。因此，地下开采引起的岩层移动直接影响地表裂缝的产生，准确掌握地表移动规律是预测地表裂缝分布规律的基础。
(1)地表移动规律研究
早在19世纪，各国学者就开始了煤矿开采岩层移动及开采沉陷理论研究。经过近200年的发展，相关理论与方法已趋成熟。相比于煤矿，金属矿山地下开采岩层与地表移动问题研究历史较短，尚处于探索阶段。
针对金属矿山开采岩层与地表移动问题，国内外学者主要采用数值模拟、现场监测与模型试验方法进行研究。
蔡美峰等采用三维有限元对玲珑金矿深部回采过程中的地压活动规律和围岩稳定性进行了系统分析。郑榕明等用离散单元法对金山店矿山进行了二维模拟研究，得到了围岩变形规律。王艳辉等以FLAC为工具，采用正交数值模拟方法对程潮铁矿地下开采岩层移动进行了研究。赵海军等采用FLAC3D对急倾斜矿体在构造应力和自重应力条件下的岩移特征进行对比分析。张亚民等采用FLAC3D，就金川二矿区高构造应力下充填开采引起的岩层与地表变形规律展开研究。一些学者还根据地表位移监测数据研究地下开采岩层与地表移动问题。曹阳等分析了程潮铁矿开采沉陷宏观破坏现象，研究了构造应力型矿山地表移动特征。白义如等以现场实测资料为基础，分析了程潮铁矿东区地表沉降和岩层移动规律，认为地表下沉属于不连续下沉，岩层破坏主要是缓慢型破坏。王艳辉等以10多个采用无底柱分段崩落法开采的矿山为例，进行岩层移动规律调查分析，结果表明设计的岩层移动角与实际开采的岩层移动角存在不同程度的差异。马凤山等对金川二矿区地下采矿引起的地表岩移进行GPS实时监测，阐述了急倾斜金属矿体开采岩体移动的概化传递模式及其地表移动特征。袁仁茂等结合数值模拟及GPS监测结果，对厚大急倾斜金属矿山岩移机理进行研究，认为矿体厚度对地表移动具有明显的影响。席人双等以程潮铁矿东区为例，通过现场结构面调查、地表及深部岩体变形监测，分析了该区岩层移动与结构面的关系。李海英等分析了弓长岭矿塌陷区实测数据，认为临界散体柱的高度与围岩稳定性、采空区倾角、散体内摩擦角及岩体碎胀系数有关。另外，还有一些学者采用平面相似材料模型试验研究金属矿山地下开采岩层与地表移动规律。任伟中等通过平面地质力学模型试验，分析了某铁矿地下开采引起的地表陷落特征和采空区围岩的变形破坏特征。黄平路等以某铁矿为例，进行了二维相似材料模型试验，研究地表变形和围岩移动规律。
(2)地表裂缝分布范围与形式预测方法
目前，对矿体开采引起的地表裂缝分布规律的预测，都是通过对观测或计算得到的采动后岩层与地表移动变形结果，根据不同的判据分析来进行的。对矿体开采诱发的地表裂缝分布规律预测的判定方法大致可以分为两种：一种是基于应力分析的方法，即以地表的抗拉或抗压强度作为裂缝产生的标准；另一种是利用地表的变形指标来判断和分析裂缝的分布规律。马崇武等基于平面应变弹塑性理论，建立有限元模型模拟了开采过程，认为地表裂缝的产生与地表水平应力和最大剪应力有关，并以此预测地表裂缝的分布位置。杜国栋等利用FLAC3D数值模拟软件对金川充填采矿法引起的地表变形进行了研究，认为地表受到拉应力最大的位置容易产生裂缝，据此推测的地表变形危险位置与地裂缝出露位置一致。高直等以地表GPS监测的长期现场数据为依据，结合对裂缝区调查，分析了金川二矿区地表裂缝沉降变形规律，并根据近期地表采空区附近点的变形规律预测了地表裂缝发展趋势。夏开宗等综合利用GPS监测方法和FLAC3D数值模拟方法对矿区开采进行分析计算，对开采引起的地表变形规律进行研究，并根据地表水平变形速率来分析地表是否产生裂缝。王来贵等利用有限元方法对开采沉陷区的地表裂缝产生过程进行模拟，以抗拉强度作为判据分析地表裂缝的分布规律，为研究开采过程中地表裂缝扩展规律和分布规律提供了新方法。郭延辉等利用FLAC3D对矿区的开采进行模拟，计算结果反映了地表和不同开采深度岩体内部力学状态的变化，并以地表临界变形值来预测开采过程中地表移动陷落范围。刘爱军等利用离散元方法，模拟不同采动程度、采厚和松散层厚度等开采条件下的地表移动变形过程，以临界水平变形值作为地表裂缝产生的依据，分析采动地表裂缝的分布规律。
发明内容
本发明的目的在于提供一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，基于离散元法采用水平拉伸变形来预测地下开采过程中地表裂缝的分布范围与形式，为矿山安全生产提供支持。
本发明的技术方案如下：
一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，包括以下步骤：
步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；
步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；
