趙淑霞

（中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州450041）

1 研究主要內(nèi)容

以段村－雷溝礦區(qū)為對象，以地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)建立礦區(qū)地表動態(tài)三維地質(zhì)立體模型，實現(xiàn)對地面地質(zhì)、地形、地面沉降、工程分布、社會環(huán)境的數(shù)字化管理。根據(jù)礦床賦存條件、圍巖體條件、開采方法等特點，采用三維有限元和離散元方法進行開采過程的數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)研究采區(qū)上覆巖層隨開采過程的變形規(guī)律和地表沉陷規(guī)律，掌握上覆巖層移和地表沉降（巖移）發(fā)展趨勢。在數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，進行地面沉降觀測方法、觀測方案研究，進行觀測網(wǎng)站站點的優(yōu)化分析，完成地面觀測網(wǎng)站的設(shè)計、在此研究的基礎(chǔ)上，建立地面沉降觀測網(wǎng)站，根據(jù)礦山開發(fā)計劃進行網(wǎng)站的布設(shè)。根據(jù)地表地質(zhì)地形條件，結(jié)合開采技術(shù)條件、開采計劃，研究地表發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性、地質(zhì)災(zāi)害的類型等，實現(xiàn)對地表沉降觀測資料、可能地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)字化、可視化三維圖形管理和顯示。

研究工作的技術(shù)方案主要包括現(xiàn)場調(diào)研室內(nèi)試驗、數(shù)值計算三維建模、GIS工作站建立、地表監(jiān)測網(wǎng)站的優(yōu)化研究等。基于研究內(nèi)容和研究開發(fā)的技術(shù)方法和基本路線可用圖表示流程。

2 巖體力學(xué)性質(zhì)

巖體是地下工程的環(huán)境，掌握巖體結(jié)構(gòu)特征及巖體質(zhì)量、對巖體進行分類、開展巖體工程穩(wěn)定性評價可為地下巖體工程開挖與支護設(shè)計、工程施工、采礦方法選擇、采場結(jié)構(gòu)布置、地壓管理等提供基本依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有的礦床地質(zhì)勘查資料、工程進展等條件，開展巖體工程穩(wěn)定性評價，為礦山建設(shè)和生產(chǎn)設(shè)計提供基礎(chǔ)資料；同時，在對巖體進行室內(nèi)試驗測定巖石的相關(guān)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖石的力學(xué)來確定巖體的力學(xué)參數(shù)，可為采區(qū)巖移和穩(wěn)定性分析提供巖體的基本力學(xué)參數(shù)。

圖1 研究開發(fā)技術(shù)流程圖

2．1 巖體工程地質(zhì)條件

段村－雷溝礦區(qū)屬于高山與平原接壤的低山丘陵地區(qū)，總體地勢西高南低、兩邊高中間低的谷地。位于坻塢－仁村一帶，大部分處在兩個低山間的凹地下，以F4斷層為界，分為東、西兩個礦段，西礦段為段村礦段，地表有鋁土礦體出露，西起南坻塢、東至南溝村，東西長6．5km，南北寬1～1．3km；東礦段為雷溝礦段，地表無鋁土礦礦體出露，礦體埋藏相對較深，該礦段西起南溝煤礦、東至上洪陽，東西長7．2km，南北寬0．8～1．5km［1］。

礦山巖石力學(xué)參數(shù)是礦山開采技術(shù)條件的重要指標(biāo)，對于指導(dǎo)礦山開采設(shè)計、井巷工程支護有重要意義，以及為進一步的地壓控制研究等提供基本數(shù)據(jù)資料。在地質(zhì)勘查階段，由勘查單位對段村－雷溝礦區(qū)的礦、巖石開展了一定量的巖石力學(xué)性質(zhì)實驗研究。經(jīng)實驗室，目的是在以往巖石力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，補充開展巖石的力學(xué)性質(zhì)，完善礦山巖石力學(xué)參數(shù)，針對干燥條件下的巖石試樣進行力學(xué)性質(zhì)試驗研究，其內(nèi)容包括巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度，測試巖石的抗壓、抗拉強度、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。

