康偉權(quán)， 袁海平，2， 吳賢振， 劉建偉， 尹麗冰

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引 言

對(duì)于地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山，地采遺留下的隱伏采空區(qū)是露天開采工作的重大隱患[1]，為了保證礦山持續(xù)發(fā)展和安全[2]開采，找出露采平臺(tái)安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度之間的規(guī)律[3]愈發(fā)重要，尤其對(duì)于危險(xiǎn)采空區(qū)，難以實(shí)行地下實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)[4]，數(shù)值模擬[5]可作為分析露采平臺(tái)安全厚度的一種有效手段.薛濤等[6]從應(yīng)力和位移多角度，考慮空區(qū)與相鄰空區(qū)相互之間的影響作用，分析開采境界下空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài)；李地元等[7]綜合采用結(jié)構(gòu)力學(xué)梁法、魯佩涅依特理論估算法等多種方法計(jì)算，并對(duì)理論計(jì)算結(jié)果和三維數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出露采平臺(tái)安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，等等[8].國(guó)內(nèi)外對(duì)于露采平臺(tái)安全厚度與隱伏采空區(qū)[9]跨度關(guān)系的相關(guān)研究并不多，了解隱伏空區(qū)跨度與露采平臺(tái)安全厚度的關(guān)系對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義.

以珠江某鎢鉬礦為例，運(yùn)用FLAC3D軟件[10]進(jìn)行數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，得出露采平臺(tái)臨界安全厚度隱伏空區(qū)跨度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了采空區(qū)跨度與露采平臺(tái)安全厚度對(duì)應(yīng)線性擬合關(guān)系.

1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

礦區(qū)內(nèi)的巖體主要是在燕山旋回早期第2階段第3次巖漿侵入形成的花崗巖，巖性多為中細(xì)粒白云母花崗巖及少量黑云母花崗巖，成為鎢、鉬、鉍、鈹、鉭、鈮等有色金屬和稀有金屬礦床的成礦母巖.根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試與分析結(jié)果，可獲得典型巖樣物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，擬取用5種巖體不同的抗拉強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，如表1所示.

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

圖1 模型計(jì)算域選取

根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，選擇數(shù)值計(jì)算模型[11]區(qū)域范圍，如圖1所示.網(wǎng)格劃分采用四面體單元[12].為便于找出隱伏空區(qū)幾何參數(shù)與露采平臺(tái)厚度關(guān)系規(guī)律，計(jì)算模型略作簡(jiǎn)化.如圖2所示，模型四面體單元數(shù)為472 635個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)80 551個(gè).模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束.

圖2 整體模型切割后的計(jì)算模型

2.2 方案設(shè)計(jì)

一般情況下完整頂板其破壞方式有拉伸破壞和剪切破壞2種.由于巖體抗拉強(qiáng)度很低，一般會(huì)先發(fā)生拉伸破壞，然后拉裂隙擴(kuò)展并與地表貫通而后發(fā)生沖剪破壞[13-15].實(shí)際空區(qū)形狀很不規(guī)整，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里將采空區(qū)視為矩形洞室進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)計(jì)算方案如表2所示.

表2 計(jì)算方案參數(shù)表

由于鉆孔設(shè)備、運(yùn)輸汽車、人員及輔助設(shè)備等外部荷載的存在，采空區(qū)中央上部平臺(tái)載入合計(jì)0.5 MPa荷載，以摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度理論準(zhǔn)則[16]為數(shù)值模擬計(jì)算的本構(gòu)模型，依據(jù)巖體的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)頂板安全狀況進(jìn)行判別.觀測(cè)和采集模型中破壞區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù).

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 空區(qū)頂板應(yīng)力和位移分析

（1）主應(yīng)力分布規(guī)律.限于篇幅原因，僅將方案6各步驟結(jié)果示列如下.如圖3所示給出了方案6各開挖進(jìn)度完成后的最大與最小主應(yīng)力σ1，σ3分布情況.從模擬結(jié)果看出，主應(yīng)力場(chǎng)具有以下特征：①空區(qū)形成后，與周圍環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)比較，附近圍巖應(yīng)力釋放明顯.在空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中區(qū)，且隨著采空區(qū)高度的增加，頂板的拉應(yīng)力逐漸增大，頂板拉應(yīng)力大部分位于頂板中間附近.各開采步所形成空區(qū)都具有這種規(guī)律性；②空區(qū)頂板中央形成圓弧狀的應(yīng)力等值線拱，靠近頂板中央為拉應(yīng)力，往上等值線拱徑逐漸變大，拉應(yīng)力減小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力.

圖3 方案6各開采步完成后的最大與最小主應(yīng)力分布情況

（2）剪應(yīng)力分布規(guī)律.在空區(qū)周邊產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，所不同的是最大應(yīng)力集中區(qū)域不是分布在頂部或側(cè)壁的中央，而是在空區(qū)的4個(gè)隅角處.在空區(qū)的右上角和左下角為正剪應(yīng)力集中，左上角和右下角為負(fù)剪應(yīng)力集中.

（3）圍巖變形與位移特征.空區(qū)變形隨空區(qū)空間的增大而不斷加劇，甚至出現(xiàn)頂板冒落.分布特征為：空區(qū)周邊圍巖的位移最大，往外距離空區(qū)邊界越遠(yuǎn)，圍巖位移就越小，且頂部圍巖位移比底部的要大得多，圍巖移動(dòng)方向均指向空區(qū).