步骤2-1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；
步骤2-1-1、利用三维地质建模方法生成露天铁矿区地表面：先将露天铁矿区剖分成三角形网；然后利用Kriging插值方法，以不规则分布的地表原始高程数据点为基础，进行插值计算，生成露天铁矿区地表曲面；
步骤2-1-2、将三维地质建模方法生成的露天铁矿区地表曲面导入三维离散元法程序3DEC中，并映射至某一高度，形成以类三棱柱为基本块体的三维地质模型；
步骤2-1-3、将以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中每组结构面简化成一组平行的平面，产状为其平均倾向或倾角；增大结构面间距，并保证距离待开采区域近的结构面间距小，而远离待开采区域结构面间距逐渐增大；将各组结构面添加到以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中得到适用于3DEC计算的离散块体模型，各离散块体模型共同构成露天铁矿坑端帮地下开采模型；
步骤2-2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数：
步骤2-2-1、露天铁矿区岩体结构面分布特征的现场获取：现场获取结构面分布特征，包括：产状、间距、延续性、粗糙程度、起伏度、侧壁抗压强度、充填情况、组数和块体大小；并获取矿体发育特征、岩体特征、矿区构造特征；
步骤2-2-2、确定岩石坚硬程度和岩体完整程度，进而评价岩体质量级别；
步骤2-2-3、根据岩石物理力学实验结果、现场获取的露天铁矿区岩体结构面分布特征及岩体质量级别评价结果，确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数，包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、结构面法向与切向刚度；
步骤2-3、地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律。
步骤3、地表裂缝预测：选择地表水平拉伸变形作为地表裂缝产生与否的判断依据，当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布规律，εmax是指采动影响范围内当地表水平变形达到该值时，地表可能产生裂缝，此时地表的水平拉伸应变值。
步骤3-1、计算地表水平拉伸变形；
步骤3-2、根据露天铁矿区实际情况确定地表裂缝临界水平拉伸变形值εmax；
步骤3-3、划出采动影响范围内水平变形大于该值的区域，即是地表裂缝可能产生的区域。
有益效果：
露天矿坑端帮开采对岩层造成极大的扰动，采空区围岩及上覆岩层发生大变形、大位移运动与破坏，进而引起地表岩体产生变形与开裂，对地面建筑物与设施及生产安全造成不利影响。利用本发明方法，可以计算出地表的位移与应变，再根据岩石的拉应变标准，预测出地下开采过程中地表裂缝的分布范围与形式，为矿山安全生产提供支持。
本发明的创新之处在于：
(1)现有技术中矿体开采诱发地表裂缝预测方法基本上是针对煤矿地下开采提出的，而本发明立足于解决铁矿露天转地下矿山的端帮开采引起的地表开裂预测问题，提出一种基于离散元的采用水平拉伸变形来预测地表裂缝分布规律的新方法。
(2)常用的开采诱发地表裂缝预测方法包括：基于概率积分的预测方法与基于连续介质力学的有限元/有限差分方法；而本发明是在基于非连续介质力学的离散元法的基础上形成的。
(3)本发明提出并实现了基于三维地质建模的露天铁矿坑端帮地下开采模型，利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型。
附图说明
图1是本发明具体实施方式露天铁矿坑端帮地下开采模型构建流程图；
图2是本发明具体实施方式地表移动盆地内点的移动和变形分析示意图，其中，(a)为地表移动盆地主断面内地表点的移动示意图，(b)为地表点的移动分析示意图，(c)为地表点移动与变形分析示意图；
图3是本发明具体实施方式地表水平拉伸变形等值线，其中，(a)为垂直开采方向水平变形等值线，(b)为沿开采方向水平变形等值线；
图4是本发明具体实施方式的某露天铁矿矿体分布图；
图5是本发明具体实施方式的某露天铁矿东端帮矿体开采范围；
图6是本发明具体实施方式的露天铁矿坑端帮地下开采模型；
图7是本发明具体实施方式的不同开采阶段边坡坡面位移矢量，其中，(a)为第一层开采后露天矿东端帮边坡坡面位移矢量图，(b)为第二层开采后露天矿东端帮边坡坡面位移矢量图，(c)为第三层开采后露天矿东端帮边坡坡面位移矢量图，(d)为第四层开采后露天矿东端帮边坡坡面位移矢量图；
