厚大礦體充填開采地表穩(wěn)定性分析

程?hào)|旭, 曾凌方, 朱國(guó)輝

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 前言

隨著礦產(chǎn)資源的開采,大部分淺部和易采的礦體已經(jīng)基本消耗殆盡,未來將會(huì)有越來越多難采、深部的礦體資源進(jìn)行回采,例如對(duì)于以往礦山對(duì)地表建構(gòu)筑物、水體等壓覆的保安礦柱或未能開采的礦產(chǎn)資源進(jìn)行回采。在當(dāng)今發(fā)展綠色礦山的大環(huán)境下,地下開采造成地表建構(gòu)筑物的破壞是越來越不被允許的,而隨著礦石需求量的增長(zhǎng),高采出率和高地表安全保護(hù)等級(jí)是現(xiàn)在需要解決的問題,此時(shí)開展地下礦產(chǎn)資源開采下地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究是必不可少的。目前越來越多的金屬非金屬礦山領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的采礦方法主要為充填法,充填法在安全、高效開采建筑物下礦石資源、減小地表變形破壞、提高礦石回采率等方面發(fā)揮了重要作用[1-4]。相比其余采礦方法,充填采礦有損失貧化率低,安全等優(yōu)勢(shì),同時(shí)充填采礦可以有效控制地表賦巖的移動(dòng),減少地表塌陷和下沉,可以保護(hù)地表建構(gòu)筑物,因此研究充填法開采對(duì)地表沉降變形規(guī)律具有重要知道意義。

為了研究地下開采對(duì)地表移動(dòng)變形的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。A. K. Ghose和V. R.Greco考慮各種影響因素,基于Knothe時(shí)間函數(shù),建立了可以預(yù)測(cè)開采后地表移動(dòng)變形的三維影響函數(shù)[5-6]。楊寶貴通過數(shù)值模擬對(duì)比分析充填法與垮落法開采的地表移動(dòng)梯度變化情況,揭示了利用矸石、粉煤灰充填開采可以有效降低地表下沉梯度和水平移動(dòng)梯度[7]。劉艷章通過有限元分析得到了大包莊礦山采空區(qū)不充填和全充填下地表移動(dòng)帶的圈定范圍,得出數(shù)值模擬圈定的移動(dòng)帶能更好的反應(yīng)實(shí)際地表變形[8]。王海軍利用巖石力學(xué)數(shù)值模擬圈定地表移動(dòng)帶對(duì)礦山地下開采有可能影響建構(gòu)筑物安全進(jìn)行了分析和量化評(píng)價(jià)[9]。李同鵬通過分析計(jì)算鳳凰山銅礦充填法開采過程中地表風(fēng)景區(qū)建構(gòu)筑物附近的傾斜、曲率和水平變形在Ⅰ級(jí)建構(gòu)筑物變形允許值范圍內(nèi)[10]。張?zhí)燔娎肍LAC3D模擬煤層開擦沉陷,分析了開采工作面和開挖深度對(duì)地表變電站的影響[11]。然而,現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究中主要是對(duì)地表巖體位移的描述和地表巖體移動(dòng)變形的數(shù)據(jù)坐標(biāo)圖形展示,很少采用數(shù)值模擬方法將地表水平變形、傾斜及曲率進(jìn)行全部計(jì)算并復(fù)合到實(shí)際地表地形圖中,對(duì)礦山開采下地表不同區(qū)域的建構(gòu)筑物安全保護(hù)等級(jí)的研究較少。

本文以某多金屬礦礦體開采為工程背景,礦山地表有公路和建構(gòu)筑物存在,礦山開采可能對(duì)礦區(qū)地表建構(gòu)筑物和公路造成影響。本研究在對(duì)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和地質(zhì)條件進(jìn)行全面踏勘和分析的基礎(chǔ)上,利用FLAC數(shù)值模擬手段,按設(shè)計(jì)開采順序分析充填及未充填下地表移動(dòng)變形規(guī)律研究,首先使用flac中fish語音導(dǎo)出了礦山地表的水平變形、傾斜和曲率與對(duì)應(yīng)實(shí)際坐標(biāo),將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)際地表地形進(jìn)行耦合,更加直觀的反映了地表建構(gòu)筑物等所處的安全等級(jí),對(duì)礦山地表穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,所得成果為相似礦山確定地表不同區(qū)域建構(gòu)筑物安全等級(jí)具有指導(dǎo)性意義。

