礦山開采引起地面塌陷的離散元模擬

龐仙笛，王 健

（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心吉林總隊，吉林 長春 130033）

離散巖位元法把一種節(jié)理介質巖體，視為由一個離散的巖塊構成，但是在我國它起步比較晚，好在其技術發(fā)展較為迅速，它可以允許節(jié)理巖塊自由平移、轉動和自由變形。離散元技術用于巖土、采礦和冶金、農業(yè)、食品和化學工程、制藥、環(huán)境等領域有著廣泛的應用，可分為分選、混合、團聚、充填壓榨、儲運、鏟除、爆破、破碎、流化等工序。離散二位元法在我國巖土科學工程、地質科學工程和再生能源聯合開采等許多領域也已經有著廣泛的研究應用。根據牛頓第二運動定律，可以精確得到每個元素的運動加速度；每個單元的運動速度和單元位移系數可以通過測量時間和微積分方法獲得。

1 礦山開采引起地面塌陷的離散元模擬

1.1 提取土體類型及特征

礦山頂層和砂巖底板以及基層砂質巖石層的地質巖性以砂質泥巖巖性為主，抗壓抗蝕強度相對來說較差。砂巖和硬質橡膠的晶體粘結性差、松散且易碎，在開采過程中難以維護。泥巖巖石質地柔軟，易收縮膨脹且難滑移。在進行開采較厚的硬質地層時，要注意留下一個帶假礦層頂板。底板容易在水箱底鼓和底板立柱中“針刺”。地表分布礫石土，巖性以礫石、砂礫石、中細砂、細砂等為主。軟巖主要分布在各個工礦山區(qū)的礦層頂板和底板上。經特殊流體力學條件測試，其中在自然運動條件下單向電流抗壓強度為0.55mpa～12.7mpa，屬于軟弱變質巖石，巖體機械強度低，整體性差[1]。通過實時采集各個采空區(qū)的具體水文、氣象、地形、區(qū)域內的地質、地震、構造、采礦等各種相關信息數據，并同時查明采空區(qū)基層范圍、埋深、礦產資源開采基層厚度、頂板巖性、上覆基層巖體及受破壞程度特征等各種相關數據資料。調查研究開采管理時間、開采管理方式、采空區(qū)基層塌陷、頂板巖性管理實施方式、充填管理情況；同時調查研究采空區(qū)內建筑地表基層下沉、伴生基層裂縫和其他地區(qū)基層裂縫的地質變形程度分布變化規(guī)律。工程地質調查：在調查區(qū)內進行工程地質調查，確定研究區(qū)地層的工程地質條件。環(huán)境地質調查：在調查區(qū)內進行環(huán)境地質調查，確定研究區(qū)的地質環(huán)境條件。地質災害測量：利用測得的大比例尺地形圖，通過實地調查工作，重點查明地表塌陷及伴生裂縫災害的分布和發(fā)展特征。野外測點位置采用手持式GPS儀器。路線調查采用交叉法和檢索法相結合的方法。對調查區(qū)進行了詳細調查，對地面裂縫、塌陷坑進行了詳細記錄，并進行了現場拍照；詳細記錄耕地、運河、農路等地面設施發(fā)生的地面塌陷、伴生裂縫、塌陷坑等特征，并進行現場拍照。

1.2 建立拉伸數值模型

長期以來，由于離散的元法則的計算需求量巨大，其實際應用受到很大限制。隨著現代研究和工程的需要，離散元計算中對粒子數的要求越來越高。地表地質沉降災害是各類采礦活動引起的常見重大地質自然災害，對整個礦區(qū)全體居民的人身生命財產安全，構成非常嚴重的威脅。本文主要采用離散元的模擬分析方法對礦山開采空區(qū)引起的鹽礦地表整體沉降條件進行分析模擬，評價該開采空區(qū)的安全性與穩(wěn)定性，并預測受當地沉降條件影響的礦地表沉降范圍。仿真試驗結果更好地符合實際應用情況，對我國礦山開采治理項目工程設計提供了一定的技術幫助[2]。鹽礦的水下地面開采沉降空區(qū)是由于鹽礦地下開采過程形成的鹽采空區(qū)。該礦的切向分量表示，如下公式1所示：