图8是本发明具体实施方式的不同开采阶段坡面沉降曲线；
图9是本发明具体实施方式开采完第一层后地表裂缝分布特征；
图10是本发明具体实施方式开采完第二层后地表裂缝分布特征；
图11是本发明具体实施方式开采完第三层后地表裂缝分布特征；
图12是本发明具体实施方式开采完第四层后地表裂缝分布特征；
图13是本发明具体实施方式露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法流程图；
图14是本发明具体实施方式岩体结构现场测量分区图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
以某露天铁矿东端帮地下开采为例，实施本发明方法，该露天铁矿区内主要包括三个岩组：
(1)北部为碳质千枚岩岩组。该岩组内岩体属散块状结构～碎裂状构造；构造影响严重，多数为强风化带；包含3组结构面，平均间距0.4～0.6m，以构造、风化结构面为主，部分有泥质充填，形成散块状结构或碎裂状结构。
(2)中部为条带状磁铁石英岩夹片岩岩组。该岩组为铁矿层(矿体)，主要由磁铁石英岩、闪石磁铁石英岩等组成；结构面较发育，一般为3组，平均间距0.6～0.8m，以原生和构造结构面为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱结构面。层间结合较好，偶有层间错动和层面张开。
(3)南部为混合花岗岩组。该岩组内岩体属块状、片麻状构造；构造影响严重，一般为风化卸荷带；有三组结构面，一般为3组，平均间距0.4～0.6m，以构造结构面、卸荷、风化裂隙为主，贯通性好，多数张开，夹泥，夹泥厚度一般大于结构面的起伏高度，咬合力弱，构成较多的不稳定块体。
2012年9月，该铁矿露天开采结束，形成的露天矿坑东西方向长1410m，南北方向宽570m～710m，封闭圈标高为93m，最终露天坑底部标高-183m；南帮边坡坡角为35°～38°，北帮边坡坡脚为32°～35°，该露天铁矿矿体分布如图4所示。2012年起进行露天矿端帮矿体开采，开采方法是无底柱分段崩落法。东端帮待开采的矿体自上而下分成4层，标高范围分别为：-51m～-69m、-69m～-87m、-87m～-105m、-105m～-123m，露天铁矿东端帮矿体开采范围如图5所示。水平开采范围为：沿东西方向约为100m～140m；南北方向约为130m。
本实施方式中，露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，如图13所示，包括以下步骤：
步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；
步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；
步骤2-1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；
图1为露天铁矿坑端帮地下开采模型构建流程，具体如下：
步骤2-1-1、利用三维地质建模方法生成露天铁矿区地表面：先将露天铁矿区剖分成三角形网；然后利用Kriging插值方法，以不规则分布的地表原始高程数据点为基础，进行插值计算，生成露天铁矿区地表曲面；
步骤2-1-2、将三维地质建模方法生成的露天铁矿区地表曲面导入三维离散元法程序3DEC中，并映射至某一高度，形成以类三棱柱为基本块体的三维地质模型；
步骤2-1-3、将以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中每组结构面简化成一组平行的平面，产状为其平均倾向或倾角；增大结构面间距，并保证距离待开采区域近的结构面间距小，而远离待开采区域结构面间距逐渐增大；将各组结构面添加到以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中得到适用于3DEC计算的离散块体模型，各离散块体模型共同构成露天铁矿坑端帮地下开采模型；
步骤2-2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数；
步骤2-2-1、露天铁矿区岩体结构面分布特征的现场获取：现场获取结构面分布特征，包括：产状、间距、延续性、粗糙程度、起伏度、侧壁抗压强度、充填情况、组数和块体大小；并获取矿体发育特征、岩体特征、矿区构造特征；
步骤2-2-2、利用《工程岩体分级标准》(GB50218-94)确定岩石坚硬程度和岩体完整程度，进而评价岩体质量级别；
