白羊礦段采空區(qū)離散元穩(wěn)定性分析

田勝科

(蒙自礦冶有限責(zé)任公司，云南 蒙自 661100)

0 引 言

蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)白羊礦段采空區(qū)歷史悠久，形態(tài)復(fù)雜，為了避免復(fù)產(chǎn)后出現(xiàn)采空區(qū)災(zāi)害，開展地壓控制及采空區(qū)穩(wěn)定性研究工作，有針對(duì)性的對(duì)原有空區(qū)采取必要的處理措施，同時(shí)為深部區(qū)段開采的地壓控制、礦床開采順序、頂板巖體的受控崩落以及地表沉降等方面提供建議，為后續(xù)生產(chǎn)中充分回收礦產(chǎn)資源及人員和設(shè)備的安全提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型建立

該次所采用的計(jì)算模型，考慮蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)白羊礦段礦體的實(shí)際賦存條件、采空區(qū)與上部山體相互影響關(guān)系、頂板冒落程度，建立了礦體、圍巖和地表地形逼真的計(jì)算模型，所建模型見圖1。

圖1 白羊礦段離散元模型建立示意圖Fig.1 Modeling of the discrete element in Baiyang block

根據(jù)礦山礦體幾何形態(tài)、各巖性情況和山體的位置，模擬礦體回采后上部圍巖的冒落情況及是否會(huì)影響到地表。該次所采用的計(jì)算模型，考慮白羊礦段實(shí)際情況及所要解決的問題，建立所需要的計(jì)算模型，礦段內(nèi)選取了一個(gè)代表性剖面進(jìn)行模擬，模型采用與礦巖體傾角一致的單元，白羊礦段由于模擬范圍較大，采空區(qū)位置、斷層及離采空區(qū)較近的單元大小為3 m×3 m的結(jié)構(gòu)單元，遠(yuǎn)離采空區(qū)的單元大小為6 m×6 m的結(jié)構(gòu)單元，計(jì)算模型單元?jiǎng)澐譃?7 647個(gè)，模擬單元?jiǎng)澐趾侠恚挥绊懹?jì)算運(yùn)行速度。

計(jì)算分析內(nèi)容：第1步為巖體原始應(yīng)力狀態(tài)再現(xiàn)；第2步開挖1 600 m以上礦體；第3步開挖1 600 m以下礦體。離散元可以給出圍巖冒落相應(yīng)下沉變形和速度分布特征圖。

針對(duì)現(xiàn)有空區(qū)，對(duì)礦權(quán)范圍內(nèi)的地表展開了詳細(xì)調(diào)查，建筑物附近未發(fā)現(xiàn)因采礦形成的裂縫、塌陷等地質(zhì)隱患，房屋未見變形。該次離散元模型計(jì)算采用的各巖層和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 離散元分析采用的力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of the discrete element analysis

2 模擬結(jié)果分析

模擬第1步，將力學(xué)模型施加應(yīng)力場(chǎng)和邊界約束，該步驟無任何開挖充填過程，巖體在應(yīng)力作用下下被壓實(shí)固結(jié)，在整個(gè)模型中形成初始應(yīng)力場(chǎng)，見圖2、圖3。恢復(fù)到礦山巖體原始應(yīng)力狀態(tài)，為后續(xù)開挖及分析奠定基礎(chǔ)。離散單元中最大不平衡力隨著計(jì)算時(shí)步的增加而逐漸趨于極小值，說明計(jì)算是收斂的，同時(shí)也表明體系最終達(dá)到了力平衡狀態(tài)。

圖2 原始模型模擬結(jié)果主應(yīng)力分布圖Fig.2 Main stress distribution of the original modeling

圖3 原始模型模擬結(jié)果位移分布圖Fig.3 Displacement distribution of the original modeling

模擬第2步是在原始未開挖狀態(tài)基礎(chǔ)上將1 600 m以上礦體開采，從模擬結(jié)果位移及速度分布圖見圖4-6，白羊礦段1 600 m以上礦體開挖后，位移、速度方向均朝向采空區(qū)方向發(fā)展，符合開挖空區(qū)圍巖力學(xué)響應(yīng)特征規(guī)律。礦體開采后大部分采空區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，頂板有掉塊顯現(xiàn)；部分采空區(qū)由于暴露面積相對(duì)較大，上盤圍巖出現(xiàn)了一定冒落和垮塌，從塊體放大圖6可見，最大冒落高度約為21 m左右，且冒落范圍以外沒有出現(xiàn)明顯開裂和離層現(xiàn)象，說明白羊礦段1 600 m以上礦體開采后部分采空區(qū)頂板會(huì)發(fā)生一定的冒落和垮塌，但達(dá)到一定范圍后，空區(qū)會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會(huì)繼續(xù)冒落。由于白羊礦段采空區(qū)冒落位置距地表位置>350 m，在不考慮其它擾動(dòng)的前提下，白羊礦段1 600 m以上礦體開采對(duì)地表產(chǎn)生影響較小。

