容 宇

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤礦業(yè)分公司, 云南 曲靖市 654211)

0 引 言

采礦區(qū)頂板及圍巖的穩(wěn)定性是金礦礦床高效開采面臨的主要問題。在深部開采過程中事故大多有多發(fā)性和突發(fā)性特征,原因是礦山深部巖體始終處于高地應力、高滲透壓、高溫、爆破擾動,即“三高一擾動”的不良地質條件。目前,某銅礦進行了部分礦房的回采,而充填工作剛開始,因此存留了大量的采空區(qū),加重了地應力對回采作業(yè)的干擾。采礦區(qū)存在的危害主要變現為與采空區(qū)毗鄰的穿脈巷道發(fā)生非均勻變形破壞、片幫或冒頂;地應力分布不均,采場部分區(qū)域應力集中不易識別和控制;圍巖蓄能較大,巖爆風險加大等等。正是因為這些采空區(qū)的存在,還可能造成更多災難性事故的發(fā)生。采空區(qū)穩(wěn)定分析對于井下應力控制、指導生產具有重要作用。數值模擬方法是最為常用的采空區(qū)穩(wěn)定分析方法,其可以提供較為直觀的定量描述,識別彈塑性區(qū)域,對于指定合理的生產方案十分有益。

本次數值模擬研究采用ANSYS三維有限元數值模擬軟件建立采空區(qū)、地層、斷層和巷道單元模型,劃分網格后再導入FLAC3D有限差分數值模擬軟件中進行計算。通過定量計算,分析空區(qū)開挖導致-120 m中段及各縱剖面的沉降(Z方向的位移)和彈塑性區(qū)域分布。結合采空區(qū)形成后在-120 m階段所引起的沉降變化,以及提取相應方向的塑性區(qū)結果,為后續(xù)采空區(qū)周邊的巷道開挖提供參數指導。

1 模型前處理

1．1 模型建立

該礦模型以井下實際情況為基礎,選取既能滿足計算要求且范圍最小的計算模型,同時考慮對應力狀態(tài)影響較大的地層、斷層的影響,忽略地下水及爆破等外在影響因素,揭示該礦采空區(qū)對上部地層的影響規(guī)律。

模型范圍為:X坐標范圍為49600~50323．2684;Y坐標范圍為8650~9050。確定研究范圍后即對模型進行建立,模型分外部圍巖、內部斷層影響帶、內部采空區(qū)、內部-120 m水平開拓巷道。

(1)地層模型。結合礦山所提供的地形地貌圖等CAD圖件,通過地表范圍劃設地表點網格,然后提取各網格點坐標,建立地表曲面。地層建成后,依據采空區(qū)范圍及計算要求選取底部水平標高為-240 m,形成含地層的圍巖體。

(2)斷層模型。通過地質圖和采空區(qū)調查結果得到斷層附存參數,包括位置坐標和傾向傾角等(見表1),對斷層進行建模,其中,F25走向NNW~NEE(近EW),F26走向NEE~EW。

表1 F25、F26斷層參數

(3)采空區(qū)模型。采空區(qū)包括測量采空區(qū)和推測采空區(qū),對于已經測量過的采空區(qū)可通過三維建模方法直接構建,如圖1所示。對于受條件限制無法測量的采空區(qū)和已經充填的采空區(qū),主要是依據上下穿脈巷道的位置和該礦縱剖面圖確定其寬度和高度,從而大致對這些采空區(qū)進行建模,其結果如圖2所示,其中有L1、L8、L14、L16、L18采場。地層、斷層、采空區(qū)模型構建后將其組合,如圖3所示。

圖1 已測采空區(qū)建立模型

圖2 未測采空區(qū)模型

圖3 某銅礦所有采空區(qū)模型

(4)巷道模型的建立。巷道模型依據礦方提供的-120 m實測圖,建立上下盤主運輸巷道及該礦區(qū)域內穿脈巷道和通風巷道模型,建立的巷道和采空區(qū)空間三維圖如圖4所示。

