劉大金 ，聞磊，石召龍

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系，河北 石家莊 050043)

0 引言

在地下礦體開(kāi)采過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的安全開(kāi)采，需要充分考慮礦體在回采過(guò)程中頂板巖層的預(yù)留厚度。礦體頂板受到下部礦體開(kāi)采的影響，使地表容易出現(xiàn)塌陷坑或大幅度的不均勻沉降等不良現(xiàn)象，甚至?xí)?duì)地下水環(huán)境造成影響。因此，確保基巖頂板具有足夠的厚度來(lái)保證回采后礦體圍巖的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。

目前針對(duì)礦山頂板穩(wěn)定性以及礦山頂板安全厚度的計(jì)算方法研究取得了一定進(jìn)展。王悅青等[1]采用FLAC3D 軟件模擬了某銅礦回采過(guò)程中的不同工況，發(fā)現(xiàn)開(kāi)采深度是地壓活動(dòng)與采空區(qū)頂板、斷層相互關(guān)系中的重要影響因素。徐恒等[2]利用尖點(diǎn)突變理論研究了采空區(qū)頂板失穩(wěn)破壞的力學(xué)機(jī)制。曹定洋等[3]采用薄板模型以及尖點(diǎn)突變理論分析了某鎳礦采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的核心因素。胡洪旺等[4]采用Ressiner 厚板理論等其他彈性力學(xué)理論推導(dǎo)了頂板撓曲線及最大主應(yīng)力公式。姜立春等[5]通過(guò)對(duì)某礦山的監(jiān)測(cè)，結(jié)合相關(guān)力學(xué)理論研究了層狀巖體頂板的破壞特征。張遂等[6]基于室內(nèi)試驗(yàn)采用數(shù)值模擬方法分析了不同邊界條件下礦體頂板的破壞規(guī)律。宋衛(wèi)東等[7]基于礦山的位移觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，揭示了無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采時(shí)的頂板破壞及地表變形規(guī)律。譚寶會(huì)等[8]提出了“下部充填體散體冒落+上部充填體及覆巖整體陷落”的復(fù)合破壞模式，并結(jié)合數(shù)值模擬分析了礦山間柱失穩(wěn)機(jī)理。池秀文等[9]采用能量釋放理論針對(duì)多層礦體回采時(shí)的頂板穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。巨未來(lái)等[10]利用流變力學(xué)理論結(jié)合Ressiner 厚板理論推導(dǎo)出了礦山頂板位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。蔣斌松等[11]結(jié)合傅立葉積分變換方法，采用彈性地基梁計(jì)算模型對(duì)某礦山石灰?guī)r質(zhì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。馮吉成等[12]依據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論研究、數(shù)值模擬等方法針對(duì)某礦山巷道頂板軟硬互層巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)加固方法。

目前，這些研究普遍采用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，充分考慮礦山巖體結(jié)構(gòu)、巖體力學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但結(jié)合地下水影響因素分析礦體頂板穩(wěn)定性的研究較少。

本文充分考慮地下水對(duì)礦山頂板圍巖穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D軟件模擬礦區(qū)回采時(shí)圍巖的地下水滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)分布等特征，最終獲得采場(chǎng)頂板最小安全厚度。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

1.1 巖體力學(xué)參數(shù)選取

礦山現(xiàn)場(chǎng)采取巖土體樣本，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法獲取相關(guān)巖土體物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合Hoek-Brown得到圍巖體力學(xué)指標(biāo)，具體步驟如下。

（1）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合礦山以往巖石試驗(yàn)資料，獲得每個(gè)巖組的力學(xué)參數(shù)。

（2）根據(jù)室內(nèi)巖組力學(xué)參數(shù)，依據(jù)每個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)特征，結(jié)合野外鉆孔波速測(cè)試及鉆孔巖土體特征定性描述，準(zhǔn)確劃分巖體級(jí)別。

（3）依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、鉆孔巖心描述、波速測(cè)試等資料，采用RMR 評(píng)分體系，按照工程地質(zhì)分區(qū)對(duì)每個(gè)巖組進(jìn)行巖體評(píng)分，以Hoek-Brown 準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，結(jié)合巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果，綜合確定圍巖體力學(xué)參數(shù)。

參照工程地質(zhì)分區(qū)，依據(jù)上述方法獲得本礦區(qū)每個(gè)巖組的巖體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。按照礦山設(shè)計(jì)開(kāi)采方案，充填體參數(shù)見(jiàn)表2。工程地質(zhì)巖組為：第四系松散巖砂卵礫石亞巖組（I-1），第四系松散巖砂土黏性土亞巖組（I-2），強(qiáng)風(fēng)化帶亞巖組（Ⅱ-1），弱風(fēng)化帶亞巖組（Ⅱ-2），礦體完整性較好亞巖組（Ⅲ-1），礦體完整性較差亞巖組（Ⅲ-2），變質(zhì)輝長(zhǎng)輝綠巖巖組（Ⅳ），礦體圍巖完整性較好亞巖組（V-1），礦體圍巖完整性較差亞巖組（V-2），破碎帶及蝕變巖巖組（Ⅵ）。

