胡 豐 李云安 劉海鰲 鄒濟(jì)韜 譚道遠(yuǎn)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院)

地下采礦是在采區(qū)中進(jìn)行回采作業(yè)［1-2］，由于礦床埋藏條件復(fù)雜，礦巖性質(zhì)變化大以及其他原因，現(xiàn)在應(yīng)用的采礦方法種類繁多，根據(jù)回采時(shí)地壓管理方法，地下采礦方法可以歸納為3類:空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法和充填采礦法［3-4］。某礦山位于河北省灤縣縣城東南8 km，礦床上覆第四系含水層，礦體賦存于太古界變質(zhì)巖中，礦山采用豎井開(kāi)拓，充填法采礦，開(kāi)拓系統(tǒng)置于基巖內(nèi)部，第四系與采場(chǎng)之間留設(shè)一定厚度的基巖頂板保護(hù)層不開(kāi)采，目的是降低第四系水對(duì)礦床開(kāi)采的影響，同時(shí)減小地面變形［5-6］，因此，如何留設(shè)合理的基巖頂板保護(hù)層［7-9］成為影響礦山安全開(kāi)采的重要因素。

1 礦山工程地質(zhì)條件

該礦位于灤河Ⅰ級(jí)階地中上部，地形開(kāi)闊，地勢(shì)較平坦，礦體深埋于上百米厚的第四系松散層之下;第四系地層為全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層，巖性以砂礫卵石、砂、粉土、粉質(zhì)黏土等為主，上部粉細(xì)砂存在地震液化現(xiàn)象。礦體賦存太古界變質(zhì)巖中，巖性以混合巖、混合花崗巖、黑云變粒巖、偉晶巖為主，巖層傾向西，傾角30°～60°，礦體與圍巖產(chǎn)狀一致。淺部基巖為基巖風(fēng)化帶，風(fēng)化帶巖石呈砂土狀、泥狀、碎塊狀、塊狀，巖石破碎，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性質(zhì)差;風(fēng)化帶以下礦、巖石致密堅(jiān)硬，均屬堅(jiān)硬脆性巖石，普氏硬度系數(shù)10，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，工程性質(zhì)較好。

礦體各巖性參數(shù):礦體抗壓強(qiáng)度Rc=30.52 MPa，地表人類活動(dòng)均布荷載q=600×1.2=720 kN/m2，覆蓋土層容重γs=20 kN/m3，礦體頂板容重γr=33 kN/m3，安全系數(shù)K=1.2，礦體頂板巖體黏聚力c=5.06 MPa，頂板巖體內(nèi)摩擦角φ =59°，泊松比μ=0.2，頂面荷載q0=α·q，α為路基均布荷載附加應(yīng)力系數(shù)。

2 礦體頂板厚度理論計(jì)算

2.1 頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算

當(dāng)?shù)V體頂板巖層完整，近似于水平地層，當(dāng)跨度較大時(shí)，彎矩是主要控制條件，可按兩端固定頂板抗彎情況計(jì)算頂板安全最小厚度;當(dāng)開(kāi)采跨度較小，剪切是主要控制條件時(shí)，頂板可按抗剪切結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算頂板安全最小厚度。將研究區(qū)工程地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)力學(xué)相結(jié)合，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 礦體最小安全頂板力學(xué)計(jì)算模型

2.1.1 礦體頂板按抗彎結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算

根據(jù)巖體抗彎強(qiáng)度理論，

式中，［σ］為巖體的抗彎強(qiáng)度允許值，為其抗壓強(qiáng)度Rc的1/10～1/20，kPa;M為礦體頂板所承受的彎距，kN·m;I為礦體頂板截面慣性矩，m4;ymax為邊緣最大抗壓力至中性軸之間的距離，m。

最大彎矩

取

式中，l為頂板長(zhǎng)度，hs為覆蓋土層厚度，hr為礦體頂板厚度。

聯(lián)立式(1)～式(6)，得

路基均布荷載附加應(yīng)力系數(shù)α計(jì)算公式如下:

