地下開(kāi)采對(duì)上覆圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

吳鵬

(紫金(廈門)工程設(shè)計(jì)有限公司長(zhǎng)沙分公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

地下開(kāi)采會(huì)形成大量的采空區(qū),同時(shí)造成周邊圍巖的地應(yīng)力重分布,形成二次應(yīng)力場(chǎng),當(dāng)采場(chǎng)地質(zhì)條件較差時(shí)可能發(fā)生頂板失穩(wěn)冒落、巖層變形甚至是地表沉陷等重大事故,對(duì)礦山正常開(kāi)采造成極大的影響[1-5]。因此,有必要針對(duì)采空區(qū)引發(fā)的應(yīng)力重分布規(guī)律進(jìn)行研究,從而避免其可能引發(fā)的一系列事故。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于采空區(qū)穩(wěn)定性常用的分析方法有預(yù)測(cè)法、解析法、物理模擬法與數(shù)值模擬法[6-10],其中數(shù)值模擬法是運(yùn)用最為廣泛的方法之一,常用的數(shù)值模擬軟件包括ANSYS、FLAC、ADINA 等[11]。張勝光等[12]利用Phase2對(duì)某石膏礦采空區(qū)建立相關(guān)地下采場(chǎng)分析模型,分析了－150 m 水平上部采空區(qū)坍塌后巖層移動(dòng)和應(yīng)力重分布規(guī)律,并為下一步采空區(qū)治理方案提供了參考依據(jù)。王萬(wàn)紅等[13]運(yùn)用3Dmine與FLAC3D 耦合建立數(shù)值計(jì)算模型,分析了采空區(qū)圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)大小及分布狀況,研究結(jié)果表明,房柱法大面積開(kāi)采中大部分礦柱仍有一定的支撐能力,頂?shù)装寰幱诎踩吔鐑?nèi),為下一步開(kāi)采方案提供了相應(yīng)的依據(jù)。高興紅等[14]利用FLAC3D 以龍門山銅礦東部采場(chǎng)為研究對(duì)象建立礦體三維模型,采用不同的充填方案填充采空區(qū)并進(jìn)行研究,結(jié)果表明,暫不處理現(xiàn)有采空區(qū),在采場(chǎng)內(nèi)留設(shè)礦柱及回采后部分充填的方案安全系數(shù)較高,且回采成本稍低。

本文以云南某銅礦為例,綜合考慮不同厚度區(qū)域所采用的采礦方法、回采順序以及周圍采空區(qū)的影響等因素,分別選擇4#勘探線剖面、1#自選剖面、2#自選剖面建立對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行分析,從而對(duì)開(kāi)采礦房及附近采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 礦山概況

某銅礦位于云貴高原中高原亞區(qū),區(qū)內(nèi)群山起伏,屬低山中山地貌,區(qū)內(nèi)整體地形北高南低,構(gòu)造發(fā)育以北東向?yàn)橹?區(qū)域成礦條件較為有利。礦體主要賦存于因民組頂部過(guò)渡層及落雪組底部白云巖中,其次是落雪組中上部白云巖風(fēng)化土中(土狀氧化礦)與鵝頭廠組底部含礫石英砂巖中。礦體形態(tài)產(chǎn)狀嚴(yán)格受層位和巖性控制,呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出。礦體長(zhǎng)軸的分布方向大致與礦段褶皺構(gòu)造線的分布方向相同,含礦區(qū)段西起11線,東至18線,長(zhǎng)1600 m,寬300 m。

2 模型參數(shù)

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

本次模擬選用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 力學(xué)模型

模型采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則[15]判斷巖體的破壞,并且均不考慮塑性流動(dòng)(不考慮剪脹)。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判別表達(dá)式如下:

式中,σ1、σ3為最大和最小主應(yīng)力,MPa;C為材料的黏聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);σ和τf分別為滑移面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力。

