崩落法開采巖層移動影響因素的數值模擬

東龍賓 王少泉 金長宇 劉召勝 周 育

(1. 中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連116600;2. 東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

使用崩落法開采引起的巖層移動是一個重大的社會和環境問題，影響頂板大面積冒落的因素眾多，機制復雜［1］，難以用確定的試驗手段和理論方法解決［2］。國內外學者對于地表沉陷的研究由來已久，如Halbaum 將采空區上方巖層作為懸臂梁，推導出地表應變與曲率半徑成反比的理論［3］; 郭增長［4］建立了極不充分開采條件下地表移動的預計方法; 郝冰元［5］分析了開采沉陷預計過程中的相關計算參數的可靠性，對概率積分法預測的參數取值進行了改進;胡斌等［6］通過隨隨機介質理論，將巖層移動視為一隨機過程，對隧道開挖引起的地表沉降進行了研究，黃平路等［7］通過有限元和離散元聯合分析的方法，研究了露天于地下聯合開采引起的巖層移動規律。離散元法是專門用來解決不連續介質問題的數值模擬方法。20 世紀80 年代中期，王永嘉［8］首次將離散元法引入到國內，該方法特別適用于節理巖體的大變形、大位移分析，并在地表沉降等研究中得到了廣泛應用［9-10］。20 世紀80 年代末期，Cundall 等［11］開發了用于模擬節理巖體的三維離散元程序( 3DEC) ，在巖土工程領域得到了廣泛應用。本研究基于巖土力學理論，以某大型在建礦山為依托工程，采用離散元程序3DEC，對深部礦體崩落法開采過程中不同因素對巖層移動規律的影響進行分析，研究結論可為深部礦體崩落法開采過程中引起的地表沉陷范圍的確定提供一定的參考與指導。

1 計算參數與分析模型的建立

1.1 計算參數的確定

計算參數的準確獲取是決定計算結果準確性的前提條件。從國際范圍看，巖體工程實踐中最常用的峰值強度準則為摩爾－ 庫倫強度準則和Hoek －Brown 強度準則，它們分別采用不同的力學關系式描述巖體峰值強度σ1與圍壓σ3之間的關系。本次計算采用摩爾－庫倫強度準則。目前工程實踐中在確定摩爾－庫倫強度參數值時，多采用了基于Hoek －Brown 強度參數的換算方法。因此，為準確獲取現場巖體的力學參數，本研究工作的技術路線如下。

(1) 開展巖石室內試驗，獲得巖石基本力學參數，如單軸抗強度、巖石材質指標mi等。

(2) 進行現場鉆孔巖芯編錄，獲得不同地層的礦巖質量RMR，以此換算成地質強度指標GSI。

通過相關計算，獲得的巖體力學參數如表1 所示。

表1 巖體力學參數Table 1 Rock mechanics parameters

結構面力學參數的確定，主要根據如下經驗式進行估算:

式中，Kn為結構面法向剛度; Ks為結構面切向剛度; tj為結構面厚度，一般tj=0.1 ～0.6 m; Ej為充填物質的變形模量;Gj為充填物質的剪切模量。綜合參考其他類似工程及相關文獻，選取的結構面力學參數如表2 所示。

表2 結構面力學參數Table 2 Structure mechanical parameters

1.2 數值計算模型的建立

所研究的礦山礦體屬于典型的深埋急傾斜厚大礦體，傾角68° ～75°，礦體厚度為77.85 ～272.61 m，平均厚度為162.09 m，礦體最淺埋深－740 m，設計采用無底柱分段崩落法，自上而下分段進行回采。為掌握現場巖體節理分布情況，利用ZK －28 鉆孔對－751 ～－1 006 m 區間進行了原位三維掃描( 如圖1) ，其節理傾角以緩傾—中等傾角為主。

圖1 鉆孔攝像裂隙及產狀分布Fig.1 Cracks and occurrence distribution from borehole camera

通過現場水壓致裂法測試可知，鉆孔橫截面上大主應力值σ1隨深度呈現良好的線性關系，如圖2。

圖2 鉆孔橫截面大主應力量值隨鉆孔深度回歸曲線Fig.2 The regression curve of major principal stress magnitude with drilling depth on drilling cross-section

在地質調查的基礎之上，將研究問題簡化為平面應變模型，充分考慮節理、裂隙等地質因素，建立了典型剖面的二維計算模型，如圖3 所示。模型尺寸寬為2 800 m，高為1 995 m，為消除邊界條件對計算結果的影響，模型邊界距開挖邊界為3 倍的跨度。模型共計塊體數4 563，節理面25 752 個，單元尺寸為100 m，共計29 013 萬個單元，上部邊界為自由面，其余各邊界均為法向約束，塊體和節理面都采用摩爾－庫倫本構模型。

