劉彥超 陳 軻 蔡嗣經(jīng) 黃 剛 劉發(fā)平

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山 243184)

白象山鐵礦河床下開(kāi)采地表沉降數(shù)值模擬分析

劉彥超1陳 軻2蔡嗣經(jīng)1黃 剛1劉發(fā)平2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山 243184)

針對(duì)設(shè)計(jì)采用嗣后充填采礦法的白象山鐵礦的主礦體位于青山河床下的狀況，為了保障礦山安全生產(chǎn)，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)礦體、圍巖及斷層進(jìn)行建模，對(duì)斷層采用巖體弱化的方法建立模型，對(duì)于重點(diǎn)研究的地表和對(duì)結(jié)果有影響的斷層進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格的劃分，并依據(jù)設(shè)計(jì)的連續(xù)傾斜進(jìn)路尾砂充填法對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)采與充填，分析地表沉降情況。通過(guò)計(jì)算分析，確定了位于地表河流中部即橫坐標(biāo)為400 m處的最大沉降值0.23 m。根據(jù)模擬結(jié)果，提出了對(duì)存在安全隱患的斷層注漿加固的處理方法。經(jīng)過(guò)再次運(yùn)算得出最大沉降值減小到0.15 m，研究結(jié)果驗(yàn)證了采礦方法的安全可行性與注漿加固方法的安全有效性。

充填法采礦 數(shù)值模擬 地表沉降 注漿加固

隨著上世紀(jì)我國(guó)由工業(yè)帶動(dòng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼鐵行業(yè)發(fā)展尤為迅猛，同時(shí)帶動(dòng)鐵礦資源的開(kāi)采熱潮。露天礦、富礦等易采礦體現(xiàn)今已經(jīng)基本開(kāi)采殆盡，一些難采礦體逐漸列為開(kāi)采目標(biāo)。在這些復(fù)雜難采礦體中時(shí)常伴隨復(fù)雜的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，多為水下礦體、圍巖極破碎的礦體、斷層等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦體等。白象山鐵礦即為水下礦，且礦體距離斷層較近。導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育[1]，同時(shí)對(duì)采動(dòng)巖體移動(dòng)也具有明顯的斷層效應(yīng)[2]。工作面開(kāi)采會(huì)引起區(qū)域內(nèi)斷層位移的變化，造成斷層的滑移失穩(wěn)[3-4]；改變斷層附近應(yīng)力場(chǎng)分布，引起斷層的“活化”[5-8]，并進(jìn)一步引發(fā)礦井災(zāi)害、塌陷與突水[9]事故。大規(guī)模進(jìn)行含有斷層的水下開(kāi)采與存在的安全問(wèn)題是礦山需要解決的首要問(wèn)題，也是高效回采的前提?；谝陨犀F(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬的方法可以較真實(shí)、快速地模擬預(yù)測(cè)實(shí)際開(kāi)采中的地表沉降[10]，為后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)和建議。

1 礦區(qū)工程與水文地質(zhì)

白象山鐵礦礦床內(nèi)共圈定礦體11個(gè)，其中Ⅰ號(hào)礦體為主礦體，地質(zhì)儲(chǔ)量約占礦床總儲(chǔ)量的98.9%。主礦體賦存在閃長(zhǎng)巖與砂頁(yè)巖接觸帶的內(nèi)帶。礦體沿走向最大延長(zhǎng)1 780 m，一般為16 30 m，橫向最大延伸1 130 m，一般為950 m，礦體厚度變化較大，從2.22～121.72 m，一般在5～40 m，平均34.41 m。少數(shù)地段礦體連續(xù)厚度達(dá)60～70 m，全區(qū)礦體最厚大部位在2～7線西部正接觸帶，其次在4～1線中部閃長(zhǎng)巖體內(nèi)。

F2斷層走向NNW，長(zhǎng)度大于5 000 m，傾向西，傾角70°～80°，破碎帶寬5～20 m，斷距50～150 m，主要由黃馬青組砂頁(yè)巖角礫組成，被閃長(zhǎng)巖、硅質(zhì)與鐵質(zhì)所膠結(jié)，裂隙較發(fā)育，有效裂隙率1.13%，該斷裂帶富水性中等。

