基于FLAC3D某礦山崩落區演化規律研究

李剡兵,劉華武,馮興隆,杜桂泉

(云南迪慶有色金屬有限責任公司, 云南 香格里拉市 674400)

0 引 言

自然崩落法作為一種高效率、低成本、安全性好的采礦方法,在國內外得到廣泛推廣與應用[1]。自然崩落法拉底過程中,礦巖發生破壞與崩落,在拉底層上方形成自支撐穩定拱,穩定拱隨拉底推進最終垮落,若垮落規模過大,則壓縮采空區空間,引起空區壓力驟增,產生氣浪沖擊,危及底部結構穩定性,威脅井下人員與設備安全;隨礦巖垮落,底部空區增大,地表以下支撐減弱,造成地表變形、破壞,影響地表設備設施使用[2]。因此,研究拉底層上覆礦巖能否有序崩落,進而判斷拉底計劃的合理性是礦山安全生產的問題之一。國內外研究學者常采用現場觀測法、經驗推導法、相似物理實驗法研究崩落區的演化發展規律[3-5]。這些方法中,觀測法依賴于觀測者的經驗,主觀性強;由于地形、拉底方案、巖性等不同,采用自然崩落的礦山難以相互借鑒,制約經驗推導法的應用;相似物理實驗對模型與實地情況相似度的要求較高,需考慮的因素較多,對實驗室的要求高。

與上述3種方法相比,數值模擬法具有針對性強、耗時少、研究范圍大、模擬過程及結果可視化的優點,在國內外得到廣泛應用。李永輝等采用3DEC研究不同拉底方案對應的崩落規律,確定了合理的拉底方案和順序[6];梁江波等采用FLAC3D模擬研究拉底超前聚礦槽開挖條件下,超前距離設置的合理性[7];Alexander等通過FEM/DEMDFN軟件建立二維概念模型,突出了節理方位和斷層的傾角方位在確定沉降發展和定義地表沉降不對稱角的重要性[8]。已有研究多采用較小的模擬規模、簡化拉底設置和參數,面向規律研究而非生產實際。本研究擬以具體銅礦山為代表,依據制定的拉底計劃模擬開挖,分析崩落體積與崩落高度的變化情況,確定危險發生的時間,提出相應的安全預防措施。

1 工程數值模型

該銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州,鄰近三江源自然保護區,最低海拔3450 m,最高海拔4702 m,11月至翌年4月為積雪期,冰凍雪蓋,無霜期僅128 d。年平均降水量619．9 mm,雨季降水量占全年的87．1%。礦床探明經濟儲量92萬t,高級別儲量76萬t,有伴生金銀300 t。該礦首采區有6個礦塊,礦體產狀急傾,平均品位0．44%。該銅礦共含4組優勢節理,其中,2組主優勢節理,2組次優勢節理,平均節理間距0．08 m。經系統論證,該礦床采用自然崩落法進行開采。

1．1 模型構建

利用FLAC3D內置網格生成器GEN提供的13種基本模型[9],通過編程語言控制單個模型節點坐標,重復大量生成簡單模型,以類似于“砌墻”的方法自下而上地構建出本次所用礦山模型(見圖1、圖2),模型共包含單元約230萬個,其模型范圍約為拉底范圍的3倍。該礦山為斑巖礦,巖性單一,故未巖性分層。

圖1 礦山底部結構模型

圖2 整體礦山模型

1．2 本構模型及參數確定

FLAC3D提供了眾多本構模型,每種模型皆有其適用范圍。其中,Mohr-Coulomb本構模型適用于松散或膠結的粒狀材料,如土體或巖石等,廣泛應用于地下開挖,邊坡穩定性等問題的模擬分析[9],因此,本次礦山模擬開挖選用Mohr-Coulomb本構模型。

實驗室中制備的礦巖樣品,雖然取自礦山現場,但巖樣本身具有較高的完整性,無法完全代表天然巖體的力學特性。雖巖體力學參數無法通過試驗手段實測,但前人已于此問題做了大量研究,確定了從巖石參數向巖體參數轉變的Hoek-Brown強度折減準則[10]。考慮節理發育、結構面性質以及工程施工質量和外界擾動,選定地質強度指標GSI、完整巖石參數mi、擾動因數D三個常量,將其代入Roc Lab參數折減軟件,生成表1所示模擬參數。

