急傾斜礦體持續(xù)開采對(duì)空區(qū)上覆巖層的影響

陶峰 TAO Feng；陳俊智 CHEN Jun-zhi

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

采空區(qū)是礦山開采活動(dòng)中最典型的地質(zhì)災(zāi)害源之一，隨著礦體的開挖，礦山采空區(qū)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷的增大，而這將誘發(fā)眾多的礦山地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題，例如地面的開裂、沉陷、滑坡、地下水位下降、采空區(qū)突水等等。近些年來，隨著我國礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度的不斷增大，以及開采難度的增加，由于空區(qū)上覆巖層失穩(wěn)造成的礦山災(zāi)害日益增多，也越來越引發(fā)人們的關(guān)注。

對(duì)采空區(qū)覆巖移動(dòng)和破壞規(guī)律的研究主要有：現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)控法、理論分析法、相似材料模擬法和數(shù)值模擬法。3D-σ數(shù)值模擬軟件，是基于最小總勢能變分原理，能方便的處理各種線性問題，模擬各種巖土工程中復(fù)雜的施工過程。而且它具有強(qiáng)大的前處理和后處理能力，快速建模及分析結(jié)果的可視化使其具有相當(dāng)廣泛的使用基礎(chǔ)。

1 工程概況

該礦山以原生菱鐵礦為主，礦體埋藏標(biāo)高在1270m～1690m，頂?shù)装寰鶠闂l帶狀含鐵質(zhì)灰?guī)r。礦山目前1580～1690的礦體以基本開采完畢，根據(jù)前期采空區(qū)的調(diào)查，目前采空區(qū)的暴露面積已經(jīng)達(dá)到了16.2萬平方米，暴露空間大約142萬立方米。由于采空區(qū)暴露面積巨大，造成的上覆巖層破壞和地表沉陷嚴(yán)重影響了深部礦體的開采，因此應(yīng)注意在繼續(xù)開采中對(duì)采空區(qū)上覆巖層造成的影響和擾動(dòng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 力學(xué)參數(shù) 通過前期的礦山節(jié)理裂隙調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)室試驗(yàn)并經(jīng)過相應(yīng)的參數(shù)折減，得到建立模型所需要的力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 建立模型 在巖體破壞分析中，采用莫爾—庫侖塑性破壞準(zhǔn)則。此破壞準(zhǔn)則是所有可能屈服面的內(nèi)極限面，在工程上采用此屈服準(zhǔn)則是偏于安全的。計(jì)算域邊界采取位移約束，地應(yīng)力根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算公式λ=μ/（1-μ）作為為基本計(jì)算方案。

根據(jù)礦山實(shí)際形態(tài)及斷面圖，建立三維模型，模型長×寬×高為：1200m×2650m×550m。模型共計(jì) 274857個(gè)節(jié)點(diǎn)，64672個(gè)20節(jié)點(diǎn)三維等參元單元。單元網(wǎng)格劃分圖見圖1。

圖1 三維有限元計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 已采區(qū)域模擬

2.3.1 原始模型計(jì)算結(jié)果 該模擬過程不進(jìn)行任何的開挖過程，只給所構(gòu)建的模型施加自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，在整個(gè)模型中形成應(yīng)力場（如圖2），為后續(xù)的開挖奠定基礎(chǔ)。最大主應(yīng)力從模型的頂部向下依次增大，最大主應(yīng)力線呈水平狀態(tài)，但在礦體所在位置，由于礦巖參數(shù)不同，在該處發(fā)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為-6.0206MPa，地表無明顯沉陷。

圖2 原始礦山最大主應(yīng)力等值線分布圖

2.3.2 回采1580中段時(shí)采空區(qū)穩(wěn)定性分析 結(jié)合礦山開采的實(shí)際情況，此步驟是將礦體開挖至與目前階段相一致的1580中段。從模擬結(jié)果來看，礦體開挖至1580中段后，受采動(dòng)影響，空區(qū)覆巖發(fā)生了應(yīng)力和位移的重新分布。其中最大主應(yīng)力值增至19.032MPa，地表沉陷最大增加至1.180m，處于相對(duì)穩(wěn)定安全的狀態(tài)。這與礦山現(xiàn)場的情況比較吻合，為后續(xù)的開采模擬奠定了基礎(chǔ)。

2.4 1556-1580分段崩落法開采模擬

①1568-1580分段開采：此分段開采完畢后，上覆巖層受開采影響明顯，北部礦體上覆巖層最大主應(yīng)力增至35.936MPa，地面沉陷增加到3.253m；南部分別為21.754MPa和2.891m。

②1556-1568分段開采：該分段模擬開采之后，巖層進(jìn)一步破壞，地表下沉值也相應(yīng)增加，其最大值分別達(dá)到了44.409MPa和5.444m。

以下列出礦體開挖過程中-2#、3#和15#勘探線附近最大主應(yīng)力和最大處置位移的變化情況。見圖3-圖5。

圖3 -2#勘探線附近覆巖變化情況

3 結(jié)論

根據(jù)礦山的節(jié)理裂隙調(diào)查、室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)以及相應(yīng)的參數(shù)折減確定了礦山的基本力學(xué)參數(shù)。利用有限元模擬軟件，并參照礦體的斷面圖和相應(yīng)地形圖建立了礦山3D模型。根據(jù)礦山的實(shí)際開采情況和生產(chǎn)計(jì)劃，分別對(duì)1580中段、1568-1580分段和1556-1568分段進(jìn)行了開采模擬，得到其相應(yīng)的上覆巖層的最大主應(yīng)力以及地表下沉變化情況。在采空區(qū)下對(duì)急傾斜礦體進(jìn)行逐步開采，會(huì)導(dǎo)致上覆巖層的持續(xù)破壞和地表下沉值的不斷增大，因此需要在采空區(qū)預(yù)留足夠強(qiáng)度和數(shù)量的頂間柱，并采取合適的開采計(jì)劃，以保證礦山的安全回采。

圖4 3#勘探線附近覆巖變化情況

圖5 15#勘探線附近覆巖變化情況

[1]張成良,楊緒祥,李風(fēng).大型采空區(qū)下持續(xù)開采空區(qū)穩(wěn)定性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(8):117-120.

[2]吳兆營,薄景山,杜國林.采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2004,13(2):140-144.

[3]劉保衛(wèi).采場上覆巖層三帶高度與巖性的關(guān)系[J].煤炭技術(shù),2009,28(8):56-58.

[4]趙世成,郭忠林.三帶理論在地下開采中對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響[J].礦業(yè)工程，2010,6(5):67-70.

[5]陳衛(wèi)忠,朱維申,王寶林等節(jié)理巖體中采空區(qū)圍巖大變形數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(3):223-229.

[6]張迎暉,王在泉,楊瑩輝.基于SURPAC的礦山開采穩(wěn)定性FLAC3D模型與模擬[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(2):306-310.

[7]盧宏建,甘德清.鐵礦床滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型[J].金屬礦山，2013,3:62-65.

[8]劉長友,楊培舉.充填開采時(shí)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律和穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(2):166-169.

[9]蘇仲杰,于廣明,楊倫.覆巖離層變形力學(xué)模型及應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(11):778-781.

[10]楊彪,羅周全,劉曉明.基于有限元分析的復(fù)雜采空區(qū)群危險(xiǎn)度分級(jí)[J].礦業(yè)工程研究,2010,25(1):4-8.