公式1中：L表示接觸運動的切向接觸剛度；N表示切向位移的增量。因此，采空區(qū)在地層上覆蓋的巖土自重，在其他外力作用下將不會發(fā)生向下方的位移和彎曲變形。嚴重情況時會直接造成水泥鹽井內的水泥營造環(huán)境的損壞、套管破裂、套管彎曲引起鹽井事故，影響鹵水生產。地面接連室外墻結構采用Rrc30混凝土，主筋結構采用Rrhrb400鋼筋。采用時考慮到在設計鋼筋彎矩時所采用的鋼筋極限抗拉受力強度承載設計標準值為360mpa，而采用鋼筋抗彎強度承載標準值設計為200mpa，計算地面連接室外墻正面橫截面鋼筋抗彎強度承載力時由于鋼筋抗拉強度設計采用的為標準值1.25倍，所以應在估算時能得到鋼筋極限設計彎矩，如下公式2所示：

地板所連接的墻面板為單層無縫鋼腹筋板，其內部受剪力板承載的應力極小的限值估算可根據上式和下式兩種估算方法得到，下式如下公式3所示：

公式3中：fyo表示軸心抗拉彎標準數值；h0表示模型中的有效高度。當采空區(qū)頂板巖層受力抗拉時的應力強度，超過其巖層抗拉應力強度極限設定值時，會直接引起局部頂板巖層破裂、倒塌，使頂板上覆地表巖層相繼向下傾斜移動，導致局部地表巖層坍塌。

1.3 明確礦山開采引起地面塌陷范圍

由于礦層較厚，圍巖屬于軟巖。礦層開采后，上部巖層塌陷。由于應力關系，采空區(qū)在地表投影區(qū)有一定程度地擴大。作為影響范圍，影響范圍內的地面建筑在地面上會出現不同程度的開裂、細小裂縫和塌陷坑。越靠近采空區(qū)，地表建筑開裂程度越大，反之亦然。鈣質石灰泥巖：黃-灰-深灰色。通過研究發(fā)現，該巖石層頂部4m～6m為原始強風化巖石層，逐漸向下一層過渡可看到原始變質巖石層的顏色。厚度8m～280m，田區(qū)自北向西南逐漸變厚。砂巖下第三層一系泥質云英巖石群膏鹽群(eyn2)①砂巖一系硬石膏段(eyn52)：巖呈灰色，主要由泥質灰泥巖、泥質灰?guī)r中間夾片狀泥質粉巖和砂巖三層組成，鉆孔巖層厚度20m～89m。②上石下鈣芒硝段(eyn42)：土呈灰色，由石粉泥質的上鈣芒硝、石灰質灰色泥巖以及夾雜石粉砂質灰色泥巖、泥質粉紅色砂巖等雜質組成，出露處的鉆孔土層厚度8m～88m。③巖質石鹽段(eyn32)：灰白色，由三層不等厚度的淺層巖質石鹽巖、泥質白色灰泥、泥巖和淺層粉砂質灰色泥巖巖塊組成。此段巖石含鹽礦物分布較密，形成的巖鹽團＜br>巖石含鹽礦物常呈現淺灰白色和淡黃白色，少數種呈灰白色和多數灰黑色，主要由巖石和鹽物質組成，其次主要是小的硬石膏、芒硝、少量的流水狀的云母、泥晶狀的白云石和其他有機質。礦石晶體具有方形塊狀、帶狀和圓形塊狀三種結構，因此，進一步明確了礦山開采引起地面塌陷范圍。

2 實驗與分析

2.1 實驗準備

顆粒細觀參數的標定一直以來都是離散元仿真模擬中的重點和難點，本文對實驗室獲取的砂巖應力應變曲線進行擬合。通過不斷的調試和校核直到砂巖的顆粒離散元模型的力學性能滿足真實室內試驗的結果，如下表1所示。

表1 砂石模型的物理參數

如上表1所示，根據室內試驗巖石材料的屬性和巖石試樣的尺寸確定模型的物理細觀參數如顆粒大小、密度等。

2.2 結果分析

本文通過大量反復的模擬測試得到砂巖的顆粒細觀參數，實驗通過提取，礦山開采中引起地面塌陷的巖石（砂巖），對砂巖的單軸壓縮破壞過程的數值模擬，結果如下圖1所示。

圖1 砂石試樣破壞過程

觀察上圖1中深灰色部分為加載中裂紋的發(fā)育結果，呈現圓盤顆粒狀，隨著加載的繼續(xù)，砂石產生上下貫通裂紋，因此，得出文中的離散元模擬方法，能夠較直觀的觀察到砂巖的裂縫過程。

3 結語

實際工程中巖體一般處于三維應力狀態(tài)。近年來，隨著各類礦山的開采，學者們開始對與這些領域相關的礦山開采進行深入的認識和研究。本文通過離散元的方法，模擬礦山開采引起地面塌陷，實驗得出本文方法能有效的模擬砂石的裂縫過程，為礦山開采引起地面塌陷的離散元模擬提供有效參考。