逄銘璋， 張愛民， 任鵬召， 陳慶剛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

某礦當(dāng)前生產(chǎn)淺部礦體，開采范圍為-900 m標(biāo)高以上的礦體。為充分利用采礦權(quán)范圍內(nèi)的礦產(chǎn)資源，實現(xiàn)礦山長時間穩(wěn)定可持續(xù)性發(fā)展，該礦正在進(jìn)行深部(-900～1 300 m)開采設(shè)計，深部開拓采用豎井接力開拓系統(tǒng)。由于深部開采會使淺部生產(chǎn)系統(tǒng)及地表主要構(gòu)建筑物位于巖移監(jiān)測范圍內(nèi)，深部礦體的開采問題更加突出。因此，在采用開采充填的條件下，深部開采能否保證地表設(shè)施及淺部生產(chǎn)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要[1-4]。本文將對此進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬手段分析深部礦體開采對地表及豎井工程的影響并進(jìn)行安全性分析評價。

2 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

2.1 礦巖性質(zhì)

在礦區(qū)的井下廢石堆中選取具有代表性的塊石樣，主要巖石類型為以下幾種。

上盤：絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJ)；

礦體：黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)；

下盤：花崗巖(ηr)。

2.2 圍巖穩(wěn)定性評價

礦體頂板的巖石屬半堅硬～堅硬巖，穩(wěn)固性較好，在頂板的主斷裂附近，巖石受主斷裂影響，強(qiáng)度有所降低，特別是斷層泥及其上下的部分巖石強(qiáng)度較低，穩(wěn)固性較差。礦體巖石為軟弱～堅硬巖石，且裂隙不發(fā)育，穩(wěn)固性良好。礦體底板巖石強(qiáng)度高，屬堅硬巖石，巖石中小結(jié)構(gòu)面和裂隙均不發(fā)育，穩(wěn)定性良好。

從早期礦山施工的坑道情況看，核實區(qū)的工程地質(zhì)條件較好，只有上盤的石門中，由于巷道的跨度較大，施工中采用了水泥噴漿支護(hù)，主裂面附近巖石有坍塌、掉塊現(xiàn)象，其余絕大多數(shù)施工在斷裂帶下盤中的巷道均不需任何支護(hù)，穩(wěn)固性良好。

深部巖石力學(xué)特征，BQ巖體基本質(zhì)量多數(shù)在Ⅱ～Ⅲ級，總體上巖石較完整，局部破碎，礦巖穩(wěn)固定性，巖石力學(xué)性質(zhì)與淺部差異不大，巖石力學(xué)參數(shù)在深度趨勢和巖性上并沒有明顯的變化趨勢。

2.3 礦區(qū)原巖應(yīng)力

根據(jù)礦區(qū)深部鉆孔的地球物理測井資料，利用聲波測井所獲取的縱、橫波信息結(jié)合密度以及泥質(zhì)含量等曲線，對地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了估算，其估算成果見表1。

表1 地應(yīng)力參數(shù)分析結(jié)果

從表1可以看出，水平方向最小主應(yīng)力梯度基本穩(wěn)定在0.02 MPa/m，水平方向最大主應(yīng)力梯度主要穩(wěn)定在0.024～0.03 MPa/m，垂向地應(yīng)力梯度基本穩(wěn)定在0.027 MPa/m。三個地應(yīng)力關(guān)系是垂向應(yīng)力>最大水平主應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力，地應(yīng)力狀態(tài)類型為正斷型。

3 計算模擬方案

3.1 模型的建立

采用FLAC3D軟件對礦體的開采進(jìn)行數(shù)值模擬。礦體核心部分建模是將礦床地質(zhì)模型實體導(dǎo)入，實體建模時將巖層分為三類，分別為上盤巖體、下盤巖體、礦體。

數(shù)值模擬模型幾何參數(shù)為走向長9 800 m，垂直走向8 100 m，高度2 100 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 012 647，單元數(shù)1 935 395。數(shù)值模型底部及四周采取固定約束，垂直方向施加重力載荷，水平方向按照實測結(jié)果施加水平應(yīng)力。模型如圖1所示。模型中未考慮斷層，主要是認(rèn)為斷層主要影響其附近工程的局部穩(wěn)定性，對全礦區(qū)大范圍的地表變形影響較小。

圖1 模型尺寸示意圖

3.2 計算參數(shù)選取

巖體物理力學(xué)參數(shù)取值以礦區(qū)巖塊的巖石力學(xué)試驗結(jié)果為主要依據(jù)。計算中采用的礦、巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 計算巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 原巖應(yīng)力