根据露天铁矿区岩体结构特征的现场测量数据、工程岩体分级标准、以及行业内主要岩(矿)石的物理力学性质表，可以评判露天铁矿区各类岩体的级别。
表1主要岩(矿)石的物理力学性质表
下面按照露天铁矿区分布的主要岩组，并根据其所在的分区，确定其工程岩体分级即评价岩体质量级别。岩体结构现场测量分区如图14所示，矿区主要分为5个岩组，分别是混合岩组、条带状磁铁石英岩夹片岩岩组、千枚岩夹薄层含铁石英岩岩组、火成岩岩组和第四系岩组。
(1)混合花岗岩组：主要分布在矿体下盘，露天开采的南端帮和东端帮(如图14所示的III测区与IV测区)，并在矿体东端沿矿体上盘层理注入，与铁矿体呈混合接触，岩体致密，块状构造。主要岩种有片麻状混合岩，花岗状混合岩和眼球状混合岩，片麻状混合岩，主要分布在露天采场的南端帮和东端帮，花岗状混合岩位于矿体下盘中西部，与片麻状混合岩呈渐变关系。眼球状混合岩位于矿体东端，与片麻状混合岩呈渐变关系。
该岩组内岩体属块状、片麻状构造；构造影响严重，一般为风化卸荷带；有三组结构面，一般为3组，平均间距0.4～0.6m，以构造结构面、卸荷、风化裂隙为主，贯通性好，多数张开，夹泥，夹泥厚度一般大于结构面的起伏高度，咬合力弱，构成较多的不稳定块体。因此，该岩组内岩体IV级散块状结构。
(2)条带状磁铁石英岩夹片岩岩组：该岩组为鞍山式铁矿层(矿体)，主要由磁铁石英岩、闪石磁铁石英岩等组成。本岩组沿东西向分布于采场(如图14所示的V测区)，构成东西两个端部边帮，矿体坚硬，稳定性好。
该岩组内岩体属块状构造；构造影响较重，有少量断层；结构面较发育，一般为3组，平均间距0.6～0.8m，以原生和构造结构面为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱结构面。层间结合较好，偶有层间错动和层面张开。因此，该岩组内岩体II级块状结构。
(3)千枚岩夹薄层含铁石英岩岩组：主要由绿泥千枚岩、炭质千枚岩和薄层含铁石英岩夹层组成，与矿体呈整合接触，岩性较软，多次构造作用下小褶皱很发育。主要岩性由绿泥千枚岩，炭质千枚岩组成，分布于采场北帮(如图14所示的I测区)和东、西端帮。
该岩组内岩体属散块状结构～碎裂状构造；构造影响严重，多数为强风化带；包含3组结构面，平均间距0.4～0.6m，以构造、风化结构面为主，部分有泥质充填，形成散块状结构或碎裂状结构。因此，该岩组内岩体IV级散块状或碎裂状结构。
另外，矿区还分布有第四系岩组、火成岩组，但这些岩组分布范围小，对地表移动模拟计算影响较小，因此，没有单独考虑这些岩体。
根据上节中工程岩体分级结果，初步确定了各类岩体的力学参数，见表2。
表2岩体的物理力学参数
根据各个区域岩体结构面的特征，矿坑北坡(I测区)岩体主要为千枚岩，属较坚硬～较软岩，结构面结合程度较低，存在泥化面；矿坑南坡(II～IV测区)岩体主要为混合岩，结构面两侧岩石为坚硬～较坚硬岩，结合差，较软岩～软岩，结合一般；矿脉(V测区)主要为铁矿石，结构面两侧岩体为坚硬～较坚硬岩，结合一般较软岩，结合好；东西端帮主要由铁矿石、混合岩与千枚岩组成，结构面强度由这三种岩体内结构面强度综合确定。而根据以上分析，得到结构面物理力学参数如表3所示。
表3结构面的力学参数
步骤2-2-3、根据岩石物理力学实验结果、现场获取的露天铁矿区岩体结构面分布特征及岩体质量级别评价结果，确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数，包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、结构面法向与切向刚度；
步骤2-3、地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律。
露天铁矿坑端帮地下开采一般采用无底柱崩落法，无底柱崩落法开采的特点是矿体上覆盖层的碎石体随开采的进行而塌落，当顶板下矿体开采形成空区后陷落，地表形成塌陷。为了同实际情况相符合，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算过程中用开挖块体单元来模拟开采过程。地下开采通过逐步删除模型中待开采矿体来实现。为了能够真实地反映开采进程，露天铁矿坑端帮地下开采模型中待开采矿体被划分成若干部分，每一部分代表某一段时间内被开采的矿体。在每一部分矿体被开采之后，进行迭代运算直到不平衡力小于给定值，就可以得到的该开采阶段的岩层与地表移动值。
本实施方式的露天铁矿坑端帮地下开采模型如图6所示。
利用3DEC进行地下开采模拟。开采分4个步骤，每步开采一层，分别为图5中的第一～第四层开采。