圖3 計算模型Fig.3 Calculation model

2 不同條件下巖層移動特征分析

2.1 不同節理傾角對巖層移動的影響

為研究節理傾角對巖層移動的影響，分別建立了節理傾角為15°、30°、45°、60°和75°的計算模型，選取節理傾角為15°、30°的計算結果如圖4 所示，圖5為不同節理傾角下的地表沉降曲線。通過圖4 和圖5 可以看出:結構面對巖層的移動規律有著重要的控制作用。當優勢節理傾角為15°時，礦石開采后，崩落以筒形陷落的形式塌落至地表，地表最大沉降量達到了30 m; 當節理傾角為30°時，沉降量和沉降范圍有了明顯的減小，最大沉降量約為10 m，崩落的發展趨勢主要沿著優勢結構面的方向發展，隨著節理傾角的增大，對崩落的抑制作用越來越明顯。由此可見水平節理對崩落有良好的促進作用;在其他條件一致的情況下，垂直或陡傾節理對巖體的崩落產生抑制作用，這種條件下礦體可能無法實現有效的崩落。

圖4 不同節理傾角對巖層移動的影響Fig.4 Effects of different joint angle on strata movement

由此可見，結構面的存在對巖層移動規律有著重要的影響，結構面的分布決定了巖體的宏觀變形、強度等特征。因此，現場通過節理裂隙的統計獲得節理的統計參數是工程地質調查中一項非常重要的工作。

圖5 不同節理傾角下的地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve of different joint angle

2.2 不同側壓力系數對巖層移動的影響

對于深部開采的礦山，地應力通常以構造應力為主。在研究礦山地表塌陷變形與巖層移動時如果只考慮自重應力，如果忽視構造應力的影響，會使移動角、陷落角預測與實際情況出現較大偏差。由模擬結果( 如圖6) 和沉降曲線( 如圖7) 可以看出，對于深部開采的礦體，側壓力系數越大，崩落高度越小，這是由于隨著側向壓力系數的增加，巖體在水平方向所受的夾制作用越來越強，抑制了圍巖崩落的發展，表現出的宏觀規律是地表沉降量和崩落高度逐漸變小。所以，對于構造應力比較大的礦山，地表相對不易出現塌陷。

圖6 不同側壓力系數對巖層移動的影響Fig.6 Effects of different lateral pressure coefficients on strata movement

2.3 不同開挖階段對巖層移動的影響

圖7 不同側壓力系數下地表沉降曲線Fig.7 Surface settlement curve of different lateral pressure coefficients

由模擬結果云圖( 如圖8) 可以看出，礦體從－752 m 水平開采到－812 m 水平時，地表幾乎沒有響應，采場頂部圍巖發生了少量的冒落，當開采到－872 m 水平時，地表開始出現變形響應，開采到－932 m 水平時，地表出現了小范圍的沉陷，此時采空區高度為120 m。開采到一期－1 052 m 水平時，承壓拱的成拱機制破壞，地表出現了明顯的崩落區、開裂區和變形區( 圖8( d) ) 。這一結果也揭示了早期開采過程中，頂板存在形成承壓拱的可能性，承壓拱的存在可以承擔覆巖及地表土的自重，對上覆巖層起到一定的支撐作用。承壓拱形態會隨著開挖的進行而不斷演化，最終破壞承壓拱的成拱機制，而導致采場上方覆巖斷裂、地表塌陷。圍巖變形和崩落與采空區形態密切相關，崩落法開采初期，頂板即可出現變形，當開采區達到一定體積后，承壓拱失穩，頂板的變形就會演變成大范圍的崩落。

3 結 論

(1) 優勢結構面的發育特征對崩落發展過程有著顯著影響，水平節理對崩落發展具有良好的促進作用，垂直或陡傾節理對巖體的崩落產生抑制作用，當優勢節理呈傾斜狀時，崩落沿優勢結構面發展，但獲得相對不大的崩落高度后即停止。

(2) 深部礦體開采過程中，構造應力對巖層移動的影響不容忽視，隨著側向壓力系數的增加，巖體在水平方向所受的夾制作用越來越強，抑制了圍巖崩落的發展，因此對于以構造應力場為主的礦山，圍巖的可崩性相對較差。

(3) 不論是頂板崩落還是圍巖變形，都與采空區形態密切相關，對于構造應力型深部開采礦山，開采初期承壓拱的存在可以承擔覆巖及地表土的自重，對上覆巖層起到一定的支撐作用。實際礦山生產中可通過開展開采順序優化研究，在一定程度上實現對崩落發展過程的控制。

圖8 不同開挖階段對巖層移動的影響Fig.8 Effects of different excavation stages on strata movement

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