CN106339528A - 一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法 - Google Patents

Abstract

一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，包括：构建露天矿端帮矿体开采区域的等效节理岩体模型，模拟露天矿端帮边坡下矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律；等效节理岩体模型的参数反分析：利用正交试验与数值模拟反演节理面的力学参数，得到节理面的最优力学参数；露天矿端帮矿体开采诱发地表移动范围预测：利用等效节理岩体模型进行露天端帮矿体开采模拟，计算地表各点沿X、Y、Z方向的位移并绘制位移等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围；利用本发明进行露天矿端帮地下开采地表移动分析，可以确定不同开采阶段地表的变形破坏状态，为安全生产提供依据，避免因地表移动与塌陷引起的人员伤亡和财产损失。

Description

一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，具体涉及一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法。

背景技术

我国是采用露天方式开采铁矿较多的国家，自产铁矿石的90％以上来自于露天开采。经过几十年的开采，大多数露天矿山已经进入中后期。由于我国大型铁矿床多数为倾斜或急倾斜矿体，埋藏延深较大，露天开采深度超过300m～400m后，如果继续进行露天矿帮开采，经济上不合理，占用土地多，且造成更大生态破坏。因此，大多数露天铁矿在露天开采结束后将转向地下开采。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。

开采露天矿端帮矿体不仅会诱发地表塌陷与开裂，影响地面建筑物与设施的安全；还会引起已受露天开采扰动的矿坑边坡岩体进一步变形与破坏，造成边坡失稳及巷道变形破坏，影响安全生产。另外，采用无底柱崩落法开采陡倾特厚铁矿体将诱发矿体上下盘围岩、采空区上部岩/矿体产生非连续、大变形、大位移运动与破坏。上述特征表明，露天矿端帮矿体开采引起的岩层与地表移动问题非常复杂。目前，有关煤矿开采诱发地表移动规律及预测方法研究已趋成熟，但是，由于金属矿山在矿床赋存条件、地层结构、构造应力、采矿方法等方面与煤矿有很大差异，使得这些理论与方法不能直接应用于急倾斜金属矿山。

数值模拟方法能够较好地分析地下开采过程中岩体的应力、应变与位移分布规律，因此，一些学者采用基于连续介质力学的有限元、有限差分等数值模拟方法研究地下开采诱发地表移动破坏规律。但是，与一般的地下开挖不同，地下开采诱发的岩层力学行为非常复杂，给数值模拟方法的应用带来很大的障碍。首先，地下开采对岩层造成剧烈扰动，引起岩层力学特性发生显著改变；例如，地下开采使煤层直接顶冒落、破碎，成为松散岩石块体充填到采空区中，冒落岩体的力学性质与冒落前有很大差异。因此，将岩体作为连续的弹塑性材料，并将岩层的冒落看作材料的屈服破坏，采用弹塑性理论分析顶板冒落存在一定的缺陷。为此，一些学者在利用有限元、有限差分等方法模拟地下开采问题时，先利用经验公式确定冒落岩体的范围，将岩体在冒落前后分别作为两种性质不同的材料，从而实现对顶板冒落的模拟。另外，地下开采往往造成围岩发生大变形、大位移、非连续运动与破坏，有限元与有限差分等具有网格依赖性的数值模拟方法将遇到网格畸形等问题，使计算难以进行。离散元法能够模拟岩体的非连续、大位移运动，因此，一些学者采用离散元法模拟煤矿地下开采问题。利用数值模拟方法研究铁矿露天转地下开采诱发岩层与地表移动问题的相关文献较少。文献分别介绍了利用FEM/DEM与FDM分析Palabora露天转地下开采诱发的边坡破坏问题。