F5斷層總體走向30°左右延長(zhǎng)2 500 m以上，延深至500 m以下，傾向南東，傾角80°，斷層破碎帶主要為正長(zhǎng)細(xì)晶巖，沿?cái)鄬幼呦蚵杂袕澢兓?，并有膨縮現(xiàn)象，破碎帶寬5～10 m，破碎帶最大部分15～20 m，推測(cè)為導(dǎo)水?dāng)嗔选?/p>

2 礦體計(jì)算模型的建立

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)開(kāi)采的礦體為位于河床下方的主礦體即Ⅰ號(hào)礦體。選取位于河流范圍內(nèi)的1、3、5、7、9號(hào)勘探線剖面建立計(jì)算的物理模型?？紤]到開(kāi)采的邊界效應(yīng)，建模范圍較實(shí)際開(kāi)采范圍大。網(wǎng)格劃分考慮到各種巖層的不規(guī)則、地表河流等因素，選取重點(diǎn)研究范圍細(xì)化網(wǎng)格，如礦體、河流下的地表。所建物理模型尺寸長(zhǎng)寬高為1 300 m×400 m×700 m，共有17 888個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)共有21 255個(gè)。從上到下模型依次為河下強(qiáng)富水砂巖、角巖化砂巖、斷層、鐵礦體、閃長(zhǎng)巖。并對(duì)地表河床上的重點(diǎn)區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別是位于河流邊界的2#、3#、4#、8#、9#、10#點(diǎn)和位于河流中部的5#、6#、7#點(diǎn)。礦體與圍巖的三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型

2.2 邊界處理

依據(jù)礦山實(shí)際工程與水文地質(zhì)情況，滲流巖體模擬的假設(shè)條件設(shè)定如下。

(1)巖體為多孔介質(zhì)，流體在裂隙介質(zhì)中滿足Biot方程。

(2)不考慮巖石壓縮性。

(3)開(kāi)挖前，斷層破碎帶含水，設(shè)定飽和度為1。

(4)開(kāi)挖前，閃長(zhǎng)巖近似隔水。

(5)斷層破碎帶內(nèi)巖體為同一種均質(zhì)各向同性的彈塑性材料。

(6)不考慮地下水對(duì)巖石的水化學(xué)作用。

除以上滲流巖體模擬的假設(shè)條件，模型力學(xué)邊界條件為：模型的左右邊界采用水平約束；模型底部為固定約束；模型頂部壓力簡(jiǎn)化為等效荷載：作用于模型頂部邊界上鉛直方向荷載為模型上部32 m厚的水體與巖體自重壓力，上覆水壓力

q=-∑ρhig,

(1)

式中，q為上覆水壓力，Pa；ρ為水的密度，kg/m3；hi為水體深度，m；g為重力加速度，N/kg。

整個(gè)模型施加上覆水壓力與巖體自重壓力的等效荷載分別為-0.32MPa、-0.864MPa(模型中負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力)。

2.3 物理參數(shù)

本次數(shù)值模擬參數(shù)的選取根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的巖塊在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)所得，并進(jìn)行類比折減得出巖體的力學(xué)參數(shù)。其中，巖體流體力學(xué)參數(shù)中的滲透系數(shù)由抽水試驗(yàn)確定，孔隙率是由裂隙率轉(zhuǎn)化而來(lái)；充填體物理力學(xué)參數(shù)參考其他類似礦山選取，巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，巖體和水的流體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 流體力學(xué)參數(shù)

表3 水的參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

依據(jù)礦山的采礦方法，對(duì)模型進(jìn)行模擬開(kāi)采與充填。在斷層未進(jìn)行加固時(shí)，開(kāi)采所引起的地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降情況如圖2所示。

圖2 斷層加固前地表各點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)曲線

由圖2 可知河流邊界處沉降值最小，最大沉降值0.23 m位于河流中部，即F2斷層的影響范圍內(nèi)。由于F2斷層傾角較大，F(xiàn)5斷層基本處于豎直狀態(tài)，而且開(kāi)采的礦體靠近并位于F2斷層的下方，所以F2斷層比F5斷層對(duì)地表沉降影響更大一些。9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近計(jì)劃開(kāi)采礦體的中部，所以該點(diǎn)最大沉降值大于位于模型邊界的3#點(diǎn)的最大沉降值。

