丁艷偉 王 寧 盧 萍 李愛(ài)兵 唐 云

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010;2.長(zhǎng)沙礦山研究院，湖南長(zhǎng)沙410012; 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局川西北地質(zhì)大隊(duì)，四川綿陽(yáng)621000)

目前，國(guó)內(nèi)已有很多礦山進(jìn)行了掛幫礦的回收，也有許多露天轉(zhuǎn)地下的礦山即將開(kāi)始掛幫礦回收，其中，文獻(xiàn)報(bào)道和研究較多的有大冶東露天掛幫礦回收，此外石人溝鐵礦、姑山鐵礦、板石溝鐵礦等也進(jìn)行過(guò)掛幫礦的研究。掛幫礦開(kāi)采過(guò)程中，主要存在兩種問(wèn)題，一種是開(kāi)采時(shí)冒頂產(chǎn)生的沖擊地壓?jiǎn)栴}，另一種是開(kāi)采沉陷問(wèn)題［1］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于采空區(qū)頂板及圍巖的崩落過(guò)程及破壞規(guī)律以及巖體的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行過(guò)大量研究［2-4］，但是大部分是地下開(kāi)采的研究，對(duì)于掛幫礦的頂板及圍巖的破壞規(guī)律研究較少。隨著掛幫礦回采水平的下降，采空區(qū)逐漸增大，采空區(qū)頂板拉應(yīng)力及拉破壞范圍逐漸增大，露天坑邊坡沉降量和范圍也逐漸增加。因此，本研究利用MIDAS/GTS軟件，結(jié)合某礦山巖土工程地質(zhì)條件，建立三維有限元模型，分析掛幫礦頂板的應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)受掛幫礦體開(kāi)采影響的地表巖移范圍進(jìn)行圈定，從而為開(kāi)采時(shí)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)和預(yù)防以及地表巖移范圍的確定提供指導(dǎo)。

1 礦床開(kāi)采技術(shù)條件

礦區(qū)出露地層較簡(jiǎn)單，礦區(qū)發(fā)育的主要巖體為輝長(zhǎng)巖、大理巖和鐵礦體。輝長(zhǎng)巖體呈NE—SW向展布，長(zhǎng)19 km，寬2 km左右，面積約40 km2，巖體呈單斜層狀產(chǎn)出，傾向NW，傾角一般50°～60°。大理巖出露于輝長(zhǎng)巖體東南側(cè)的巖體底板，普遍變質(zhì)。礦體賦存于輝長(zhǎng)巖體中，走向近EW，傾向N，傾角50°～60°，礦體東西長(zhǎng)約750 m，南北寬約240 m。礦體平均厚度28.15 m，厚度較穩(wěn)定。礦區(qū)構(gòu)造主要有輝長(zhǎng)巖體原生層狀構(gòu)造、斷層及節(jié)理。其中F212、F213、F316、F317、F303和F304斷層對(duì)礦體穩(wěn)定性影響較大。F212、F213分布于22線以東，延長(zhǎng)2 300 m，走向N10°W，傾向E，傾角75°，破碎帶寬10～47 m，斷層破碎帶由壓碎巖、糜棱巖、角礫巖、斷層泥組成，片理發(fā)育。F316、F317分布于28線以西50～130 m，是礦區(qū)最大的一組南北向斷層，縱貫礦區(qū)西端，延長(zhǎng)4 500 m，破碎帶寬15～30 m，傾向E，傾角75°～86°，破碎帶糜棱巖、壓碎巖組成，片理、劈理發(fā)育。F303、 F304分布于22～23線，延長(zhǎng)大于800 m，破碎帶寬0.30～2.00 m，走向N7°W，傾向W，傾角80°～87°。破碎帶由糜棱巖、壓碎巖組成。