以某铁矿为例，其露天铁矿东端帮矿层的倾角为70°～88°，厚度约130m，沿走向的长度约140m，开采高度为72m。采用无底柱分段崩落法开采端帮边坡下的矿体将形成巨大的采空区，采空区围岩、端帮边坡岩体将发生非连续、大位移运动与破坏。利用基于连续介质力学的数值模拟方法难以分析这种问题，即便是能够分析非连续、大位移问题的离散元法也遇到一个突出问题，即如何构建合理的节理岩体模型。预先在计算模型中布置断层、地层界面、节理等非连续面，并允许岩体沿非连续面滑动、转动或分离，是实现用离散元法模拟非连续问题的重要基础。断层、地层界面等非连续面数量少，容易在模型中预先设置；而节理的数量众多，按照地质实际在模型中预先设置大量节理将导致模型中的块体数量过多，从而使计算无法进行。为此，一些研究将节理岩体等效为连续体。但是，将节理岩体等效成连续体难以模拟围岩的冒落、破碎等破坏现象以及岩体的非连续与大位移运动。

针对露天矿端帮铁矿体开采引起地表移动问题的研究还存在以下主要问题：

(1)相比于煤矿，露天矿端帮铁矿体开采实例少，岩层与地表移动实测数据少，研究历史短暂，岩层与地表移动规律及其机理研究还处于探索阶段，尚未形成统一认识。

(2)采用无底柱分段崩落法开采端帮边坡下的矿体将形成巨大的采空区，采空区围岩、端帮边坡岩体将发生非连续、大位移运动与破坏。利用基于连续介质力学的数值模拟方法难以分析这种问题，即便是能够分析非连续、大位移问题的离散元法也遇到一个突出问题，即如何构建合理的节理岩体模型。

(3)在计算模型中模拟数量众多的节理，将导致模型中的块体数量过多，使计算无法进行；而将节理岩体等效成连续体又无法模拟围岩的冒落、破碎等破坏现象以及岩体的非连续与大位移运动。

(4)目前尚无基于离散元基本理论既能解决计算效率效率问题，又能模拟非连续、大位移问题的技术手段。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明基于离散元法及节理等效原理建立三维计算模型，提出一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法。

本发明的技术方案是：

一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，包括以下步骤：

步骤1、构建露天矿端帮矿体开采区域的等效节理岩体模型，模拟露天矿端帮边坡下矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律：构建由类三棱柱组成的三维地质模型，在三维地质模型中添加节理面，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型；

步骤1-1、从地形图中获取露天矿端帮矿体开采区域地表高程数据，并将地表高程数据作为采样数据；

步骤1-2、将露天矿端帮矿体开采区域的水平投影剖分成三角网，以采样数据为已知高程点，利用Kriging进行插值运算，求出三角网的结点的高程值，从而形成三维地表面；

步骤1-3、将三维地表面上的每一个三角形向下垂直延伸至露天矿端帮矿体开采区域的底部边界，形成由类三棱柱组成的三维地质模型；

步骤1-4、以类三棱柱为基本块体来表示某一段时间内被开采的矿体，导入到3DEC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，得到该开采阶段的岩层与地表移动值；

步骤1-5、将节理简化成由多个平面拼接而成曲面，将同一组节理简化成平行的平面，节理的产状按同组节理产状的均值确定；

步骤1-6、利用3DEC的建模工具在三维地质模型中添加节理面，使用3DEC的节理添加功能添加等效节理，在采矿对矿坑边坡影响大的区域将节理间距设置得相对密集，在采矿对矿坑边坡影响小的区域将节理间距设置得相对稀疏，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型；

