采空區三維建模及穩定性數值模擬研究

容 宇

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤礦業分公司, 云南 曲靖市 654211)

0 引 言

采礦區頂板及圍巖的穩定性是金礦礦床高效開采面臨的主要問題。在深部開采過程中事故大多有多發性和突發性特征,原因是礦山深部巖體始終處于高地應力、高滲透壓、高溫、爆破擾動,即“三高一擾動”的不良地質條件。目前,某銅礦進行了部分礦房的回采,而充填工作剛開始,因此存留了大量的采空區,加重了地應力對回采作業的干擾。采礦區存在的危害主要變現為與采空區毗鄰的穿脈巷道發生非均勻變形破壞、片幫或冒頂;地應力分布不均,采場部分區域應力集中不易識別和控制;圍巖蓄能較大,巖爆風險加大等等。正是因為這些采空區的存在,還可能造成更多災難性事故的發生。采空區穩定分析對于井下應力控制、指導生產具有重要作用。數值模擬方法是最為常用的采空區穩定分析方法,其可以提供較為直觀的定量描述,識別彈塑性區域,對于指定合理的生產方案十分有益。

本次數值模擬研究采用ANSYS三維有限元數值模擬軟件建立采空區、地層、斷層和巷道單元模型,劃分網格后再導入FLAC3D有限差分數值模擬軟件中進行計算。通過定量計算,分析空區開挖導致-120 m中段及各縱剖面的沉降(Z方向的位移)和彈塑性區域分布。結合采空區形成后在-120 m階段所引起的沉降變化,以及提取相應方向的塑性區結果,為后續采空區周邊的巷道開挖提供參數指導。

1 模型前處理

1．1 模型建立

該礦模型以井下實際情況為基礎,選取既能滿足計算要求且范圍最小的計算模型,同時考慮對應力狀態影響較大的地層、斷層的影響,忽略地下水及爆破等外在影響因素,揭示該礦采空區對上部地層的影響規律。

模型范圍為:X坐標范圍為49600~50323．2684;Y坐標范圍為8650~9050。確定研究范圍后即對模型進行建立,模型分外部圍巖、內部斷層影響帶、內部采空區、內部-120 m水平開拓巷道。

(1)地層模型。結合礦山所提供的地形地貌圖等CAD圖件,通過地表范圍劃設地表點網格,然后提取各網格點坐標,建立地表曲面。地層建成后,依據采空區范圍及計算要求選取底部水平標高為-240 m,形成含地層的圍巖體。

(2)斷層模型。通過地質圖和采空區調查結果得到斷層附存參數,包括位置坐標和傾向傾角等(見表1),對斷層進行建模,其中,F25走向NNW~NEE(近EW),F26走向NEE~EW。

表1 F25、F26斷層參數

(3)采空區模型。采空區包括測量采空區和推測采空區,對于已經測量過的采空區可通過三維建模方法直接構建,如圖1所示。對于受條件限制無法測量的采空區和已經充填的采空區,主要是依據上下穿脈巷道的位置和該礦縱剖面圖確定其寬度和高度,從而大致對這些采空區進行建模,其結果如圖2所示,其中有L1、L8、L14、L16、L18采場。地層、斷層、采空區模型構建后將其組合,如圖3所示。

圖1 已測采空區建立模型

圖2 未測采空區模型

圖3 某銅礦所有采空區模型

(4)巷道模型的建立。巷道模型依據礦方提供的-120 m實測圖,建立上下盤主運輸巷道及該礦區域內穿脈巷道和通風巷道模型,建立的巷道和采空區空間三維圖如圖4所示。

圖4 巷道及采空區三維模型

1．2 網格劃分

對上述建立的模型進行有限元計算,對該礦模型通過限制單元尺寸的方法對模型進行均勻劃分,使模型網格劃分均勻精細。最終劃分的網格模型如圖5所示。模型共劃分226748個節點和1303313個單元,滿足計算要求。

圖5 該礦網格模型

1．3 參數選擇

計算過程中將地層、礦體及斷層均視為單一連續的介質,為保證模擬結果的準確性,根據巖層的巖性對個部分逐一設定物理力學參數,試驗參數來源于原有試驗報告,具體參數如表2所示,充填體的體積模量為0．25 GPa,剪切模量為0．08 GPa。

表2 計算參數

2 結果分析

2．1 初始應力結果分析

取粘聚力和抗拉強度,采用更改參數的彈塑性求解初始應力的方法,對該礦采空區的初始位移及應力情況進行計算,其Z方向位移計算結果見圖6。結果表明,在自重應力的作用下,Z方向的位移呈分層分布,最大沉降位移出現在地表,為-1．3 m。

圖6 初始應力Z方向位移

2．2 開挖結果分析

初始應力計算完成后,對各方向的位移、速度及塑性區清零,改為實際參數對該礦進行采空區開挖模擬,計算其開挖后的位移狀態,開挖后的Z方向位移表面整體圖如圖7所示,最大位移出現在被斷層切割的巖體中,為7 cm。

圖7 開挖后Z方向位移三維圖

2．2．1 地層位移模擬結果

圖8為-120 m平面的Z方向位移云圖,其中顯示的范圍主要為采空區正上方區域。采場開挖后,-120 m平面的最大沉降位移為9．732 mm。

圖8 采空區開挖后－120 m平面Z方向位移圖

為了解模型內部位移及塑性的變化規律,對模型進行切片分析,分別截取-120 m平面、垂直巷道和經過采空區的縱剖面,縱剖面選擇結果見圖9所示。同時,提取3個縱剖面的Z方向位移圖,結果如圖10所示。

圖9 縱剖面選取位置示意

圖10 Z方向位移圖

由圖10可知,采空區范圍內對應的Z方向最大位移分別為2．95,4．248,4．499 cm,最大位移發生在暴露面積較大的采空區頂板處。

2．2．2 塑性區域模擬結果

為了解模型的塑性破壞情況,提取了地表面、-120 m平面和3個縱剖面的塑性區圖,模擬結果見圖11。由圖11可知,-120 m平面采空區范圍內未進入塑性破壞,只有斷層經過的區域有塑性破壞;3個縱剖面在采空區附近均有部分區域進入塑性破壞狀態。雖然采空區上部并未形成聯通的塑性區,但由于采空區L1、L2、L3體量相對更大,塑性區域更為明顯,上部巖層需要開挖巷道或回采時,要遠離該區域。

圖11 地層塑性區圖

3 結 論

采空區穩定分析對于井下應力控制、指導生產具有重要作用。數值模擬方法是最為常用的穩定分析方法,本研究采用ANSYS軟件建立采空區、地層、斷層和巷道單元模型,劃分網格再由FLAC3D軟件進行計算,分析空區開挖導致的-120 m中段及各縱剖面的沉降(Z方向的位移)和彈塑性區域分布,研究結果表明:

(1)采空區形成后,-120 m平面,最大Z方向位移(沉降位移)為0．973 cm;1＃、2＃、3＃縱剖面,對應的最大Z方向位移分別為2．95,4．248,4．499 cm。

(2)計算得到了各截面的塑性區結果,采空區模擬開挖工況下的塑性區均未聯通,對-120 m水平的塑性區范圍影響有限。

(3)結合采空區形成后在-120 m階段所引起的沉降變化,以及提取相應方向的塑性區結果,為后續采空區巷道開挖提供指導。