為了模擬礦區(qū)的真實應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值模型底部及四周采取固定約束，垂直方向施加重力載荷。研究區(qū)內(nèi)地應(yīng)力場隨深度的變化規(guī)律，使用線性回歸分析的方法，對地質(zhì)資料勘測點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行回歸分析，得出了最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力隨深度變化的回歸曲線和回歸方程。在三個主應(yīng)力的回歸過程中，均增加了測點(diǎn)埋深H=0 m時，主應(yīng)力值等于0 MPa的一個點(diǎn)?；貧w結(jié)果如下：

最大水平主應(yīng)力的回歸方程為

σh.max=0.81+0.044 9H

(1)

式中：H——測點(diǎn)埋深，m，以下同。

最小水平主應(yīng)力的回歸方程為

σh.min=0.87+0.023 1H

(2)

垂直主應(yīng)力值的回歸方程為

σv=0.28+0.025 5H

(3)

按照上述線性回歸方程(1)、(2)、(3)對模型施加初始應(yīng)力。

3.4 本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是對巖土材料力學(xué)特性的經(jīng)驗性描述，表達(dá)的是在外載荷作用條件下巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。因此，合理地選擇本構(gòu)模型是完成數(shù)值模擬的一個關(guān)鍵步驟。只有選擇的本構(gòu)模型與工程材料力學(xué)特性契合度較高時，其選擇的本構(gòu)模型才是合理的。根據(jù)FLAC3D提供的本構(gòu)模型以及實驗中的材料特性，本次數(shù)值模擬共使用了兩種本構(gòu)模型：空模型和摩爾- 庫倫模型。

1)空模型

空模型通常用來表示被移除或開挖的材料。在數(shù)值模擬的后續(xù)階段，空模型材料也可以轉(zhuǎn)化成其他的材料模型。應(yīng)用空模型可以進(jìn)行開挖、回填之類的模擬。

2)摩爾- 庫倫(Mohr- Coulomb)模型

一般而言，模型評估準(zhǔn)則要從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)的嚴(yán)格要求和實驗室試驗觀察巖體性能實際顯示要求，以及計算機(jī)應(yīng)用簡單要求的觀點(diǎn)來考慮它們之間的平衡。Mohr- Coulomb彈塑性本構(gòu)模型的計算方法簡單，適當(dāng)?shù)剡x擇材料參數(shù)，該模型能夠和Mohr- Coulomb屈服準(zhǔn)則相匹配。鑒于Mohr- Coulomb彈塑性本構(gòu)模型的上述優(yōu)點(diǎn)以及許多工程師的工程經(jīng)驗，選用該模型的計算結(jié)果比較符合實際情況，故本模擬方案的本構(gòu)模型選用Mohr- Coulomb模型。摩爾- 庫侖屈服準(zhǔn)則為

式中：fs——屈服函數(shù)；

σ1、σ3——最大和最小主應(yīng)力，Pa；

c——黏結(jié)力，Pa；

φ——內(nèi)摩擦角，°；

當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖土體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ1≥σT)(σT為抗拉強(qiáng)度)判斷巖土體是否產(chǎn)生拉破壞。

4 深部開采對地表穩(wěn)定性的影響

4.1 地表位移

為了分析開采對地表沉降的影響，重點(diǎn)關(guān)注礦體周邊巖層的位移及地表巖層的位移數(shù)據(jù)。開采該范圍礦體后礦區(qū)地表的總體沉降如圖2所示，地表水平位移如圖3所示，地表最大沉降值為-16.08 mm，地表最大值水平位移為11.35 mm。

圖2 礦區(qū)地表沉降等值線平面圖

圖3 礦區(qū)地表水平位移圖

4.2 地表斜率與曲率的數(shù)值微分計算

地表的破壞與地裂縫的產(chǎn)生主要決定于地表變形值的大小和地表巖土體抵抗變形的能力。一般情況下，當(dāng)?shù)乇砭鶆蛳鲁習(xí)r，建(構(gòu))筑物不會產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此不會帶來損害。地面建筑物損壞的主要原因是地面的不均勻下沉和水平變形。地表不均勻下沉?xí)鸬乇戆l(fā)生傾斜變形，地表傾斜變形對高聳建筑物的損害較大，地表曲率變形將原來建筑的平面基礎(chǔ)變?yōu)榍嫘螤?，建筑物的荷載與基礎(chǔ)土壤間的初始平衡狀態(tài)遭到了破壞，當(dāng)變形值超過一定值時，房屋就會出現(xiàn)裂縫。地表水平變形對房屋的破壞作用很大，特別是拉伸變形，由于房屋的抵抗拉伸能力遠(yuǎn)小于抗壓縮的能力，較小的地表拉伸變形就能使建筑物產(chǎn)生開裂性裂縫；當(dāng)壓縮變形較大時，可使房屋墻壁、地基壓碎，地板鼓起產(chǎn)生剪切和擠壓裂縫，可使門窗洞口擠成菱形，縱墻或圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起。