步骤2、等效节理岩体模型的参数反分析：利用正交试验与数值模拟反演节理面的力学参数，得到节理面的最优力学参数；

步骤2-1、确定节理力学参数的取值范围；

步骤2-1-1、进行露天矿端帮矿体开采区域的岩体结构调查与测量；

步骤2-1-2、根据岩石坚硬程度、岩体完整性、地下水特征，进行岩体质量分级；

步骤2-1-3、利用岩体质量分级方法确定不同岩层节理面力学参数的取值范围，并以此设定正交试验时节理力学参数的取值范围；

步骤2-2、节理力学参数反分析；

步骤2-2-1、现场调查找到出现裂缝的区域的边界以确定地表裂缝分布范围，以地表裂缝分布范围为正交试验指标；

步骤2-2-2、以节理力学参数为正交试验因素，设计一个多因素、多水平的正交试验，并形成正交试验表，列出正交试验的方案；

步骤2-2-3、利用三维离散元法，以正交试验表中的每个试验方案中列举的试验参数，进行地下开采数值模拟试验，计算出每个试验方案下地表裂缝的分布范围；

步骤2-2-4、针对地下开采数值模拟试验的结果，进行极差分析，建立正交试验指标与正交试验因素的关系，并在此基础上选择最优参数组合，作为节理力学参数反分析的结果；

步骤3、露天矿端帮矿体开采诱发地表移动范围预测：利用等效节理岩体模型进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移并绘制位移等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围；

步骤3-1、基于节理力学参数反分析的结果和等效节理岩体模型，利用三维离散元法进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移；

步骤3-2、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的X、Y、Z方向的位移等值线图；

步骤3-3、将地表位移为1cm的等值线作为地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围。

有益效果：

(1)利用本发明进行露天矿端帮地下开采地表移动分析，可以确定不同开采阶段地表的变形破坏状态，为安全生产提供依据，避免因地表移动与塌陷引起的人员伤亡和财产损失；

(2)根据露天矿端帮矿体开采诱发地表移动预测成果，判断邻近建(构)筑物及设施受采矿影响的程度，为搬迁范围与搬迁时间的确定提供依据，并为合理布置生产、办公与生活等拟建地面设施提供参考；

(3)本发明利用正交设计与数值模拟相结合的方法反演模型的力学参数，再利用离散元法分析露天矿端帮边坡下矿体开采诱发地表移动破坏规律；

(4)本发明方法提出了适合于模拟岩层复杂力学行为的等效节理岩体模型，将复杂岩体等效成节理岩体模型，利用正交设计与数值模拟相结合的方法反演模型的力学参数，再利用离散元法分析露天矿端帮边坡下矿体开采诱发地表移动破坏规律，实现露天矿端帮铁矿体开采诱发岩层与地表移动规律三维数值模拟预测；

现有的研究方法主要有两类：①将岩体等效成连续体，利用基于连续介质力学的数值模拟方法，如：有限差分、有限元法，模拟岩层与地表移动；②在模型中考虑断层、地层等非连续面，但不考虑节理，利用离散元法模拟岩层与地表移动。而本发明在模型中考虑节理，以模拟岩层的冒落、破碎等破坏现象以及岩体的非连续与大位移运动。

(5)本发明提出的节理岩体模型是将实际岩体等效成含简化节理的非连续体；而现有的研究往往是将实际岩体等效成连续体。另外，本发明采用三维地质建模与节理模拟相结合的方法建立等效节理岩体模型。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的等效节理岩体模型；

图2是本发明具体实施方式的露天矿矿体分布图；

图3是本发明具体实施方式的露天矿东端帮矿体开采范围；

图4是本发明具体实施方式的开采完第一层后岩层位移分布特征，(a)是图1中的I-I剖面开采完第一层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第一层矿体后岩层位移分布特征；

图5是本发明具体实施方式的开采完第二层矿体后岩层位移分布特征，(a)是图1中的I-I剖面开采完第二层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第二层矿体后岩层位移分布特征；

图6是本发明具体实施方式的开采完第三层矿体后岩层位移分布特征，(a)是图1中的I-I剖面开采完第三层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第三层矿体后岩层位移分布特征；

图7是本发明具体实施方式的开采完第四层矿体后岩层位移分布特征，(a)是图1中的I-I剖面开采完第四层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第四层矿体后岩层位移分布特征；

图8是本发明具体实施方式的开采完第一层矿体后地表移动范围，(a)是开采完第一层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第一层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第一层矿体后地表沿Z方向的位移等值线；

图9是本发明具体实施方式的开采完第二层矿体后地表移动范围，(a)是开采完第二层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第二层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第二层矿体后地表沿Z方向的位移等值线；