3.2 露采平臺(tái)安全厚度與隱伏空區(qū)跨度關(guān)系分析

一般來(lái)說(shuō)，隱伏采空區(qū)上覆巖體的破壞方式主要有2種：一種為在上部荷載作用下頂板兩端圍巖產(chǎn)生大變形導(dǎo)致上部覆巖發(fā)生剪切破壞，頂板整體滑落；一種為頂板中央產(chǎn)生拉應(yīng)力超出巖體抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)冒頂、累積性破壞最后發(fā)展到地表形成大面積塌陷.根據(jù)模擬結(jié)果，采空區(qū)頂板破壞方式起決定性作用的是拉伸破壞．方案6各開采步圍巖的拉伸不安全度等值云圖如圖4所示．

圖4 方案6各開采步拉伸不安全度等值云圖

拉伸不安全度是指巖體的拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值乘以儲(chǔ)備安全度，用Ft表示．當(dāng)Ft＞1時(shí)，露采平臺(tái)將發(fā)生破壞；當(dāng)Ft＜1時(shí)，露采平臺(tái)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)Ft=1時(shí)，露采平臺(tái)處于臨界狀態(tài)．各方案結(jié)果如表3所示．

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算，地下空區(qū)儲(chǔ)備安全度取值2．0時(shí)，分別對(duì)6種方案用線性插值法求出Ft=1時(shí)，對(duì)應(yīng)露采平臺(tái)的臨界安全厚度值和空區(qū)跨度值，5組數(shù)據(jù)6種方案的線性回歸函數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示．

表3 各計(jì)算方案結(jié)果

圖5 露采平臺(tái)臨界安全厚度與隱伏空區(qū)跨度的關(guān)系

露采平臺(tái)的臨界安全厚度值與隱伏空區(qū)跨度及抗拉強(qiáng)度的線性回歸函數(shù)如式（1）所示．

式（1）中：x為隱伏采空區(qū)跨度，m；y為露采平臺(tái)臨界安全安度，m；σc為巖體抗拉強(qiáng)度，MPa．

由此，可以得出露天平臺(tái)安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度及抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，如式（2）所示．

式（2）中，D表示露采平臺(tái)安全厚度，m．

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)礦山地下轉(zhuǎn)露天開采生產(chǎn)中存在隱伏采空區(qū)的安全隱患問題，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，提出了露采平臺(tái)安全厚度與空區(qū)跨度關(guān)系的線性擬合公式，為類似巖性和生產(chǎn)條件礦山的采礦工作提供借鑒意義.

（2）由于礦山現(xiàn)場(chǎng)存在地下水、雨水、自然風(fēng)化等不確定因素，會(huì)使巖石的各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度有所減弱，對(duì)研究結(jié)果造成一定的影響；同時(shí)論文僅做了靜荷載分析，對(duì)于動(dòng)態(tài)荷載作用（如爆破震動(dòng)）未進(jìn)行分析，需要在今后的工作中深入研究.

[1]Cooley T.Geological and geotechnical context of cover collapseand subsidence in mid-continent US clay-mantled karst[J].Environmental Geology，2002，42：469-475.

[2]Stump D.Minimizing the adverse impacts of surface coal mining on the environment[J].World Water&Environmental Resources Congress，2003（6）： 1-9.

[3]Swift G M，Reddish D J.Stability problems associated with an abandoned ironstone mine[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2002， 61（3）： 227-239.

[4]劉希靈，李夕兵，宮鳳強(qiáng)，等．露天開采臺(tái)階面下伏空區(qū)安全隔離層厚度及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（1）：3357-3362．

[5]Singh G S P，Singh U K，Murthy V M S R.Application of numerical modeling for strata control in mines[J].Geotech Geol Eng，2010， 28： 513-524．

[6]薛濤，李夕兵，周士霖，等．露天礦開采境界內(nèi)下部復(fù)雜隱伏采空區(qū)上部穩(wěn)定性研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（2）：29-31．

[7]李地元，李夕兵，趙國(guó)彥．露天開采下地下采空區(qū)頂板安全厚度的確定[J]．露天采礦技術(shù)，2005（5）：17-20．

[8]張敏思，朱萬(wàn)成，侯召松，等．空區(qū)頂板安全厚度和臨界跨度確定的數(shù)值模擬[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（4）：543-548．

[9]Niehoff J.The use of geophysical methods to detect abandoned mine workings[C]//James W，Niehoff J.The progress of geological and geotechnical engineering in colorado at the cusp of a new decade.Lakewood：ASCE，2010：119-128.

[10]Zarnani S， Sriskandakumar S， Arenson L，et al.The use of FLAC software for assessing deformation rates during ice excavation for open pit mining in glaciers[J].Cold Regions Engineering，2012（8）： 705-714.

[11]廖秋林，曾錢幫．基于ANSYS平臺(tái)復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的自動(dòng)生成[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（6）：1010-1013.

[12]GUANZhen-qun，SONGCao，GUYuan-xian.Theboundaryrecovery and sliver elimination algorithmsof three-dimensional constrained delaunaytriangulation[J].International Journal for Numerical Methodsin Engineering，2006，68（2）： 192-209.

[13]張耀平．礦山空區(qū)誘發(fā)的巖移特征及覆蓋層冒落效應(yīng)研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010．

[14]黃暉．緩傾斜硬巖礦床采空區(qū)頂板冒落規(guī)律研究[D]．贛州：江西理工大學(xué)，2011．

[15]張耀平，曹平，袁海平，等．復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（2）：233-238．

[16]蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學(xué)與工程[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．