陶峰 TAO Feng；陳俊智 CHEN Jun-zhi

（昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

采空區(qū)是礦山開采活動中最典型的地質(zhì)災害源之一，隨著礦體的開挖，礦山采空區(qū)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷的增大，而這將誘發(fā)眾多的礦山地質(zhì)災害和生態(tài)環(huán)境問題，例如地面的開裂、沉陷、滑坡、地下水位下降、采空區(qū)突水等等。近些年來，隨著我國礦產(chǎn)資源開發(fā)強度的不斷增大，以及開采難度的增加，由于空區(qū)上覆巖層失穩(wěn)造成的礦山災害日益增多，也越來越引發(fā)人們的關注。

對采空區(qū)覆巖移動和破壞規(guī)律的研究主要有：現(xiàn)場實測監(jiān)控法、理論分析法、相似材料模擬法和數(shù)值模擬法。3D-σ數(shù)值模擬軟件，是基于最小總勢能變分原理，能方便的處理各種線性問題，模擬各種巖土工程中復雜的施工過程。而且它具有強大的前處理和后處理能力，快速建模及分析結果的可視化使其具有相當廣泛的使用基礎。

1 工程概況

該礦山以原生菱鐵礦為主，礦體埋藏標高在1270m～1690m，頂?shù)装寰鶠闂l帶狀含鐵質(zhì)灰?guī)r。礦山目前1580～1690的礦體以基本開采完畢，根據(jù)前期采空區(qū)的調(diào)查，目前采空區(qū)的暴露面積已經(jīng)達到了16.2萬平方米，暴露空間大約142萬立方米。由于采空區(qū)暴露面積巨大，造成的上覆巖層破壞和地表沉陷嚴重影響了深部礦體的開采，因此應注意在繼續(xù)開采中對采空區(qū)上覆巖層造成的影響和擾動。

2 數(shù)值模擬

2.1 力學參數(shù) 通過前期的礦山節(jié)理裂隙調(diào)查、室內(nèi)試驗室試驗并經(jīng)過相應的參數(shù)折減，得到建立模型所需要的力學參數(shù)如表1。

表1 巖體力學參數(shù)

2.2 建立模型 在巖體破壞分析中，采用莫爾—庫侖塑性破壞準則。此破壞準則是所有可能屈服面的內(nèi)極限面，在工程上采用此屈服準則是偏于安全的。計算域邊界采取位移約束，地應力根據(jù)彈性力學計算公式λ=μ/（1-μ）作為為基本計算方案。

根據(jù)礦山實際形態(tài)及斷面圖，建立三維模型，模型長×寬×高為：1200m×2650m×550m。模型共計 274857個節(jié)點，64672個20節(jié)點三維等參元單元。單元網(wǎng)格劃分圖見圖1。

圖1 三維有限元計算機模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 已采區(qū)域模擬

2.3.1 原始模型計算結果 該模擬過程不進行任何的開挖過程，只給所構建的模型施加自重應力和構造應力，在整個模型中形成應力場（如圖2），為后續(xù)的開挖奠定基礎。最大主應力從模型的頂部向下依次增大，最大主應力線呈水平狀態(tài)，但在礦體所在位置，由于礦巖參數(shù)不同，在該處發(fā)生一定的應力集中現(xiàn)象，最大主應力為-6.0206MPa，地表無明顯沉陷。

圖2 原始礦山最大主應力等值線分布圖

2.3.2 回采1580中段時采空區(qū)穩(wěn)定性分析 結合礦山開采的實際情況，此步驟是將礦體開挖至與目前階段相一致的1580中段。從模擬結果來看，礦體開挖至1580中段后，受采動影響，空區(qū)覆巖發(fā)生了應力和位移的重新分布。其中最大主應力值增至19.032MPa，地表沉陷最大增加至1.180m，處于相對穩(wěn)定安全的狀態(tài)。這與礦山現(xiàn)場的情況比較吻合，為后續(xù)的開采模擬奠定了基礎。

2.4 1556-1580分段崩落法開采模擬

①1568-1580分段開采：此分段開采完畢后，上覆巖層受開采影響明顯，北部礦體上覆巖層最大主應力增至35.936MPa，地面沉陷增加到3.253m；南部分別為21.754MPa和2.891m。

②1556-1568分段開采：該分段模擬開采之后，巖層進一步破壞，地表下沉值也相應增加，其最大值分別達到了44.409MPa和5.444m。

以下列出礦體開挖過程中-2#、3#和15#勘探線附近最大主應力和最大處置位移的變化情況。見圖3-圖5。

圖3 -2#勘探線附近覆巖變化情況

3 結論

根據(jù)礦山的節(jié)理裂隙調(diào)查、室內(nèi)力學試驗以及相應的參數(shù)折減確定了礦山的基本力學參數(shù)。利用有限元模擬軟件，并參照礦體的斷面圖和相應地形圖建立了礦山3D模型。根據(jù)礦山的實際開采情況和生產(chǎn)計劃，分別對1580中段、1568-1580分段和1556-1568分段進行了開采模擬，得到其相應的上覆巖層的最大主應力以及地表下沉變化情況。在采空區(qū)下對急傾斜礦體進行逐步開采，會導致上覆巖層的持續(xù)破壞和地表下沉值的不斷增大，因此需要在采空區(qū)預留足夠強度和數(shù)量的頂間柱，并采取合適的開采計劃，以保證礦山的安全回采。

圖4 3#勘探線附近覆巖變化情況

圖5 15#勘探線附近覆巖變化情況

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