图10是本发明具体实施方式的开采完第三层矿体后地表移动范围，(a)是开采完第三层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第三层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第三层矿体后地表沿Z方向的位移等值线；

图11是本发明具体实施方式的开采完第四层矿体后地表移动范围，(a)是开采完第四层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第四层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第四层矿体后地表沿Z方向的位移等值线；

图12是本发明具体实施方式的露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法流程图；

图13是本发明具体实施方式的构建露天矿端帮矿体开采区域的等效节理岩体模型流程图；

图14是本发明具体实施方式的确定节理力学参数的取值范围流程图；

图15是本发明具体实施方式的节理力学参数反分析流程图。

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。

以某露天矿端帮矿体地下开采为例，详细说明露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法。

该露天矿的地质背景：采用露天方式开采。2012年9月露天开采结束，形成的露天矿东西方向长1410m，南北方向宽570m～710m，封闭国标高为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°。铁矿矿脉位于露天矿中部，由Fe1、Fe2与Fe3三个矿体组成，走向近东西，倾向北东或南西，倾角70°～88°，局部直立。2012年5月起开始开采东、西端帮的矿体，其中东端帮开采范围为VII-50勘探线以东且标高在-47m～-183m之间的矿体；东西端帮及地下开采均采用无底柱分段崩落法，按照水平分层方式自上而下进行，分层厚度为18m(图2、图3)。

该露天矿的采矿背景：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(图3)。水平开采范围为：沿东西方向约为100m～140m；南北方向约为130m。

露天矿端帮边坡下矿体开采将诱发采空区覆盖层及围岩发生冒落、破碎与大位移运动等力学行为，如何合理地模拟岩体的这种力学行为是地表移动范围数值模拟预测的难点问题。本发明采用基于等效节理岩体模型的三维离散元法克服了这个困难。本发明的一种露天矿端帮矿体开采诱发地表移动范围预测方法，首先利用三维地质建模与节理模拟相结合的方法建立等效节理岩体模型，然后采用反分析方法获取节理的力学参数，再利用三维离散元法预测地下开采引起的地表与边坡移动破坏范围。

露天矿端帮边坡下矿体开采将形成巨大的采空区，并使采空区围岩与覆盖层岩体发生大变形、大位移运动与破坏。基于连续介质理论的有限元、有限差分方法难以模拟围岩的这种破坏模式。为此，选用三维离散单元法模拟露天矿端帮边坡下矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律，计算软件为3DEC。

在本实施方式中，地下开采是通过逐步删除等效节理岩体模型中待开采矿体来实现的。为了能够真实地反映开采进程，等效节理岩体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。

露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，如图12所示，包括以下步骤：

步骤1、构建露天矿端帮矿体开采区域的等效节理岩体模型，模拟露天矿端帮边坡下矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律：构建由类三棱柱组成的三维地质模型，在三维地质模型中添加节理面，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型；

如何构建合理的等效节理岩体模型是实现露天矿端帮边坡下矿体开采模拟的关键。为了既能够模拟覆盖层岩体及采空区围岩的冒落、破碎、大位移运动等行为，又能够避免因在模型中设置太多的节理而导致计算效率过低，本发明将研究对象简化成等效节理岩体模型。等效节理岩体模型应满足以下条件：

(1)等效节理岩体模型中的节理组应根据露天矿端帮矿体开采区域内分布的优势节理组简化而成；

(2)与采空区尺度相比，等效节理岩体模型中由节理切割而成的块体的尺度应该适中；既能实现对岩体冒落、破碎与运动的模拟，又能避免块体过多而影响计算；

(3)等效节理岩体模型中节理的力学参数应在实测数据的基础上通过反分析方法确定。

由于等效节理岩体模型的规模大、包含节理的数量多，将由节理切割形成的岩石块体作为刚体。这种简化忽略了岩石块体的变形，但是却带来了两个好处：①计算效率大大提高；②力学参数的数量减少，便于确定计算参数。在本实施方式中，相对于等效节理岩体模型的规模而言，节理间距很小，且考虑了多组节理；另外，岩石块体的位移量远大于岩石块体本身的变形量；因此，将岩石块体作为刚体是可行的。