表1 某銅礦巖體參數

1．3 邊界條件及地應力反演

模型四周邊界滾支固定,底部邊界完全固定,地表作為自由面不做處理,以此作為模型的邊界條件。

該銅礦僅監測了某一確定水平的應力值,本次模擬通過FLAC3D軟件提供的梯度功能,對模型施加水平應力,同時施加重力,運行模型至平衡狀態,對比已測應力值與模型應力值的大小關系,經過不斷反演嘗試,最終3720水平模擬應力值與實際應力值的大小關系見表2。

1．4 模擬拉底范圍

圖3為該銅礦初始拉底面積與每隔2個月的拉底輪廓。模擬過程中,將地應力反演平衡后的模型首先開挖出礦穿脈,隨后按圖3所示步驟模擬拉底開挖,自初始拉底區向東西兩側推進開挖,聚礦槽與出礦進路滯后拉底推進線30 m開挖。共拉底8步,每步運行模擬完畢后保存當前結果以備后續處理。

表2 地應力反演結果統計

圖3 拉底推進計劃

2 模擬結果分析

2．1 崩落基準的選取與確定

崩落情況分析的關鍵問題是確定發生破壞的單元應滿足的力學條件。英國國家煤炭委員會(NCB)規定:垂直位移3 cm是對地表基礎設施造成損傷的最小閾值,也是地表脆性巖體發生斷裂的大概指標。若采用此值,將會半年內崩透地表,與實際工程不符,此值偏小。經多次測試,結合該銅礦2＃溜井電視監測值,以豎向位移大于等于7 cm,拉應力大于等于0．14 MPa作為破壞判據。并與Woo等研究帕拉博拉銅礦時修正的FLAC3D模擬參數比較,確認2個數值選取的合理性。

通過FLAC3D內置的Fish語言編寫程序,遍歷所有單元,篩選出符合破壞判據的單元并命名為“崩落區”,如圖4所示。

2．2 頂板高度演化特征

該銅礦山共設置3個TDR監測點與1個溜井監測點,處理各步模擬結果,提取4個監測點頂板高程,以拉底層頂板高程為基準水平,統計結果如圖5所示。

圖4 崩落區典型形態

圖5 各拉底步頂板崩落高度

由圖5可知:4個頂板監測點處礦巖均將在第7步時崩透地表;2＃溜井、TDR_2、TDR_3三處礦巖在崩透地表前變化趨勢基本一致,大致呈線性增加、且增速接近;較其他測點,TDR_1處在第5步拉底后增幅加大,尤其在第6步至第7步間高度增速更為急劇。這與此處地勢陡峭,西部礦巖崩落速度較東部大,地表發生塌陷、且與下部垂直貫通有關(見圖6)。頂板高度整體變化趨勢為前期稍慢于后期,由于崩落后期崩落區距地表更近,對地表支撐作用更弱,因此,第5步拉底完成后礦山現場應密切關注崩落高度與地表沉降變化的監測。

圖6 第7步拉底崩落區形態

2．3 崩落體積演化特征

通過Fish語言編程,計算各拉底步運行完畢后的結果中崩落區的累計體積,圖7所示為各拉底步對應的累計崩落體積及月均體積增量變化情況統計。

圖7 各拉底步崩落體積

由圖7可知:崩落體積隨拉底推進不斷增加且有加速趨勢,破碎礦巖整體較有序地崩落,結合頂板高度變化情況,拉底安排是較為合理的。為分析崩落體積在各階段的變化情況,求取各月崩落體積的情況并進行統計,發現月均崩落礦石量整體呈上升趨勢,且增加速度在第4步之后有加速趨勢。因此,綜合考慮崩落體積與月均體積變化情況,應在第5步拉底后做好井下工作人員的安全防護工作,或在此之后增加爆破次數,減小單次拉底面積,以減緩拉底速度,防止崩落下的大體積礦巖所帶來的氣浪沖擊對井下人員設備的危害。

3 結 論

(1)結合國外相關規定及銅礦自身崩落監測高度,篩選出崩落區域滿足的礦巖破壞指標,并與有較長開采年限的礦山對比,確定其合理性。

(2)4個監測點處礦巖均在第7步崩透地表,2＃溜井、TDR_2、TDR_3頂板高度變化趨勢幾乎一致且勻速增加,TDR_1處頂板高度呈前緩后急的趨勢,第5步后應密切關注現場頂板高度與地表沉降的變化情況。

(3)崩落體積累增且有加速趨勢,整體有序可尋,結合頂板高度變化認為拉底安排合理;月均增量前期小后期大,應在第5步后加強安全防范,防止氣浪沖擊與底部破壞。