2.1.2 礦體頂板按抗剪結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算

根據(jù)鉛直方向靜力極限平衡條件，得

式中，τf為礦體頂板抗剪強(qiáng)度，kPa，μ為巖體泊松比，b為礦體頂板寬度。

聯(lián)立式(10)～式(13)，得

2.2 礦體頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)該礦山礦體的埋藏深度情況，計(jì)算埋深在110～150 m范圍內(nèi)的礦體，每增加5 m埋深分別進(jìn)行計(jì)算礦體頂板厚度，根據(jù)上述礦體各巖性參數(shù)和抗彎抗剪結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算公式，可以得到按抗彎驗(yàn)算的頂板最小安全厚度和按抗剪驗(yàn)算的頂板最小安全厚度，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，該礦區(qū)的礦體平均埋深137 m，根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插，可以得到該礦區(qū)的礦體頂板最小安全厚度:按抗彎驗(yàn)算為30.90 m，按抗剪驗(yàn)算為33.95 m。由于巖體結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜性，需要考慮一定的安全儲(chǔ)備，因此推薦的礦體頂板最小安全厚度取按抗彎驗(yàn)算和抗剪驗(yàn)算的較大值為基巖強(qiáng)風(fēng)化帶以下33.95 m。

表1 礦體頂板最小安全厚度計(jì)算結(jié)果 m

3 工程地質(zhì)數(shù)值模擬分析

3.1 工程地質(zhì)巖土組概化

在查明了礦區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探資料和以往基礎(chǔ)地質(zhì)資料，在礦區(qū)劃分的5個(gè)工程地質(zhì)巖組基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)劃分為8個(gè)工程地質(zhì)巖土組，通過(guò)巖石、土樣物理力學(xué)試驗(yàn)、鉆孔井下電視、波速測(cè)試等資料，獲取礦區(qū)不同地段的工程地質(zhì)巖組物理力學(xué)參數(shù)，建立了工程地質(zhì)數(shù)值模型。所劃分的8個(gè)巖土組，自上而下依次為第四系水上，第四系水下，強(qiáng)風(fēng)化層，弱風(fēng)化層，Ⅳ級(jí)巖體，Ⅲ級(jí)巖體，Ⅱ級(jí)巖體，輝綠巖組。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告和場(chǎng)地工程地質(zhì)類比巖土體參數(shù)，綜合確定各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型邊界條件為位移邊界條件，具體計(jì)算范圍的坐標(biāo)為X坐標(biāo)(391 407～393 424 m)，Y坐標(biāo)(4 387 720～4 388 378 m)，Z坐標(biāo)(－900 m)。根據(jù)2.2可知，該礦區(qū)的開(kāi)挖頂板厚度按33.95 m計(jì)算。網(wǎng)格總共分為250 477個(gè)單元和46 758個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 ANSYS數(shù)值計(jì)算模型

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，計(jì)算位移場(chǎng)分布特征，獲取其位移等值線圖。由礦體開(kāi)挖面剖面沉降位移云圖(圖3)可以看出礦體開(kāi)挖面以上到地表面，位移逐漸減小，均為負(fù)沉降位移，礦體頂面位移為最大，往兩側(cè)逐漸減少，開(kāi)挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為零，開(kāi)挖面中線以上地面位移最大，為1.1 cm。礦體開(kāi)挖頂面最大位移為3.5 cm。地表沉降值符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。由礦體開(kāi)挖地平面沉降位移云圖(圖4)可以知道開(kāi)挖面中線位移為最大，為1.0 cm，往兩邊逐漸減少，地面沉降影響范圍大致為開(kāi)挖面中線左右一倍開(kāi)挖面寬度。

圖3 礦體開(kāi)挖面剖面沉降位移云圖

圖4 礦體開(kāi)挖地平面沉降位移云圖

由礦體塑性區(qū)(圖5)可以看出，礦體開(kāi)挖部位和巷道周圍目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，左側(cè)存在小部分剪切破壞和抗拉破壞。

圖5 礦體塑性區(qū)

礦體開(kāi)挖地平面等值線圖見(jiàn)圖6，由圖6可以知道開(kāi)挖面在巷道處沉降位移最大，最大位移為1.0 cm，往兩邊逐漸減少，地表沉降值符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 礦體開(kāi)挖地平面等值線圖(單位:m)

4 結(jié)論

推導(dǎo)出采礦頂板最小安全厚度的理論計(jì)算公式并利用該公式計(jì)算出采礦頂板最小安全厚度，然后基于該厚度，運(yùn)用ANSYS軟件和FLAC3D軟件模擬礦山開(kāi)挖的全過(guò)程，計(jì)算出地面沉陷變形量，變形量滿足規(guī)范要求，為該礦山地下開(kāi)采設(shè)計(jì)與施工提供充分的科學(xué)依據(jù)。

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