为了使等效节理岩体模型更加符合地质实际，先采用地质建模技术，构建三维地质模型；然后在三维地质模型中，添加等效节理，使用3DEC有些的节理添加功能添加等效节理，在采矿对矿坑边坡影响大的区域将节理间距设置得相对密集，在采矿对矿坑边坡影响小的区域将节理间距设置得相对稀疏，从而将三维地质模型切割成块体系统，形成等效节理岩体模型。如图13所示，具体步骤如下：

步骤1-1、从地形图中获取露天矿端帮矿体开采区域地表高程数据，并将地表高程数据作为采样数据；

步骤1-2、将露天矿端帮矿体开采区域的水平投影剖分成三角网，以采样数据为已知高程点，利用Kriging进行插值运算，求出三角网的结点的高程值，从而形成三维地表面；

步骤1-3、将三维地表面上的每一个三角形向下垂直延伸至露天矿端帮矿体开采区域的底部边界，形成由类三棱柱组成的三维地质模型；

步骤1-4、以类三棱柱为基本块体来表示某一段时间内被开采的矿体，导入到3DEC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，得到该开采阶段的岩层与地表移动值；

步骤1-5、将节理简化成由多个平面拼接而成曲面，将同一组节理简化成平行的平面，节理的产状按同组节理产状的均值确定；在露天矿端帮矿体开采区域内往往分布有数量众多的IV级节理。这些节理对围岩的变形破坏影响显著，因此，必须在等效节理岩体模型中考虑这些节理。但是，由于IV级节理面数量众多，将这些节理全部布置到等效节理岩体模型中是不可能实现的，需要进行适当简化，因此只考虑露天矿端帮矿体开采区域内的主要节理组，忽略次要节理组；将同一组节理简化成平行的平面，节理的产状按同组节理产状的均值确定；在受开采影响大的区域布置较密集的节理，节理的间距小；在受开采影响不大的区域布置较密集的节理，节理的间距大。

步骤1-6、利用3DEC的建模工具在三维地质模型中添加节理面，使用3DEC的节理添加功能添加等效节理，在采矿对矿坑边坡影响大的区域将节理间距设置得相对密集，在采矿对矿坑边坡影响小的区域将节理间距设置得相对稀疏，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型；

本实施方式的露天矿东端帮的等效节理岩体模型如图1所示，等效节理岩体模型高度为地表至-300m水平，南北长1200m，东西宽700m(图3)。露天矿东端帮矿体开采区域内主要包含3组节理，其倾向/倾角的均值分别为：40°∠75°、220°∠20°、300°∠80°。在靠近待开采矿体的区域，节理间距设置为4m，随着与开采区域距离的增大，逐渐增大节理间距。按照这种方式构建的等效节理模型如图1所示，共包括157019个块体，1262174个节点。坐标系的X轴正方向指向东，Y轴正方向指向北，Z轴正方向指向天空。等效节理岩体模型边界条件为：等效节理岩体模型的东西两侧边界采用X轴方向固定约束，南北两侧边界采用Y轴方向固定约束，等效节理岩体模型底部采用Z方向固定约束。等效节理岩体模型上表面为自由表面。建模过程中考虑岩体自重，重力加速度取值为9.8m/s²。

步骤2、等效节理岩体模型的参数反分析：利用正交试验与数值模拟反演节理面的力学参数，得到节理面的最优力学参数；

步骤2-1、确定节理力学参数的取值范围；

如图14所示，具体步骤如下：

步骤2-1-1、进行露天矿端帮矿体开采区域的岩体结构调查与测量；

步骤2-1-2、根据岩石坚硬程度、岩体完整性、地下水特征，进行岩体质量分级；

步骤2-1-3、利用岩体质量分级方法确定不同岩层节理面力学参数的取值范围，并以此设定正交试验时节理力学参数的取值范围；

在本实施方式中，由于采用了刚体假设，因而不需要考虑岩石块体的力学特性，而只需要关注节理面的力学特性。节理的力学参数包括法向刚度kn，剪切刚度ks，内摩擦角与粘聚力C。露天矿端帮矿体开采区域共包括三套不同地层：