圖4 白羊礦段1 600 m以上礦體開采后模擬結(jié)果位移分布圖Fig.4 Displacement distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

圖5 白羊礦段1 600 m以上礦體開采后模擬結(jié)果速度分布圖Fig.5 Velocity distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

圖6 白羊礦段塊體放大圖Fig.6 Enlarged chunk in Baiyang block

模擬第3步是在第2步開挖的基礎(chǔ)上將白羊礦段1 600 m以下礦體開挖形成采空區(qū)，從模擬結(jié)果位移及速度分布圖7-9可見，1 600 m以下礦體開采后，大部分采空區(qū)沒有發(fā)生明顯變化，部分區(qū)域由于采空區(qū)暴露面積較大且上下對(duì)應(yīng)，上盤圍巖出現(xiàn)了繼續(xù)冒落和垮塌現(xiàn)象，從塊體放大圖9可見，2個(gè)較大采空區(qū)的最大冒落高度分別為24 m、36 m，且冒落范圍以外沒有出現(xiàn)明顯開裂和離層現(xiàn)象，說明白羊礦段1 600 m以下礦體開采后部分采空區(qū)頂板會(huì)發(fā)生一定的冒落和垮塌，但達(dá)到一定范圍后，空區(qū)會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會(huì)繼續(xù)冒落。由于白羊礦段出現(xiàn)采空區(qū)冒落的位置距地表較深(>350 m)，在不考慮其它擾動(dòng)的前提下，白羊礦段1 600 m下部礦體開采也對(duì)地表產(chǎn)生影響較小。

圖7 白羊礦段1 600 m以下礦體開采后模擬結(jié)果位移分布圖Fig.7 Displacement distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

圖8 白羊礦段1 600 m以下礦體開采后模擬結(jié)果速度分布圖Fig.8 Velocity distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

圖9 白羊礦段塊體放大圖Fig.9 Enlarged chunk in Baiyang block

3 結(jié) 語

通過離散元軟件對(duì)白羊礦段不同開采深度上盤圍巖的冒落情況及對(duì)地表影響程度的模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)地下開采改變了圍巖周邊應(yīng)力環(huán)境，對(duì)空區(qū)頂板上覆巖層產(chǎn)生了較大的開采擾動(dòng)，離散元法模擬計(jì)算過程揭示了頂板冒落、垮塌和圍巖破壞擾動(dòng)范圍等開采響應(yīng)特征，模擬結(jié)果圖直觀形象，符合頂板巖層開挖卸荷力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，研究手段合理可行，對(duì)該礦山穩(wěn)定性評(píng)價(jià)比較科學(xué)。

(2)根據(jù)以上模擬分析揭示的巖層變形垮塌規(guī)律，白羊礦段現(xiàn)有采空區(qū)大部分處于穩(wěn)定狀態(tài)，少量采空區(qū)由于暴露面積較大且上下對(duì)應(yīng)，上盤圍巖出現(xiàn)了繼續(xù)冒落和垮塌現(xiàn)象，從模擬分析情況看，采空區(qū)的最大冒落高度在24～36 m之間，主要集中在F3斷層附近，且冒落范圍外未出現(xiàn)明顯擾動(dòng)開裂現(xiàn)象，說明該礦段會(huì)有局部采空區(qū)發(fā)生頂板冒落和垮塌的情景，但達(dá)到一定范圍后，空區(qū)會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會(huì)繼續(xù)冒落；從分析結(jié)果看，白羊礦段出現(xiàn)采空區(qū)冒落的位置距地表較大(>350 m)，還有一定距離，在不考慮其它擾動(dòng)的前提下，白羊礦段現(xiàn)有采空區(qū)對(duì)地表產(chǎn)生影響較小，同時(shí)還要做好現(xiàn)有采空區(qū)的充填治理。

(3)白羊礦段的礦體回采后地表沉降值無明顯變化，影響范圍也沒有擴(kuò)張，說明白羊礦段回采對(duì)地表穩(wěn)定性幾乎無影響。

(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，礦區(qū)內(nèi)由于局部空區(qū)頂板暴露面積過大，空區(qū)連片使得頂板發(fā)生垮塌，但原空區(qū)周邊圍巖均較穩(wěn)定，未發(fā)生垮塌，說明垮塌范圍有限，局限于采場(chǎng)內(nèi)，且由于大部分采場(chǎng)內(nèi)留有礦柱，所以垮塌區(qū)周邊的圍巖整體是穩(wěn)定的，與離散元模擬分析一致。