2.3 幾何模型

為盡量對(duì)各賦存條件下的礦體及采用的不同采礦方法下采空區(qū)圍巖進(jìn)行分析,本次研究選取了3種不同的剖面,分別為4#勘探線、1#自選剖面與2#自選剖面,其對(duì)應(yīng)模型分別命名為模型1、模型2與模型3。建立的3個(gè)模型反映了礦區(qū)內(nèi)大部分采空區(qū)及本次設(shè)計(jì)的主要回采礦體,同時(shí)涵蓋了底盤漏斗空?qǐng)龇ā⒎恐傲舻V全面法等擬用采礦方法,具有針對(duì)性和代表性。

4#勘探線擬采礦體(2203～2225 m)埋深范圍約為100～126 m,礦體傾角變化為0°～24°,礦體厚度為0～3.8 m。涵蓋了兩種采礦方法,對(duì)于2200 m 中段采用留礦全面法進(jìn)行回采,設(shè)置中段礦柱寬度為4 m,礦塊間柱寬度為6 m;而2220 m 中段間柱設(shè)置為5 m,底柱為10 m,礦房?jī)?nèi)留設(shè)點(diǎn)柱,規(guī)格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標(biāo)X8650至X8550范圍的礦體已回采并形成采空區(qū),位于回采礦體上部。最終生成的網(wǎng)格模型及采區(qū)布置如圖1所示。

圖1 4#勘探線采場(chǎng)布置及計(jì)算模型

1#自選剖面礦體(2225～2300 m),礦體埋深范圍約為55～83 m,平均埋深為56 m 左右,礦體傾角變化為0°～19°,礦體厚度為0.75～8.2 m。2220 m、2240 m 與2260 m 中段采用房柱法進(jìn)行回采,礦塊長(zhǎng)度為50 m,間柱為5 m,底柱為10 m;2280 m中段采用底盤漏斗空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行回采,盤區(qū)寬度為36 m,盤區(qū)間柱寬度為5 m,中段礦柱寬度為5 m,礦房?jī)?nèi)留設(shè)點(diǎn)柱,規(guī)格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標(biāo)X8650至X8550范圍的礦體已回采并形成采空區(qū),位于待采礦體下部。最終生成的網(wǎng)格模型及采區(qū)布置如圖2所示。

圖2 1#自選剖面采場(chǎng)布置及計(jì)算模型

2#自選剖面為多層礦體(2188～2328 m),主要回采對(duì)象由下往上為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅲ-1、Ⅲ-3,礦體埋深范圍約為33～192 m,礦體傾角變化為0°～29°,礦體厚度為0.5～7.0 m。Ⅰ號(hào)礦體主要采用房柱法進(jìn)行回采,礦塊長(zhǎng)度為50 m,間柱為5 m,底柱為10 m;Ⅲ號(hào)礦體主要采用留礦全面法進(jìn)行回采,礦塊長(zhǎng)度為50 m,中段礦柱寬度為4 m,礦塊間柱寬度為6 m,礦房?jī)?nèi)留設(shè)點(diǎn)柱,規(guī)格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標(biāo)X8930至X8960范圍的礦體已回采并形成采空區(qū),待采礦體位于空區(qū)兩側(cè)。最終生成的網(wǎng)格模型及采區(qū)布置如圖3所示。

圖3 2#自選剖面采場(chǎng)布置及計(jì)算模型

3種模型在礦體未進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的原巖應(yīng)力如圖4所示,由于礦體位于山體內(nèi)部且埋藏較淺,構(gòu)造應(yīng)力弱,整體原巖應(yīng)力較小,最深部礦塊原始鉛直應(yīng)力為4.5 MPa左右。