(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组节理面，平均间距0.4～0.6m，以构造、风化节理为主，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；节理面较发育，一般为3组，平均间距0.6～0.8m，以原生和构造节理为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱节理面。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，以构造节理、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。

根据岩石物理力学实验、节理面调查与统计及岩体质量评价结果，确定露天矿端帮矿体开采区域内节理面力学参数初始值，见表1。

表1节理面的力学参数范围值

步骤2-2、节理力学参数反分析；

如图15所示，具体步骤如下：

步骤2-2-1、现场调查找到出现裂缝的区域的边界以确定地表裂缝分布范围，以地表裂缝分布范围为正交试验指标；

通常情况下，将地表位移观测值作为试验指标是最合适的。但是，由于露天矿端帮矿体开采造成了严重边坡破坏，坡面位移监测危险且难以实施。因此，以地表裂缝分布范围为试验指标。在地下开采过程中，岩层与地表发生变形与移动，从而诱发地表产生裂缝。在现场调查时，只需要找到出现裂缝的区域的边界就可以确定裂缝分布范围，而不需要到严重破坏区域去测量地表位移。通过现场调查，获得东端帮第一层矿体开采后的地表破坏状态。以地下开采引起的地表裂缝分布范围W为正交试验的指标。

步骤2-2-2、以节理力学参数为正交试验因素，设计一个多因素、多水平的正交试验，并形成正交试验表，列出正交试验的方案；

在正交试验中，试验因素是指影响试验结果的变量。尽管影响地下开采地表移动数值模拟计算结果的因素很多，例如，岩体的物理力学参数、三维地质模型、块体的类型与尺寸，但是，过多地考虑影响因素将使问题变得非常复杂。为此，选择法向刚度kn，剪切刚度ks，内摩擦角与粘聚力C作为试验因素。露天矿端帮矿体开采区域内三种不同地层的节理面力学参数不同，如果将表1中的12个参数都作为反演分析中的因素，将导致计算量巨大。为此，采用以下简化方法：

(1)根据表1，先计算出所有岩层的初始力学参数：法向刚度kn、剪切刚度ks、内摩擦角与粘聚力C的平均值，然后计算出每个岩层的四个初始力学参数与这些平均值之比依次为：i表示表1中第i个岩层。

(2)在正交试验分析时，以所有岩层的变形模量、泊松比、粘聚力与内摩擦角的平均值：为试验因素，而第i个岩层的力学参数分别取：应该说明的是：表1中列出的各力学参数的平均值与作为试验因素的是不同的。前者是用经验公式计算得到的确定值，而后者是随正交试验方案变化的变量。但是后者的取值范围是根据前者确定的。

步骤2-2-3、利用三维离散元法，以正交试验表中的每个试验方案中列举的试验参数，进行地下开采数值模拟试验，计算出每个试验方案下地表裂缝的分布范围；

正交试验方案涉及4因素5水平。4个试验因素包括：分别表示等效节理岩体模型中所有岩层的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角的平均值。4水平表示 分别取4个不同大小的值(表2)。而的取值范围是根据表3列出的岩体力学参数的初始值确定的。数值模拟计算时，第i个岩层的力学参数分别取： i表示表1中第i个岩层，取值见表1。

表2试验因素的5水平取值

按照正交试验方法，正交试验表如表3所示，前4列为试验因素，第5列代表误差列，参与试验因素的显著性检验。表格中列出了16种试验方案，表中的每一行代表一个试验方案，每个试验方案确定4个试验因素的水平。在确定每个试验因素的水平后，再根据表2就可以确定每个试验因素的值，也就是说确定了4个岩层力学参数的值。将表3中列出的16种试验方案对应的力学参数分别输入到3DEC中，再对已采区的开采进行数值模拟计算。