本发明具体实施方式的不同开采阶段坡面位移矢量，图7(a)～(b)分别为完成第一～第四层开采后露天矿东端帮边坡坡面位移矢量图。从图中可以看出，端帮边坡北侧坡面向西南方向滑动，方向约为190°～225°；端帮边坡南侧坡面向西北方向滑动，方向约为245°～290°。而且，随着开采深度增加，坡面位移量逐步增大。
图8是不同开采阶段坡面沉降曲线，其中，曲线a是第一层开采阶段坡面沉降曲线，曲线b是第二层开采阶段地面沉降曲线，曲线c是第三层开采阶段地面沉降曲线，曲线d是第四层开采阶段地面沉降曲线；随着开采深度的增加，地面最大沉降量逐渐增大。从第一～第四层开采，最大沉降量分别为：17m、32.5m、49.7m与72.8m。
步骤3、地表裂缝预测：选择地表水平拉伸变形作为地表裂缝产生与否的判断依据，当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布规律，εmax是指采动影响范围内当地表水平变形达到该值时，地表可能产生裂缝，此时地表的水平拉伸应变值。
当地下矿体开采达到一定距离后，开采影响到地表，受采动影响的地表发生移动，从而在采空区上方形成一个比其范围大得多的地表移动盆地，在地表移动盆地的外边缘区域，由于地表各点的移动量不同，导致地表产生变形，当地表拉伸变形超过其抵抗变形能力时，地表产生裂缝。因此，本实施方式选择地表拉伸变形作为裂缝产生与否的判断依据，认为当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布趋势。
步骤3-1、计算地表水平拉伸变形；
开采过程中的地表点从开始移动到剧烈移动，再到逐渐停止移动，是一个复杂的时间空间过程。实测表明，在地表点的移动轨迹取决于地表点与工作面相对位置的关系。一般情况下，如图2(a)所示的地表移动盆地主断面内地表点的移动示意图可以看出，处于地表移动盆地中地表各点的移动向量均是指向移动盆地中央的。如图2(b)所示的地表点的移动分析示意图可以看出，从地表点的移动过程来看，一个点的移动向量可以分解为水平移动分量(称为水平移动)和垂直移动分量(称为下沉)，并且，水平移动按相对于某一断面的关系可分为沿断面方向的水平移动(如y方向)和垂直于断面方向的水平移动(如x方向)。因此，将三维空间的地表点移动问题简化为沿某断面和垂直于某断面的两个平面问题。
按照上述简化方法，选择合适的断面，根据沿该断面和垂直于该断面两个方向的地表点移动量，即可计算出地表水平拉伸变形。如图2(a)所示，在地表移动盆地主断面上取若干地表点(1～9)，连接每个点移动前和移动结束后的位置，便得到各点的移动向量，移动前的2、3、……、7、8各点，移动后成为2′、3′、……、7′、8′，它们的移动向量分别为 现从图2(a)中取出2、3、4三个点，并把它们的移动向量分解成两个分量：垂直移动分量和水平移动分量，如图2(c)所示，其中，为垂直移动分量(即下沉)，用表示w2、w3、w4；为水平移动分量(即为水平移动)，用表示u2、u3、u4。地表水平变形是指相邻两点的水平移动差值与两点间水平距离的比值，通常以ε表示，按式(1)计算。按该式计算得到的地表水平变形值，实际上是相邻两点间单位长度的拉伸或压缩值，因此它有正负之分，正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。
ϵ m - n = u m - u n l m - n - - - ( 1 )
式中：um、un-分别为地表点m、n的水平移动，mm；
lm-n-地表点m、n的水平距离，m；
εm-n-地表点m、n的水平变形，mm/m。
最后，插值出地表水平拉伸变形值，确定开采影响范围内的水平拉伸变形分布趋势。
步骤3-2、根据露天铁矿区实际情况确定地表裂缝临界水平拉伸变形值εmax；
根据露天铁矿区实际情况选择合理的地表裂缝临界水平变形值，然后划出采动影响范围内水平变形大于该值的区域，即是地表裂缝可能产生的区域。求取地表裂缝临界水平变形值有很多方法，目前常见的有实测法、计算法和经验法等。实测法是通过建立地表移动变形观测站，根据实测值来确定地表裂缝临界水平变形值；计算法是根据地表土体的力学性质推算地表裂缝临界水平变形值计算公式，比如，汤伏全等根据土骨架的线弹性应力应变关系及莫尔-库伦极限平衡方程，推导出黄土地表产生裂缝的临界水平变形值公式；经验法是根据已有实测数据，总结出地表起裂的趋势：一般情况下，若第四纪松散层为塑性较大的粘性土时，地表拉伸变形超过6～10mm/m时，地表将产生裂缝，若为塑性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形达到2～3mm/m时，地表将产生裂缝。
步骤3-3、划出采动影响范围内水平变形大于该值的区域，即是地表裂缝可能产生的区域。