由于斷層、節(jié)理等地質(zhì)結(jié)構(gòu)為地表沉降提供了基礎(chǔ)[11]，在斷層未處理時(shí)河流下地表沉降較大，存在很大的安全隱患。因此，對(duì)F2斷層及F5斷層位于礦體上部對(duì)地表沉降影響較大的部分進(jìn)行注漿。由《礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)》[12]中的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出注漿后的彈性模量以及黏聚力都翻倍。應(yīng)用《FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例第二版》[13]中的換算公式

(2)

(3)

式中，K為體積模量，Pa；G為剪切模量，Pa；E為楊氏模量，Pa；μ為泊松比。

由以上公式計(jì)算得出注漿加固后的斷層參數(shù)如表4所示。

表4 注漿斷層物理力學(xué)參數(shù)

斷層注漿加固后的流體參數(shù)基本不變，孔隙率由原來(lái)的0.6變?yōu)?.3。

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)再次對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，得出地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降如圖3所示。

圖3 斷層加固后地表各點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)曲線

圖3中河流邊界處沉降相對(duì)較小，最大沉降0.15 m位于河流中部。除3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于模型邊界處，所以其最大沉降在斷層加固前后沒(méi)有很大變化外，6#與9#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在斷層加固后最大沉降值明顯減小。

基于以上數(shù)據(jù)，對(duì)斷層注漿加固前后的地表沉降情況進(jìn)行對(duì)比分析，河流中部6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在斷層注漿加固前后的地表沉降情況如圖4所示。

圖4 斷層注漿加固前后地表6點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)曲線

由圖4可知在斷層加固前開(kāi)采引起的地表最大豎向位移達(dá)0.23 m，而斷層加固后地表沉降最大值為0.15 m。河流中部最大沉降減小了8 cm。模擬計(jì)算得出在實(shí)際生產(chǎn)中要注意對(duì)斷層的加固，避免較大的沉降導(dǎo)致的塌陷、透水等事故的發(fā)生，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)有著很好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

(1)模型網(wǎng)格的劃分和巖體物理參數(shù)的選取對(duì)模擬結(jié)果的精確度有著很大的影響，越細(xì)密地劃分網(wǎng)格得到的計(jì)算結(jié)果越真實(shí)可靠，但是會(huì)使計(jì)算時(shí)間成倍增長(zhǎng)。所以一定程度地細(xì)化網(wǎng)格可以更接近真實(shí)的沉降情況，同時(shí)可以使計(jì)算時(shí)間更加合理。

(2)采用連續(xù)傾斜進(jìn)路尾砂充填法可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)圍巖起到一定程度的支撐作用。可以滿足地表不嚴(yán)重塌陷、井下不突水的要求。

(3)斷層距離礦體較近，位于開(kāi)采擾動(dòng)范圍內(nèi)。開(kāi)采礦體會(huì)引起斷層的滑移錯(cuò)動(dòng)，對(duì)地表沉降有很大的影響。對(duì)影響較大的斷層部分進(jìn)行注漿加固，可以使斷層與圍巖形成整體，使圍巖應(yīng)力重新分布，增加圍巖斷層整體穩(wěn)定性，減小地表沉降。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Numerical Simulation Analysis of Ground Surface Subsidence During Mining of Baixiangshan Iron Mine under a Riverbed

Liu Yanchao1Chen Ke2Cai Sijing1Huang Gang1Liu Faping2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Gushan Mining Company，Magang (Group) Holding Company Ltd.，Maanshan 243184，China)

In view of the main orebody of Baixiangshan iron mine is located under Qingshan river.In order to guarantee the safe mining，the numerical simulation method is used to build model of the ore body，surrounding rocks and faults.Faults model is built with rock weakening method.The surface and the faults with large influence are meshed，and then the caving and filling on the model are made by the continuously inclined drift stoping method with tailings backfilling to analyze the situation of surface subsidence.Through analysis and calculation，the maximum settlement value at the central river with the X-coordinate 400m is determined to be 0.23 m.According to the simulation results，an approach for grouting reinforcement of faults in risks was proposed.Through the calculation，the maximum settlement value is reduced to 0.15 m.The results verify the feasibility and safety of mining methods and the safety effectiveness of the grouting reinforcement method.

Mining with backfill，Numerical simulation，Surface subsidence，Grouting reinforcement

2014-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204100)。

劉彥超(1990—)，男，碩士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-11-054-04