根據(jù)礦區(qū)礦體賦存條件、露天開(kāi)采設(shè)計(jì)境界及開(kāi)采現(xiàn)狀，對(duì)露天礦底部1 300 m以上掛幫礦體劃分為7個(gè)水平分段(1 300、1 320、1 340、1 360、1 380、1 400和1 420 m)進(jìn)行回采。掛幫礦體主要分布在露天礦邊坡西北部。1 300 m標(biāo)高以上掛幫礦體22.5～27.5勘探線的礦體進(jìn)路寬度為18 m，掛幫礦體27.5～28.5勘探線的礦體進(jìn)路寬度按實(shí)際布置10～30 m不等，掛幫礦體開(kāi)采順序從露天坑邊緣逐漸向里回采。采礦方法為沿走向布置和垂直走向布置礦塊的無(wú)底柱分段崩落采礦法(圖1)。

圖11 300 m分段進(jìn)路布置Fig.1 Schematic diagram of approach layout of 1 300 m sublevel

2 數(shù)值模擬分析模型

2.1 原巖應(yīng)力場(chǎng)及強(qiáng)度準(zhǔn)則

掛幫礦地處山區(qū)，淺部巖層因溝谷切割和露天坑的存在，現(xiàn)原巖應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)以重力場(chǎng)為主。則垂直應(yīng)力σv為

式中，γ為巖體容重，t/m3;H為巖體深度，m。

本次彈塑性分析中采用巖土工程界普遍采用的節(jié)理巖體通用的廣義Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則和拉破壞準(zhǔn)則［5］。

(1)廣義Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則。

式中，σ'1和σ'3為分別為破壞時(shí)的最大和最小有效應(yīng)力;σc為原巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。ɑ，mb，s由下列式子確定［6］:

GSI為節(jié)理巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);D為巖體擾動(dòng)參數(shù)，取值范圍一般為0～1，完全擾動(dòng)時(shí)為1;mi為完整巖塊的m值。擾動(dòng)過(guò)的破碎巖體的ɑ值與未擾動(dòng)的完整巖體相同。本項(xiàng)目巖體屬于完全擾動(dòng)，D=1。

(2)拉破壞準(zhǔn)則。

式中，σ為破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力;Rt為巖體的極限抗拉強(qiáng)度。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)的確定

通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，E.Hoek和M.S.Diederichs［7］利用了一種S型函數(shù)，通過(guò)擬合建立了巖體變形模量和GSI間的關(guān)系，從而確定巖體的彈性模量。根據(jù) Hoek等［8］提出的最初的Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則得到巖體的單軸抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度。由于Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則與Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則之間沒(méi)有直接的關(guān)系，通過(guò)對(duì)大量的三軸試驗(yàn)值，線性擬合得到巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力［9］。斷層的物理力學(xué)參數(shù)參考其他礦山類似條件斷層的實(shí)測(cè)參數(shù)取值。計(jì)算用參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 幾何模型的建立

模型主要模擬露天礦底部1 300 m以上掛幫體回采過(guò)程，并考慮了對(duì)回采過(guò)程影響較大的斷層F316、F317、F212、F213、F303和F304。 模型中采區(qū)的范圍為22.5～28.5勘測(cè)線，東西長(zhǎng)約760 m，南北寬約250 m，為了降低邊界效應(yīng)，模型尺寸東西長(zhǎng)1 900 m，南北寬1 800 m，模型底部高程1 100 m，地面最大高程1 678.30 m。模型底部采用全約束，4個(gè)側(cè)面采用垂直于側(cè)面的水平約束。根據(jù)數(shù)值模擬中間結(jié)果對(duì)掛幫礦體回采區(qū)頂板拉破壞區(qū)進(jìn)行了2次強(qiáng)制崩落。其中，第1次強(qiáng)制崩落區(qū)為數(shù)值模擬結(jié)果中采區(qū)西北幫頂板拉破壞區(qū)，崩落體上口標(biāo)高1 500 m;第2次強(qiáng)制崩落區(qū)為數(shù)值模擬結(jié)果中再次超過(guò)拉破壞的頂板強(qiáng)制崩落，崩落體上口標(biāo)高1 550 m。幾何模型如圖2所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1 Rock physico-mechanical parameters