圖4 巷道及采空區(qū)三維模型

1．2 網格劃分

對上述建立的模型進行有限元計算,對該礦模型通過限制單元尺寸的方法對模型進行均勻劃分,使模型網格劃分均勻精細。最終劃分的網格模型如圖5所示。模型共劃分226748個節(jié)點和1303313個單元,滿足計算要求。

圖5 該礦網格模型

1．3 參數選擇

計算過程中將地層、礦體及斷層均視為單一連續(xù)的介質,為保證模擬結果的準確性,根據巖層的巖性對個部分逐一設定物理力學參數,試驗參數來源于原有試驗報告,具體參數如表2所示,充填體的體積模量為0．25 GPa,剪切模量為0．08 GPa。

表2 計算參數

2 結果分析

2．1 初始應力結果分析

取粘聚力和抗拉強度,采用更改參數的彈塑性求解初始應力的方法,對該礦采空區(qū)的初始位移及應力情況進行計算,其Z方向位移計算結果見圖6。結果表明,在自重應力的作用下,Z方向的位移呈分層分布,最大沉降位移出現在地表,為-1．3 m。

圖6 初始應力Z方向位移

2．2 開挖結果分析

初始應力計算完成后,對各方向的位移、速度及塑性區(qū)清零,改為實際參數對該礦進行采空區(qū)開挖模擬,計算其開挖后的位移狀態(tài),開挖后的Z方向位移表面整體圖如圖7所示,最大位移出現在被斷層切割的巖體中,為7 cm。

圖7 開挖后Z方向位移三維圖

2．2．1 地層位移模擬結果

圖8為-120 m平面的Z方向位移云圖,其中顯示的范圍主要為采空區(qū)正上方區(qū)域。采場開挖后,-120 m平面的最大沉降位移為9．732 mm。

圖8 采空區(qū)開挖后－120 m平面Z方向位移圖

為了解模型內部位移及塑性的變化規(guī)律,對模型進行切片分析,分別截取-120 m平面、垂直巷道和經過采空區(qū)的縱剖面,縱剖面選擇結果見圖9所示。同時,提取3個縱剖面的Z方向位移圖,結果如圖10所示。

圖9 縱剖面選取位置示意

圖10 Z方向位移圖

由圖10可知,采空區(qū)范圍內對應的Z方向最大位移分別為2．95,4．248,4．499 cm,最大位移發(fā)生在暴露面積較大的采空區(qū)頂板處。

2．2．2 塑性區(qū)域模擬結果

為了解模型的塑性破壞情況,提取了地表面、-120 m平面和3個縱剖面的塑性區(qū)圖,模擬結果見圖11。由圖11可知,-120 m平面采空區(qū)范圍內未進入塑性破壞,只有斷層經過的區(qū)域有塑性破壞;3個縱剖面在采空區(qū)附近均有部分區(qū)域進入塑性破壞狀態(tài)。雖然采空區(qū)上部并未形成聯通的塑性區(qū),但由于采空區(qū)L1、L2、L3體量相對更大,塑性區(qū)域更為明顯,上部巖層需要開挖巷道或回采時,要遠離該區(qū)域。

圖11 地層塑性區(qū)圖

3 結 論

采空區(qū)穩(wěn)定分析對于井下應力控制、指導生產具有重要作用。數值模擬方法是最為常用的穩(wěn)定分析方法,本研究采用ANSYS軟件建立采空區(qū)、地層、斷層和巷道單元模型,劃分網格再由FLAC3D軟件進行計算,分析空區(qū)開挖導致的-120 m中段及各縱剖面的沉降(Z方向的位移)和彈塑性區(qū)域分布,研究結果表明:

(1)采空區(qū)形成后,-120 m平面,最大Z方向位移(沉降位移)為0．973 cm;1＃、2＃、3＃縱剖面,對應的最大Z方向位移分別為2．95,4．248,4．499 cm。

(2)計算得到了各截面的塑性區(qū)結果,采空區(qū)模擬開挖工況下的塑性區(qū)均未聯通,對-120 m水平的塑性區(qū)范圍影響有限。

(3)結合采空區(qū)形成后在-120 m階段所引起的沉降變化,以及提取相應方向的塑性區(qū)結果,為后續(xù)采空區(qū)巷道開挖提供指導。