2 工程概況

某多金屬礦礦體緩傾斜、厚度大、埋深淺,位于地表以下247.61～479.67 m,礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育,地表環(huán)境復(fù)雜,起伏大,地表最大高差達(dá)380 m。礦體平均傾角8°,平均厚度17.69 m,走向控制長(zhǎng)150 m,傾向控制長(zhǎng)1 018 m。針對(duì)礦山開采技術(shù)條件,礦山采用“隔三采一”方式對(duì)礦體進(jìn)行回采,采用大直徑深孔側(cè)向崩礦和底盤塹溝中深孔空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行回采,礦房礦柱按15 m寬垂直礦體走向方向依次布置,長(zhǎng)為走向長(zhǎng)度,高為礦體厚度,采礦方法示意圖如圖1所示。

圖1 采礦方法示意圖

為了更加清晰的展示本文對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律分析方案的實(shí)施過程,本文建立了方案實(shí)施過程,具體如圖2所示。

圖2 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析流程圖

3 模型建立及參數(shù)確定

3.1 模型建立

根據(jù)礦體模型和地表模型,利用3Dmine、ANSYS、suffer軟件建立了包括地表在內(nèi)的完整礦巖模型,按設(shè)計(jì)確定的采礦方法和開采順序模擬礦山實(shí)際開挖,建立了包含礦體、上下盤圍巖、地表等大型三維精細(xì)模型。模型x方向長(zhǎng)度為1 460 m,y方向長(zhǎng)度為1 200 m,z方向?yàn)橛? 400 m標(biāo)高至地表,模型按不等分劃分網(wǎng)格,共劃分為209 309個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 190 264個(gè)單元。礦山地表地貌如圖3所示,三維模型如圖4所示。

圖3 礦山地貌

圖4 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.2 模擬參數(shù)及邊界條件

模型按巖體自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力施加應(yīng)力邊界,其中側(cè)向壓力系數(shù)為1.2,在模型的底部施加z方向約束,在模型四周分別施加x、y方向的約束,地表為自由面,選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,然后分別對(duì)充填及未充填情況下地表的穩(wěn)定性進(jìn)行三維數(shù)值分析。依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)以及Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,并參考類似礦巖屬性,獲得模擬中使用的礦巖物理力學(xué)參數(shù),模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬方案設(shè)計(jì)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)中的開采技術(shù)方案,按照“隔三采一”的方式對(duì)礦房依次進(jìn)行開采,模擬開挖大部分礦體,分別沿走向分為四類礦房進(jìn)行模擬開挖,具體如圖5所示,整個(gè)礦體的開采分為四個(gè)步驟,首先開采1號(hào)礦房、然后開采2號(hào)礦房、而后開采3號(hào)礦房,最后開采4號(hào)礦房,分別計(jì)算充填時(shí)和未充填時(shí)地表的移動(dòng)變形情況。

圖5 模擬開采示意圖

4 模擬分析結(jié)果

兩種模擬方案開挖順序相同,按順序開采1、2、3、4號(hào)礦房,充填時(shí)在每個(gè)礦房開挖后一次性充填。本文利用flac中fish語言命令導(dǎo)出了地表節(jié)點(diǎn)的水平變形、傾斜及曲率數(shù)據(jù),并主要從兩種方案下地表的位移、水平變形、傾斜及曲率進(jìn)行分析,對(duì)比兩種方案下地表穩(wěn)定性。

4.1 位移分析

通過模擬計(jì)算充填及未充填下的地表位移變化情況,得到了如圖6、圖7所示的地表位移云圖。從圖中可以看出,采用充填法開采地表最大位移變化為25 mm,采用不充填開采的最大位移變化為55 mm,說明充填法可以有效減小地表的沉降量。

圖6 未充填方案地表位移變形

圖7 充填方案地表位移變形

4.2 地表建構(gòu)筑物安全等級(jí)分析

1)地表移動(dòng)變形指標(biāo)對(duì)建構(gòu)筑物影響

井下的開采對(duì)地表的影響是非常復(fù)雜的,為了分析地表移動(dòng)變形對(duì)建構(gòu)筑物安全等級(jí)的影響,本文先介紹3項(xiàng)指標(biāo):水平變形、傾斜和曲率。