圖2 幾何模型Fig.2 Geometricmodel

將覆蓋層的豎向重力及側(cè)壓力分別作用在覆蓋層底部和側(cè)壁礦巖上。礦體進(jìn)路布置按實(shí)際要求進(jìn)行確定。每一分段崩落礦體形成覆蓋層，其中1 420 m分段的強(qiáng)制崩落高度25m，覆蓋層厚度25 m，其余6個(gè)分段的強(qiáng)制崩落高度20 m，覆蓋層厚度30 m。計(jì)算中為了避開(kāi)有限元算法的弊端，采用重力的形式代替覆蓋層(覆蓋層松散系數(shù)取1.3)，共分9步驟:步驟1，計(jì)算原巖應(yīng)力場(chǎng);步驟2，初始崩落面積為600 m2;步驟3，1 420 m分段回采，頂板的暴露面積為32 360 m2;步驟4，1 400 m分段回采，頂板的暴露面積為33 560 m2;步驟5，1 380 m分段回采，頂板的暴露面積為36 230 m2;步驟6，1 360 m分段回采，頂板的暴露面積為53 520 m2;步驟7，1 340 m分段回采，頂板的暴露面積為54 520 m2;步驟8，1 320 m分段回采，頂板的暴露面積為70 320 m2;步驟9，1 300 m分段回采，頂板的暴露面積為103 280 m2。同一水平相鄰回采進(jìn)路超前20 m，形成20 m的回采臺(tái)階，同時(shí)上一分段相對(duì)下一分段亦超前20 m，在豎向相鄰分段間亦形成20 m的回采臺(tái)階。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拉應(yīng)力及拉破壞變化規(guī)律

3.1.1 露天坑西北幫崩落區(qū)頂板拉應(yīng)力值及應(yīng)力區(qū)域

露天采礦結(jié)束后，因露天采礦、地形及斷層多種因素的影響，在露天坑四周邊坡出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)。拉應(yīng)力區(qū)主要分布在露天坑西北幫邊坡，拉應(yīng)力由坡面向下逐漸減小，其拉應(yīng)力最大值約1.2 MPa，距地表最大深度約12 m，拉應(yīng)力分布面積約為150 100 m2。為了便于分析，將崩落區(qū)以上的邊坡視為老頂，且沿崩落區(qū)頂板設(shè)置2個(gè)剖面。Ⅰ－Ⅰ剖面位于27.5勘測(cè)線，南北向設(shè)置;Ⅱ－Ⅱ剖面距斷層F316和F317東部邊界20m，南北向設(shè)置。當(dāng)掛幫礦體直接頂暴露面積達(dá)18 100 m2時(shí)，老頂達(dá)到極限拉應(yīng)力值(1.98 MPa)破壞;1 420 m分段回采結(jié)束時(shí)，老頂與直接頂已形成貫通的拉應(yīng)力區(qū)，頂板最高處約55 m。老頂拉破壞區(qū)面積為16 470 m2，且破壞區(qū)水平方向近似橢圓向空區(qū)和斷層一側(cè)擴(kuò)展(圖3(a))，豎直方向近似拋物線向南北兩側(cè)擴(kuò)展，且1 420 m的豎直開(kāi)采邊界線的延長(zhǎng)線幾乎通過(guò)拋物線的頂點(diǎn)，說(shuō)明此處老頂?shù)钠茐念愃朴趹冶哿旱亩瞬科茐?圖3 (c));直接頂暴露面積為32 360 m2，西采區(qū)F316斷層附近直接頂出現(xiàn)拉破壞區(qū)(圖3(e))?？紤]到?jīng)_擊地壓的影響和巷道回采工作的安全，對(duì)采區(qū)西北幫邊坡拉破壞范圍內(nèi)懸體進(jìn)行第1次強(qiáng)制崩落，崩落范圍依據(jù)露天坑邊坡拉破壞范圍來(lái)確定。第1次強(qiáng)制崩落后老頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降為1.5 MPa。1 380 m分段回采結(jié)束時(shí)，直接頂?shù)谋┞睹娣e達(dá)36 230 m2，西北幫老頂再次出現(xiàn)拉破壞區(qū)，拉破壞區(qū)的面積達(dá)10 800 m2，最高處約105 m。對(duì)西北幫老頂拉破壞區(qū)進(jìn)行第2次強(qiáng)制崩落。第2次強(qiáng)制崩落后老頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降為1.5 MPa，最大拉應(yīng)力區(qū)靠近斷層F316和F317(圖3(b))。且豎直方向，破壞區(qū)近似拋物線向南北兩側(cè)擴(kuò)展(圖3(d)、(f))。1 300 m分段以上掛幫礦體全部回采后，直接頂暴露面積達(dá)103 280 m2，老頂拉破壞區(qū)面積達(dá)54 400 m2。直接頂沒(méi)有出現(xiàn)拉破壞，最大拉應(yīng)力值為1.7 MPa。