表1 巖石單軸抗壓實驗結(jié)果

2．2 巖體性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)

巖體是由巖石與結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，是地下工程建設(shè)和生產(chǎn)的環(huán)境。巖體的力學(xué)性質(zhì)既取決于巖石的性質(zhì)，也取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)以及地下水等環(huán)境因素的影響。一般認(rèn)為巖石的強度高，巖體的強度就較高，而結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)在巖體強度的選取上起決定性的作用。對巖體介質(zhì)選取適當(dāng)?shù)膸r體力學(xué)參數(shù)是保證工程設(shè)計計算、穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析結(jié)果的可靠性的重要條件。工程巖體因尺寸效應(yīng)和不連續(xù)面的影響，現(xiàn)場巖體的強度往往小于巖塊的強度，在巖體工程設(shè)計中，若遇到無連續(xù)性好的大地質(zhì)構(gòu)造時，應(yīng)采用巖體強度指標(biāo)，而不能使用巖塊強度指標(biāo)。

巖體力學(xué)參數(shù)確定最直接的方法是在現(xiàn)場進行大尺度的巖體力學(xué)參數(shù)的測定但現(xiàn)場測定的難度大、時間長、成本高，而且現(xiàn)場測試點的巖體參數(shù)對于大尺度的巖體而言難有代表性，所以一般建設(shè)工程都很難開展直接測定研究工作。如何估算巖體強度，除了在有條件的地方進行必要的現(xiàn)場實測之外，一般情況下是以巖體質(zhì)量分類為基礎(chǔ)，對巖體強度進行間接估算。經(jīng)巖石力學(xué)的發(fā)展，多年來已形成了節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)估計的工程處理方法，即由巖塊的力學(xué)參數(shù)。該工程處理方法經(jīng)許多個工程的驗證是切實可行的，其結(jié)果是可靠的。另外，一些學(xué)者在大量巖體工程實際測試和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計分析的方法來確定相關(guān)巖體和巖石強度以及其他力學(xué)參數(shù)。

3 段村－雷溝礦地表巖移三維有限元模擬研究

有限元模擬法［1］比有限單元法、邊界單元法、離散單元法概念清晰、原理簡潔，易為大多數(shù)人接受，更為重要的是該方法更為成熟［2］。

隨著開采跨度逐漸增加、采空區(qū)范圍擴大，需要分析圍巖變形、開裂、冒落，地表出現(xiàn)大面積移動、塌陷，造成上覆巖層破壞。由于上覆巖層復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等特征，且礦山開采是一個復(fù)雜的力學(xué)變化過程，無法用常規(guī)方法來解析，有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以建立復(fù)雜的上覆巖層、鋁土礦組成的地質(zhì)模型，再現(xiàn)鋁土礦開采造成上覆巖層的破壞、地表巖移甚至塌陷的變化規(guī)律。建模時，根據(jù)工程勘查的各剖面，在做一定簡化，完成對礦區(qū)的三維地質(zhì)模型、有限元計算三維模型、礦體三維模型。由于上覆巖層存在大量的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致各力學(xué)參數(shù)不同，模擬時簡化為礦體、上盤、直接頂、下盤四層。同時依據(jù)《可研報告》［3］，確定開采范圍及標(biāo)高。對建立的有限元模型在自重應(yīng)力場及邊界約束條件進行分析計算出所有計算單元的巖體應(yīng)力大小與方向，根據(jù)這些參數(shù)可進一步給出采區(qū)范圍內(nèi)巖體應(yīng)力大小與方向、巖體屈服范圍，變形與移動量值以及巖移方向，為地表巖移分析提供數(shù)據(jù)。最后采用處理切片技術(shù)，依據(jù)地質(zhì)模型體剖面劃分結(jié)果，分布計算上覆巖體破壞情況及地表巖移、沉陷結(jié)果。