圖4 不同模型礦體未開(kāi)采時(shí)原巖應(yīng)力分布

圖5 不同模型采空區(qū)最大主應(yīng)力與塑性區(qū)云圖

對(duì)于3種模型而言,礦體回采并形成采空區(qū)后,改變?cè)瓗r應(yīng)力的分布情況,礦體頂?shù)装鍛?yīng)力均有不同程度的減小,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,礦柱及兩側(cè)圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大值可達(dá)7～8 MPa,出現(xiàn)于4#剖面線模型中。從塑性區(qū)情況來(lái)看,采場(chǎng)頂板及礦柱出現(xiàn)較多塑性區(qū),多為開(kāi)挖后應(yīng)力釋放所造成,整體未持續(xù)發(fā)生塑性變形,采場(chǎng)頂?shù)装搴偷V柱整體而言基本穩(wěn)定。3種模型的采空區(qū)應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖如5所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型1回采結(jié)果分析

圖6為模型1中不同回采階段采區(qū)最大主應(yīng)力云圖,圖7 為不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布圖。

圖7 模型1不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布

(1)2200 m 中段采用留礦全面法進(jìn)行回采,回采過(guò)程中頂?shù)装寰霈F(xiàn)塑性區(qū),并未持續(xù)發(fā)展,考慮到礦體較薄,平均埋深僅100 m 左右,整體上認(rèn)為基本穩(wěn)定。

(2)2220 m 中段采用房柱法進(jìn)行回采,回采過(guò)程中頂?shù)装寮包c(diǎn)柱均出現(xiàn)塑性區(qū),間柱與中段礦柱未發(fā)生變形,采場(chǎng)整體較為穩(wěn)定。靠近現(xiàn)采空區(qū)一側(cè)留設(shè)礦柱變形較大,同時(shí)從最大主應(yīng)力云圖來(lái)看,應(yīng)力集中較為顯著,最大值可達(dá)12～14 MPa,對(duì)兩側(cè)新老采空區(qū)均存在一定的安全隱患。

3.2 模型2回采結(jié)果分析

圖8為模型2中不同回采階段采區(qū)最大主應(yīng)力云圖,圖9 為不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布圖。

圖8 模型2不同回采階段采區(qū)最大主應(yīng)力云圖

圖9 模型2不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布

(1)2220 m 中段至2240 m 中段(標(biāo)高2225～2260 m)回采過(guò)程中,采用房柱法進(jìn)行回采,頂?shù)装迮c間柱均未出現(xiàn)塑性區(qū),點(diǎn)柱與老空區(qū)一側(cè)安全礦柱出現(xiàn)較多塑性變形區(qū)域,但并不隨向上回采持續(xù)發(fā)展,最大主應(yīng)力僅為4～6 MPa,整體穩(wěn)定。

(2)2260 m 中段(標(biāo)高2260～2280 m)回采過(guò)程中,采用房柱法進(jìn)行回采,頂?shù)装濉㈤g柱、中段礦柱均未出現(xiàn)塑性區(qū),點(diǎn)柱出現(xiàn)較多塑性變形區(qū)域,最大主應(yīng)力僅為3～5 MPa,整體穩(wěn)定。

(3)2280 m 中段(標(biāo)高2280～2300 m)回采過(guò)程中,采用底盤漏斗空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行回采,頂?shù)装辶阈浅霈F(xiàn)塑性區(qū),間柱和中段礦柱出現(xiàn)較多塑性變形區(qū)域,最大主應(yīng)力僅為3～5 MPa。由于該采礦方法回采上層礦體為土狀氧化礦,礦柱上部及頂板風(fēng)化程度較強(qiáng),建議視頂板及礦柱穩(wěn)定情況增大礦柱尺寸,減少空區(qū)暴露面積。

3.3 模型3回采結(jié)果分析

圖10為模型3中不同回采階段采區(qū)最大主應(yīng)力云圖,圖11為不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布圖。