在确定地表裂缝临界水平拉伸变形值εmax后，根据整个开采影响范围内的地表水平拉伸变形值做出等值线，并划出采动影响范围内地表水平拉伸变形值大于临界值的区域。根据插值出的地表水平拉伸变形值做出垂直开采方向水平变形等值线和沿开采方向水平变形等值线，并划出地表裂缝临界水平变形值所对应的曲线，如图3所示，其中，(a)为垂直开采方向水平变形等值线，(b)为沿开采方向水平变形等值线；图中最外侧的曲线代表的是临界水平变形值，其内部矩形框内为地表水平变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形值εmax的范围，在该范围内，即是地表裂缝容易产生的区域。
本实施方式开采完第一层后地表裂缝分布特征如图9所示；开采完第二层后地表裂缝分布特征如图10所示；开采完第三层后地表裂缝分布特征如图11所示；开采完第四层后地表裂缝分布特征如图12所示。

Claims (4)

1.一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；
步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；
步骤2-1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；
步骤2-2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数；
步骤2-3、地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律；
步骤3、地表裂缝预测：选择地表水平拉伸变形作为地表裂缝产生与否的判断依据，当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布规律，εmax是指采动影响范围内当地表水平变形达到该值时，地表可能产生裂缝，此时地表的水平拉伸应变值。
2.根据权利要求1所述的露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，所述步骤2-1具体按如下步骤进行：
步骤2-1-1、利用三维地质建模方法生成露天铁矿区地表面：先将露天铁矿区剖分成三角形网；然后利用Kriging插值方法，以不规则分布的地表原始高程数据点为基础，进行插值计算，生成露天铁矿区地表曲面；
步骤2-1-2、将三维地质建模方法生成的露天铁矿区地表曲面导入三维离散元法程序3DEC中，并映射至某一高度，形成以类三棱柱为基本块体的三维地质模型；
步骤2-1-3、将以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中每组结构面简化成一组平行的平面，产状为其平均倾向或倾角；增大结构面间距，并保证距离待开采区域近的结构面间距小，而远离待开采区域结构面间距逐渐增大；将各组结构面添加到以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中得到适用于3DEC计算的离散块体模型，各离散块体模型共同构成露天铁矿坑端帮地下开采模型。
3.根据权利要求1所述的露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，所述步骤2-2具体按如下步骤进行：
步骤2-2-1、露天铁矿区岩体结构面分布特征的现场获取：现场获取结构面分布特征，包括：产状、间距、延续性、粗糙程度、起伏度、侧壁抗压强度、充填情况、组数和块体大小；并获取矿体发育特征、岩体特征、矿区构造特征；
步骤2-2-2、确定岩石坚硬程度和岩体完整程度，进而评价岩体质量级别；
步骤2-2-3、根据岩石物理力学实验结果、现场获取的露天铁矿区岩体结构面分布特征及岩体质量级别评价结果，确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数，包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、结构面法向与切向刚度。
4.根据权利要求1所述的露天铁矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，所述步骤3具体按如下步骤进行：
步骤3-1、计算地表水平拉伸变形；
步骤3-2、根据露天铁矿区实际情况确定地表裂缝临界水平拉伸变形值εmax；
步骤3-3、划出采动影响范围内水平变形大于该值的区域，即是地表裂缝可能产生的区域。
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