表3正交试验表及计算结果

步骤2-2-4、针对地下开采数值模拟试验的结果，进行极差分析，建立正交试验指标与正交试验因素的关系，并在此基础上选择最优参数组合，作为节理力学参数反分析的结果；

表3中第6个方案所对应的力学参数是所有方案中最合理的。可以以这个方案为基础，确定节理力学参数。根据试验指标随试验因素的变化规律进一步确定4个试验因素的值为：

步骤3、露天矿端帮矿体开采诱发地表移动范围预测：利用等效节理岩体模型进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移并绘制位移等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围。

步骤3-1、基于节理力学参数反分析的结果和等效节理岩体模型，利用三维离散元法进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移；

步骤3-2、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的X、Y、Z方向的位移等值线图；

步骤3-3、将地表位移为1cm的等值线作为地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围。

利用节理力学参数反分析得到的参数进行露天矿端帮第二层～第四层矿体开采模拟分析，等到岩层与地表移动规律，进而预测地表移动范围。

利用上述等效节理岩体模型及参数，按照开采步骤，进行铁矿露天矿东端帮分层开采数值模拟，得到开采过程中岩层与地表移动破坏状况。图4～图7分别为完成开采第一层～第四层矿体后岩层的位移分布特征。

开采完第一层矿体后，采空区上覆岩层发生冒落，冒落带发展到地表；塌落的岩石松散地充填到采空区内；采空区上覆岩层中心区域的岩体发生冒落，并处于松动状态，周围的岩体沿节理发生的滑动，但没有发生跨落；采空区侧面岩体的位移较小，基本处于稳定状态，如图4所示，其中(a)是图1中的I-I剖面开采完第一层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第一层矿体后岩层位移分布特征。

在完成第二层矿体开采后，第一层矿体西侧矿柱的底部失去支撑，使采空区顶部岩层由四边支撑变为三边支撑，从而导致采空区上覆岩层发生大规模冒落；顶部岩层的位移以垂直陷落为主，东端帮边坡出现井状陷落坑；采空区顶部冒落带的范围扩大，但顶部尚未完全跨落；采空区侧面岩体沿结构面产生较小的位移，但仍然处于稳定状态，如图5所示，其中(a)是图1中的I-I剖面开采完第二层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第二层矿体后岩层位移分布特征。

在完成第三层矿体开采后，采空区侧壁形成高54m的临空面，东侧壁岩体分别沿结构面(产状为220°∠20°)与结构面(产状为300°∠80°)发生较大的滑动位移，北、南侧壁上部岩体分别沿结构面(产状为220°∠20°)与结构面(产状为200°∠20°)发生较大的滑动位移，采空区上部岩体完全破坏，并发生垂直陷落，充填到采空区中，如图6所示，其中(a)是图1中的I-I剖面开采完第三层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第三层矿体后岩层位移分布特征。

开采完第四层矿体后，采空区侧壁临空面高达64m的，侧壁的破坏范围进一步增大，岩体产生沿结构面的较大滑动；采空区顶部盖层失去支撑，完全陷落，如图7所示，其中(a)是图1中的I-I剖面开采完第四层矿体后岩层位移分布特征，(b)是图1中的II-II剖面开采完第四层矿体后岩层位移分布特征。

图8是开采完第一层矿体后地表移动范围，其中(a)是开采完第一层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第一层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第一层矿体后地表沿Z方向的位移等值线。

图9是开采完第二层矿体后地表移动范围，其中(a)是开采完第二层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第二层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第二层矿体后地表沿Z方向的位移等值线。

图10是开采完第三层矿体后地表移动范围，其中(a)是开采完第三层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第三层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第三层矿体后地表沿Z方向的位移等值线。

图11是开采完第四层矿体后地表移动范围，其中(a)是开采完第四层矿体后地表沿X方向的位移等值线，(b)是开采完第四层矿体后地表沿Y方向的位移等值线，(c)是开采完第四层矿体后地表沿Z方向的位移等值线。