由于有限差分是按照一定網(wǎng)度劃分出網(wǎng)格，即FLAC3D得出的數(shù)值解是一些離散的點(diǎn)的數(shù)值，而地表移動引起的對地面構(gòu)筑物的破壞主要表現(xiàn)在地表傾斜變形的影響、地表彎曲變形的影響、地表水平拉伸或壓縮變形的影響。這就需要求出地表相應(yīng)點(diǎn)位移變化的一階導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)。選取采礦區(qū)對應(yīng)的地表位置2個方向的2條線段計算曲率、傾斜和水平變形，分別用AB、CD表示，如圖4所示。

圖4 AB、CD水平及豎向位移值數(shù)據(jù)點(diǎn)

由圖4可知，深部礦體開采后在地表產(chǎn)生的累積最大沉降值-16.162 4 mm、最大值水平位移11.35 mm、最大傾斜-0.059 09 mm/m、最大曲率0.000 735×10-3/m、最大水平變形0.052 01 mm/m均在Ⅰ級建筑物保護(hù)的允許范圍內(nèi)。深部礦體開采后產(chǎn)生的地表累積變形不會給地表建(構(gòu))筑物的安全造成較大危害。

5 深部開采對豎井穩(wěn)定性的影響

采用數(shù)值模擬的方法分析礦山深部開采后對礦區(qū)各條豎井穩(wěn)定性的影響。在礦區(qū)內(nèi)分布的主要豎井有多條，本文以混合井為例進(jìn)行介紹。

5.1 混合井

礦區(qū)開采后對混合井影響的最大主應(yīng)力場、垂直位移場和水平位移場分別如圖5、圖6、圖7所示。從圖5可以看出，最大主應(yīng)力場基本上呈層狀分布，開采后，在新立混合井附近的應(yīng)力場基本沒有變化。從圖6中可以看出，開采后，在該剖面上，礦體上盤的垂直位移約為10 mm。從圖7中可以看出，開采后，在該剖面上，礦體上盤的水平位移約為5 mm，混合井井底的水平位移約為16 mm。

圖5 開采對混合井影響的最大主應(yīng)力場

圖6 開采對混合井影響的垂直位移場

圖7 開采對混合井影響的水平位移場

5.2 各井筒井底變形

經(jīng)模擬后，各井筒井底變形值見表3。

Ⅰ級保護(hù)對象允許的傾斜變形<3 mm/m、曲率<0.2×10-3/m、水平變形<2 mm/m。根據(jù)表3可知，礦區(qū)各主要井的井底變形值未達(dá)到《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的變形臨界值，因此，地下開采對礦區(qū)各主要井筒基本無影響。

表3 礦區(qū)開采各井底變形值

6 結(jié)論

通過建立模型，對深部礦體開采進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析評價了深部開采活動對地表及豎井工程的穩(wěn)定性影響，得到以下結(jié)論：

(1)深部礦體開采后，在地表產(chǎn)生的累積最大沉降值為-16.162 4 mm、最大值水平位移為11.35 mm、最大傾斜為-0.059 09 mm/m，最大曲率為0.000 735×10-3/m，最大水平變形為0.052 01 mm/m。根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》，Ⅰ級保護(hù)對象允許的地表傾斜變形<3 mm/m、曲率<0.2×10-3/m、水平變形<2 mm/m，上述地表變形模擬計算結(jié)果均小于規(guī)范中Ⅰ級保護(hù)對象允許變形值。

(2)深部開采設(shè)計范圍內(nèi)的礦體開采在地表產(chǎn)生的最大沉降值為-4.50 mm、最大值水平位移為3.3 mm。深部開采對地表的影響很小。

(3)由于礦體深部延伸位置的變化，深部開采在地表產(chǎn)生的增量最大沉降及最大水平位移的位置與礦區(qū)開采總體最大位移的位置不重疊。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果表明，各個主要豎井井底變形值未達(dá)到《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的變形臨界值，地下開采對礦區(qū)內(nèi)的各個井筒基本無影響。