通過有限元極限分析法，充分考慮了巖層實際力學(xué)性質(zhì)，模擬地表不同地貌形態(tài)、礦體賦存狀態(tài)條件、不同開采跨度條件下鋁土礦開采引起上覆地層移動和地表沉降量值。通過研究，塑性屈服（破壞）區(qū)形成與發(fā)展按不對稱性的倒喇叭狀從采區(qū)邊緣向上擴展至地表，并不按傳統(tǒng)意義上崩落采礦法的崩落角從采場邊緣以喇叭狀向上擴展到地表，且上覆巖層的變形和移動以及崩塌不是直線向上擴展的，而是非直線的復(fù)雜擴展過程。

4 研究結(jié)論與建議

段村－雷溝礦區(qū)為國內(nèi)金屬礦山的大型礦區(qū)，礦床展布范圍廣，開采范圍大，地表地質(zhì)地形（河流分布）與人文（村鎮(zhèn)、公路工業(yè)建筑、良田旱地等）環(huán)境復(fù)雜，礦床埋深不大，且淺部巖層遭受民采破壞，地下巖體工程地質(zhì)條件也很復(fù)雜。這些復(fù)雜條件的綜合作用將直接影響礦山開采工程中的地表巖移與沉陷，預(yù)防地表地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生將是礦山不可回避的問題。因此，開展地表巖移技術(shù)研究不僅是建設(shè)一流的現(xiàn)代化礦山的要求，也是搞好礦山與地方關(guān)系、建設(shè)和諧社會的需要；同時，加強地表巖移監(jiān)（觀）測對于確定地表安全范圍，減少土地征用，保護地表環(huán)境等，將會產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。本文圍繞段村－雷溝地表巖移技術(shù)問題開展研究，是開展大規(guī)模地表巖移監(jiān)測的前期研究，對今后實際工作提出以下建議。

1）建議在井巷工程建設(shè)過程中，繼續(xù)開展詳細的巖體節(jié)理裂隙工程地質(zhì)調(diào)查與工程巖體穩(wěn)定性評價工作，為井巷工程與采場圍巖穩(wěn)定性評價及其支護提供依據(jù)。

2）在具體的工程建設(shè)和生產(chǎn)階段，建議分區(qū)段對井下揭露的圍巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)做進一步的實驗研究，掌握準(zhǔn)確的工程圍巖巖石力學(xué)性質(zhì)，與巖體節(jié)理裂隙調(diào)查相結(jié)合，完善對巖體的力學(xué)性質(zhì)的掌握。

3）地表巖移是一個極為復(fù)雜的物理力學(xué)過程，受礦區(qū)巖體工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、礦區(qū)賦存條件、開采幾何尺寸、采礦方法、開采順序、開采強度等綜合因素的影響，在實際生產(chǎn)過程中還需要加強進一步的地表巖移研究工作，探索開采與地表巖移的量化關(guān)系。

4）由于礦區(qū)地表環(huán)境的特殊性，建議礦山盡早建立地表巖移監(jiān)（觀）測站點，開展監(jiān)（觀）測工作，以便在生產(chǎn)開采之前獲得地表測點的初始數(shù)據(jù)。

5）為了科學(xué)合理地從事礦山開采與井巷工程支護設(shè)計、礦山低壓與巖移分析等，原巖應(yīng)力測試工作，掌握原巖應(yīng)力的大小、方向，以及隨深度變化的規(guī)律。

6）在段村－雷溝礦區(qū)建立起來的局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅可以作為將來地表巖移監(jiān)（觀）測技術(shù)數(shù)據(jù)處理與管理的平臺，也可以作為礦山其他技術(shù)管理的綜合平臺，充分發(fā)揮其作用。

［1］ 朱伯芳．有限單元法原理與應(yīng)用［M］．北京：中國水利水電出版社，1998．

［2］ 中國鋁業(yè)股份有限公司礦業(yè)分公司、河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院．河南省澠池縣段村－雷溝礦區(qū)鋁土礦勘查報告［R］．2005．

［3］ 長沙有色冶金設(shè)計研究院．中鋁礦業(yè)分公司段村－雷溝鋁土礦采礦工程可行性研究報告［R］．2006．