水平變形:兩點(diǎn)間的水平位移差除以兩點(diǎn)間的水平距離,單位為mm/m。

地表傾斜:為地表下沉盆地沿某一方向的坡度值,其平均值以兩點(diǎn)間的下沉除以兩點(diǎn)間的水平距離,單位mm/m。

地表曲率:為下沉盆地剖面線的彎曲度,其平均值以相鄰兩線段傾斜差除以兩線段地表水平長(zhǎng)度的平均值,習(xí)慣規(guī)定:上凸為正,下凹為負(fù),單位為10-3/m。

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50771—2012),地表建、構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)及位移與變形允許值見表2。

表2 建、構(gòu)筑物位移及變形允許值

2)地表水平變形、傾斜及曲率分析

通過模擬計(jì)算分析,將水平變形、傾斜及曲率的數(shù)據(jù)與地表相應(yīng)坐標(biāo)對(duì)應(yīng),形成相應(yīng)的地表復(fù)合平面圖。導(dǎo)出充填及不充填下的地表水平變形(X方向和Y方向)、傾斜及曲率復(fù)合平面圖如圖8至圖12所示。

圖8 未充填(上)及充填(下)方案地表X方向水平變形復(fù)合平面圖

從圖8和圖9可以看出,充填及未充填的地表的水平變形(X方向未充填:0.11;充填法:0.055。Y方向未充填:0.11;充填法:0.08)均小于一級(jí)建構(gòu)筑物的水平變形允許值2 mm/m。從圖10可以看出,采用不充填開采地表的傾斜值-0.55～0.65 mm/m,采用充填法開采地表的傾斜值-0.26～0.34 mm/m,均小于Ⅰ級(jí)建構(gòu)筑物要求的傾斜變形允許值。

圖9 未充填(上)及充填(下)方案地表Y方向水平變形復(fù)合平面圖

圖10 未充填(上)及充填(下)方案地表傾斜復(fù)合平面圖

從圖11圖12中可以看出,采用未充填開采后地表的曲率值在-1.1～1,采用充填開采后地表的曲率值在-0.6～0.45。為了更加直觀看出地表Ⅰ～Ⅳ級(jí)建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)的區(qū)域,根據(jù)表2中規(guī)定的建、構(gòu)筑物位移與變形允許值,將圖中Ⅰ級(jí)建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)區(qū)域用綠松石顏色,Ⅱ級(jí)建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)區(qū)域用黃色標(biāo)注,Ⅲ級(jí)建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)區(qū)域用紫色標(biāo)注,Ⅳ級(jí)建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)區(qū)域用紅色標(biāo)注,從圖中可以明顯看出,充填開采方案下地表的建構(gòu)筑物安全等級(jí)區(qū)域比不充填開采方案下地表的接構(gòu)筑物安全等級(jí)區(qū)域高很多,且不充填下地表曲率>0.6的區(qū)域很大,說明充填開采下地表的穩(wěn)定性有了顯著的提高,可以提升地表建構(gòu)筑物的安全保護(hù)等級(jí)。

圖11 未充填方案地表曲率復(fù)合平面圖

圖12 充填方案地表曲率復(fù)合平面圖

5 結(jié)論

(1)利用數(shù)值模擬分析了礦體開采下地表的位移、水平變形、傾斜和曲率四項(xiàng)指標(biāo),得到井下開采對(duì)地表建筑物產(chǎn)生損害和破壞的區(qū)域范圍,并通過對(duì)地表移動(dòng)變形的三項(xiàng)指標(biāo)復(fù)合平面圖可以準(zhǔn)確全面了解各區(qū)域的建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)。總結(jié)出一種新的計(jì)算方式將地表建構(gòu)筑物安全等級(jí)圖形化的表示出來,在今后礦山開采之前可以利用此方法針對(duì)礦山開采方式來研究確定地表哪些區(qū)域可以建造Ⅰ級(jí)建筑物,哪些區(qū)域可以用來建造其他等級(jí)建筑物。

(2)模擬結(jié)果對(duì)比分析表明,充填方案開采可以明顯增強(qiáng)地表穩(wěn)定性,位移、水平變形、傾斜和曲率值急劇降低,顯著增強(qiáng)地表建構(gòu)筑物安全等級(jí)。

(3)采用充填模擬采場(chǎng)充填時(shí),根據(jù)實(shí)際情況使用了未接頂?shù)某涮罘绞綄?duì)其進(jìn)行三維數(shù)值模擬,可以更接近實(shí)際開采充填過程。