随着开采深度的增加，坡面最大沉降量逐步增大；完成开采第一层～第四层矿体后，坡面最大沉降量分别为17m、31.5m、49m、70.8m。发生较大沉降的区域基本集中在采空区顶部，采空区顶部以外的区域沉降量较小；这说明开采过程中，坡面岩体的位移形式主要是垂直陷落。

Claims (4)

1.一种露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建露天矿端帮矿体开采区域的等效节理岩体模型，模拟露天矿端帮边坡下矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律：构建由类三棱柱组成的三维地质模型，在三维地质模型中添加节理面，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型；

步骤2、等效节理岩体模型的参数反分析：利用正交试验与数值模拟反演节理面的力学参数，得到节理面的最优力学参数；

步骤3、露天矿端帮矿体开采诱发地表移动范围预测：利用等效节理岩体模型进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移并绘制位移等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围。

2.根据权利要求1所述的露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，所述步骤1按以下步骤进行：

步骤1-1、从地形图中获取露天矿端帮矿体开采区域地表高程数据，并将地表高程数据作为采样数据；

步骤1-2、将露天矿端帮矿体开采区域的水平投影剖分成三角网，以采样数据为已知高程点，利用Kriging进行插值运算，求出三角网的结点的高程值，从而形成三维地表面；

步骤1-3、将三维地表面上的每一个三角形向下垂直延伸至露天矿端帮矿体开采区域的底部边界，形成由类三棱柱组成的三维地质模型；

步骤1-4、以类三棱柱为基本块体来表示某一段时间内被开采的矿体，导入到3DEC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，得到该开采阶段的岩层与地表移动值；

步骤1-5、将节理简化成由多个平面拼接而成曲面，将同一组节理简化成平行的平面，节理的产状按同组节理产状的均值确定；

步骤1-6、利用3DEC的建模工具在三维地质模型中添加节理面，使用3DEC的节理添加功能添加等效节理，在采矿对矿坑边坡影响大的区域将节理间距设置得相对密集，在采矿对矿坑边坡影响小的区域将节理间距设置得相对稀疏，将三维地质模型切割成岩石块体，形成等效节理岩体模型。

3.根据权利要求1所述的露天铁矿端帮地下开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，所述步骤2按以下步骤进行：

步骤2-1、确定节理力学参数的取值范围；

步骤2-1-1、进行露天矿端帮矿体开采区域的岩体结构调查与测量；

步骤2-1-2、根据岩石坚硬程度、岩体完整性、地下水特征，进行岩体质量分级；

步骤2-1-3、利用岩体质量分级方法确定不同岩层节理面力学参数的取值范围，并以此设定正交试验时节理力学参数的取值范围；

步骤2-2、节理力学参数反分析；

步骤2-2-1、现场调查找到出现裂缝的区域的边界以确定地表裂缝分布范围，以地表裂缝分布范围为正交试验指标；

步骤2-2-2、以节理力学参数为正交试验因素，设计一个多因素、多水平的正交试验，并形成正交试验表，列出正交试验的方案；

步骤2-2-3、利用三维离散元法，以正交试验表中的每个试验方案中列举的试验参数，进行地下开采数值模拟试验，计算出每个试验方案下地表裂缝的分布范围；

步骤2-2-4、针对地下开采数值模拟试验的结果，进行极差分析，建立正交试验指标与正交试验因素的关系，并在此基础上选择最优参数组合，作为节理力学参数反分析的结果。

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移动范围预测方法，其特征在于，所述步骤3按以下步骤进行：

步骤3-1、基于节理力学参数反分析的结果和等效节理岩体模型，利用三维离散元法进行露天端帮矿体开采模拟，计算出地表各点沿X、Y、Z方向的位移；

步骤3-2、利用位移等值线制作工具，分别绘制地表的X、Y、Z方向的位移等值线图；

步骤3-3、将地表位移为1cm的等值线作为地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围。