圖10 模型3不同回采階段采區(qū)最大主應(yīng)力云圖

圖11 模型3不同回采階段采區(qū)與礦柱塑性區(qū)分布

(1)2220 m 中段至2240 m 中段(標(biāo)高2225～2260 m)回采過(guò)程中,Ⅰ號(hào)礦體采用房柱法進(jìn)行回采,頂?shù)装迮c點(diǎn)柱均出現(xiàn)較多塑性區(qū),但整體未持續(xù)發(fā)生變形,間柱與中段礦柱未發(fā)生塑性變形,礦柱應(yīng)力集中較為明顯,最大應(yīng)力可達(dá)10～12 MPa,采場(chǎng)和礦柱基本穩(wěn)定,但需要加強(qiáng)對(duì)頂板和礦柱的監(jiān)測(cè),及時(shí)進(jìn)行廢石充填;Ⅲ號(hào)礦體采用留礦全面法回采,兩層礦體相距較近,回采后中間夾層出現(xiàn)較多塑性區(qū),不隨開(kāi)采持續(xù)變形,仍建議對(duì)下層空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填封閉或者放棄Ⅲ-3礦體的回采,保證頂板的完整性。

(2)2260 m 中段至2280 m 中段(標(biāo)高2260～2300 m)回采過(guò)程中,Ⅰ號(hào)、Ⅲ號(hào)礦體均采用留礦全面法進(jìn)行回采,頂?shù)装搴椭卸蔚V柱出現(xiàn)較多塑性區(qū),但整體未持續(xù)發(fā)生變形,間柱未發(fā)生塑性變形,礦柱應(yīng)力集中較為明顯,最大應(yīng)力可達(dá)8～10 MPa,采場(chǎng)和礦柱基本穩(wěn)定,但需要加強(qiáng)對(duì)頂板和礦柱的監(jiān)測(cè),及時(shí)進(jìn)行廢石充填;Ⅲ號(hào)礦體中間夾層出現(xiàn)較多塑性區(qū),不隨開(kāi)采持續(xù)變形,仍建議對(duì)下層空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填封閉或者放棄Ⅲ-3礦體的回采,確保頂板的完整性。

(3)2300 m 中段(標(biāo)高2300～2320 m)回采過(guò)程中,采用房柱法進(jìn)行回采,頂?shù)装辶阈堑爻霈F(xiàn)塑性區(qū),間柱和中段礦柱未出現(xiàn)塑性區(qū),最大主應(yīng)力僅為3～5 MPa,采場(chǎng)與礦柱整體較為穩(wěn)定。Ⅰ-2號(hào)礦體厚度較大,空區(qū)點(diǎn)柱塑性變形較為明顯,且持續(xù)發(fā)展,建議適當(dāng)增加點(diǎn)柱尺寸。

(4)2320 m 中段(標(biāo)高2320～2340 m)回采過(guò)程中,Ⅰ號(hào)和Ⅲ號(hào)礦體采用房柱法進(jìn)行回采,頂?shù)装辶阈堑爻霈F(xiàn)塑性區(qū),間柱和中段礦柱未出現(xiàn)塑性區(qū),點(diǎn)柱塑性變形較為明顯,且持續(xù)發(fā)展,建議2300 m 中段回采結(jié)束后對(duì)其進(jìn)行廢石充填并封閉空區(qū),以確保上層礦體回采的穩(wěn)定性;Ⅲ號(hào)礦體采用留礦全面法,頂?shù)装寮暗V柱均未出現(xiàn)塑性區(qū),整體較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)不同區(qū)域礦體回采的模擬,在留設(shè)足夠?qū)挾劝踩g隔礦柱條件下,現(xiàn)有采空區(qū)與地下采礦活動(dòng)的相互擾動(dòng)均較小,僅4#勘探線礦體回采存在小范圍相互影響,建議增大安全間隔礦柱尺寸。

(2)根據(jù)礦體厚度采用不同的采礦方法時(shí),采場(chǎng)穩(wěn)定性基本能夠得到保證,但對(duì)于底板漏斗空?qǐng)龇ǘ?礦柱會(huì)出現(xiàn)大面積塑性區(qū),建議開(kāi)采后盡快進(jìn)行廢石充填,并封閉空區(qū)。