圖3 強(qiáng)制崩落前后頂板拉應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 The tension stress state of roof before and after caving forced ly

3.1.2 直接頂板暴露面積對(duì)老頂及直接頂拉應(yīng)力及拉破壞區(qū)面積的影響

由圖4可以看出，老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力以及老頂拉破壞區(qū)的面積隨頂板暴露面積增大而顯著增大，而直接頂拉破壞區(qū)面積受暴露面積的影響較小。由老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力面積及拉破壞面積變化曲線可以看出，2次強(qiáng)制崩落后，老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力及拉破壞面積擴(kuò)展速度明顯小于強(qiáng)制崩落前的擴(kuò)展速度。對(duì)比曲線1和曲線3，曲線1的斜率明顯大于曲線3的斜率，說(shuō)明老頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度明顯大于直接頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度。隨著回采水平的下降，老頂可能會(huì)大面積的處于拉應(yīng)力集中狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到拉應(yīng)力極值時(shí)，會(huì)大面積的發(fā)生拉破壞。對(duì)比曲線2和曲線4，可以看出老頂先發(fā)生破壞，一旦老頂發(fā)生破壞，破壞區(qū)的面積會(huì)迅速擴(kuò)展。而對(duì)于直接頂破壞區(qū)的面積，破壞比較緩慢，并且破壞的范圍較小。

3.2 塑性區(qū)變化規(guī)律

由圖5(a)可知，1 420 m分段回采結(jié)束時(shí)，露天坑北部老頂出現(xiàn)塑性變形，該塑性區(qū)位于27.5～28勘測(cè)線之間，高程為1 465～1 485 m，與最早出現(xiàn)拉破壞的位置基本一致，該處的老頂破壞形式呈現(xiàn)拉－塑復(fù)合破壞。塑性區(qū)范圍主體上向斷層方向迅速擴(kuò)展。受斷層的影響，回采過(guò)程中4條斷層及相鄰局部巖帶均出現(xiàn)塑性區(qū)，且斷層基本沿?cái)鄬幼呦蚍较蜓杆贁U(kuò)展，破壞區(qū)基本從地表延伸至回采分段。由圖5 (b)可知，2次崩落后，1 300 m分段回采結(jié)束時(shí)，地表總塑性破壞區(qū)約為28 150 m2，其中，老頂?shù)乇硭苄詤^(qū)的范圍達(dá)到約2 670 m2;F316、F317斷層附近塑性區(qū)達(dá)到約21 410 m2;F212、F213斷層附近塑性區(qū)達(dá)到約4 070 m2;直接頂未見(jiàn)塑性區(qū)。

圖4 老頂及直接頂拉應(yīng)力、拉破壞區(qū)面積與直接頂暴露面積關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between tension stress and failures area and roof exposed areas

3.3 巖層移動(dòng)角的確定

用數(shù)值方法計(jì)算移動(dòng)角，移動(dòng)邊界點(diǎn)的確定根據(jù)地表各點(diǎn)位移變化規(guī)律、拉應(yīng)力變化規(guī)律、塑性的變化變化規(guī)律來(lái)界定。并結(jié)合工程類比法綜合確定移動(dòng)角。計(jì)算結(jié)果表明，隨著掛幫礦的逐漸開(kāi)采，北幫老頂位移變化較大。圖6是分別沿崩落區(qū)老頂東西向和南北向的測(cè)點(diǎn)布置圖和各分段開(kāi)采完畢時(shí)地表的總位移圖。

由圖6(a)、圖6(b)可知，1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)總位移曲線變化比較平緩，4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷層F316的邊緣。由于斷層的影響，隨著掛幫礦回采的進(jìn)行，地表沉陷急劇增大，最大豎向位移達(dá)到約0.14 cm，總位移達(dá)到約0.15 cm(圖6(b)中的5號(hào)測(cè)點(diǎn))。結(jié)合以上分析地表移動(dòng)點(diǎn)取靠近斷層的4號(hào)測(cè)點(diǎn)。由圖6(c)、圖6(d)可知，1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)總位移變化曲線較緩，隨后曲線逐漸陡峭，最大總位移達(dá)到約0.096 cm。因此選取4號(hào)測(cè)點(diǎn)為地表的移動(dòng)點(diǎn)。

圖5 崩落前后塑性破壞區(qū)分布Fig.5 The distribution map of p lastic failure zone before and after caving forcedly

此外，對(duì)于地表移動(dòng)點(diǎn)的確定，對(duì)于礦體上下盤，i、k、ε三者任一指標(biāo)達(dá)到其臨界值i=3 mm/m，K= 0.2×10－3m，ε=2 mm/m，則該點(diǎn)為地表破壞點(diǎn)［10］。

通過(guò)計(jì)算，對(duì)于東西向 4號(hào)測(cè)點(diǎn)，i=6.91 mm/m，k=0.34×10－3m，ε=11.45 mm/m;對(duì)于南北向的4號(hào)測(cè)點(diǎn)，i=3.34 mm/m，k=0.33×10－3m。因此，2測(cè)點(diǎn)均滿足規(guī)范的破壞要求，連接所選測(cè)點(diǎn)與1 300 m分段開(kāi)采完畢后礦體最終開(kāi)采面最底端點(diǎn)的連線，該連線與水平方向的夾角即為巖層移動(dòng)角。通過(guò)以上分析，北幫老頂東西向移動(dòng)角為75°，南北向移動(dòng)角為62°。結(jié)合模型的拉破壞與塑性破壞區(qū)域，北幫老頂經(jīng)過(guò)數(shù)值方法確定的移動(dòng)角為62°～70°。根據(jù)工程類比法確定礦體上盤移動(dòng)角取為65.7°。最終北幫老頂移動(dòng)角取平均值66°。

4 結(jié)論

(1)老頂先于直接頂發(fā)生拉破壞。老頂拉破壞區(qū)強(qiáng)制崩落后，最大拉應(yīng)力降為1.5 MPa。1 300 m分段以上掛幫礦體全部回采后，直接頂暴露面積達(dá)103 280 m2，老頂拉破壞區(qū)面積達(dá)54 400 m2。直接頂沒(méi)有出現(xiàn)拉破壞，最大拉應(yīng)力值為1.7 MPa。

(2)老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力以及老頂拉破壞區(qū)的面積隨頂板暴露面積增大而顯著增大，而直接頂拉破壞區(qū)面積受暴露面積的影響較小。老頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度明顯大于直接頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度。隨著回采水平的下降，老頂可能會(huì)大面積發(fā)生拉破壞，需做好監(jiān)測(cè)及預(yù)防工作;而對(duì)于直接頂破壞區(qū)的面積，破壞比較緩慢，并且破壞的范圍較小，有利于巷道的支護(hù)以及開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖及總位移圖Fig.6 The diagram of arrangement and total displacement ofmeasuring point

(3)露天坑北幫老頂出現(xiàn)拉－塑復(fù)合破壞。塑性破壞區(qū)范圍主體上向斷層方向迅速擴(kuò)展。且斷層基本沿?cái)鄬幼呦蚍较蜓杆贁U(kuò)展，破壞區(qū)基本從地表延伸至回采分段。1 300 m分段回采結(jié)束時(shí)，地表塑性破壞區(qū)約為28 150 m2。

(4)露天坑北幫頂板經(jīng)過(guò)數(shù)值方法確定的移動(dòng)角為62°～70°。根據(jù)類比法確定礦體上盤移動(dòng)角為65.7°，最終取66°。

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