表1 各巖組巖體力學(xué)參數(shù)值

表2 井下充填體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

依據(jù)礦體空間分布特征、巖層結(jié)構(gòu)面特征和礦山開(kāi)采方案構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，模型范圍為地表至-900 m 標(biāo)高，x方向長(zhǎng)1180 m，y方向長(zhǎng)140 m。依據(jù)頂板按抗彎結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、礦體頂板按抗剪結(jié)構(gòu)力學(xué)模型2 種解析法計(jì)算結(jié)果，該區(qū)域采場(chǎng)頂板按厚度35 m建立模型。建立的數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖1，圖1 中不同顏色代表不同的工程地質(zhì)巖組。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

每個(gè)工程地質(zhì)模型經(jīng)精細(xì)剖分后，模型網(wǎng)格分為24 698 個(gè)區(qū)和31 072 個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用六面體單元?jiǎng)澐帜Ｐ汀１緲?gòu)關(guān)系采用莫爾-庫(kù)侖模型。典型剖分圖見(jiàn)圖2。

圖2 典型剖分圖

2 頂板穩(wěn)定性分析

模擬礦山分步回采，獲取了該區(qū)域內(nèi)滲流速率圖、位移等值線圖、應(yīng)力等值線圖和塑性分布區(qū)圖等。

2.1 開(kāi)挖狀態(tài)下應(yīng)力場(chǎng)分布特征

開(kāi)挖狀態(tài)下應(yīng)力場(chǎng)垂向分布特征見(jiàn)圖3。由圖3 可知，充填體底部周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，z方向應(yīng)力最大，達(dá)59.54 MPa。在頂板安全條件下開(kāi)挖采場(chǎng)，頂板附近z方向應(yīng)力最大值為20.00 MPa。其他區(qū)域應(yīng)力由上至下越來(lái)越大，這是由于垂直方向的重力不斷增大。在水巖耦合條件下，礦體底部采場(chǎng)間柱z方向應(yīng)力最大值為41.74 MPa，主要集中在中間礦柱和充填體處，盤(pán)區(qū)間柱受力在30～35 MPa 之間，間柱與充填體比較穩(wěn)定。

圖3 開(kāi)挖狀態(tài)下應(yīng)力場(chǎng)垂向分布特征

2.2 開(kāi)挖狀態(tài)下地下水滲流場(chǎng)分布特征

本次模擬充分考慮地下水對(duì)地下圍巖穩(wěn)定性的影響，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的藕合，計(jì)算出開(kāi)挖狀態(tài)下的滲流場(chǎng)矢量分布，如圖4 所示。開(kāi)挖擾動(dòng)引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動(dòng)，從圖4 可發(fā)現(xiàn)，由于第四系底部黏土層、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶透水性弱，很大程度減弱了第四系水與基巖間的水力聯(lián)系，阻止了孔隙水向采場(chǎng)滲流。

圖4 開(kāi)挖狀態(tài)下地下水滲流場(chǎng)分布特征

2.3 開(kāi)挖狀態(tài)下位移場(chǎng)分布特征

開(kāi)挖面剖面沉降位移云圖見(jiàn)圖5。由圖5 可知，礦體開(kāi)挖面以上到地表面位移逐漸增大，位移均為負(fù)沉降位移，礦體頂面位移最大，往兩側(cè)逐漸減少，開(kāi)挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為0，開(kāi)挖面中線以上地面位移最大，達(dá)25.67 cm，而礦體開(kāi)挖頂面最大位移僅有15 cm。

圖5 開(kāi)挖面剖面沉降位移云圖

2.4 開(kāi)挖狀態(tài)下基巖塑性區(qū)分布

開(kāi)挖狀態(tài)下基巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖6。由圖6 可知，斷層不發(fā)育部位圍巖出現(xiàn)了一定的塑性區(qū)，這是由于開(kāi)挖硐室產(chǎn)生的重分布應(yīng)力超過(guò)巖石本身強(qiáng)度，導(dǎo)致發(fā)生剪切破壞，可考慮采用鋼模板固定間柱，使其處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，從而提高其整體強(qiáng)度。

圖6 開(kāi)挖狀態(tài)下塑性區(qū)分布

隨著采場(chǎng)安全頂板厚度的增大，地表沉降逐步減小。根據(jù)計(jì)算可知，當(dāng)頂板安全厚度不小于35 m時(shí)，地表沉降量均小于30 cm，對(duì)地面的危害較小，可以滿足保護(hù)第四系含水層與地面建筑物的要求。

3 結(jié)論

本次研究考慮了地下水對(duì)礦山圍巖應(yīng)力及位移的影響，采用FLAC3D軟件模擬了礦區(qū)回采時(shí)圍巖的地下水滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)分布等特征，具體結(jié)論如下。

（1）開(kāi)挖擾動(dòng)產(chǎn)生新生裂隙，致使部分孔隙水從頂板中滲流到采場(chǎng)，在疏干排水條件下，第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶黏性土固結(jié)壓密、滲流固結(jié)造成礦區(qū)地面位移大于開(kāi)挖面頂部位移。后期開(kāi)采過(guò)程中需注意施工方法和防水措施，加強(qiáng)礦坑頂板變形和滲水情況的監(jiān)測(cè)。

（2）當(dāng)頂板安全厚度不小于35 m 時(shí)，地表沉降量小于允許值，對(duì)地面產(chǎn)生危害較小，可以滿足保護(hù)第四系含水層與地面建筑物的要求。

（3）地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)采不斷改變地下初始應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等分布并達(dá)到新的平衡。若此過(guò)程一旦失控，則會(huì)發(fā)生地表塌陷、井下突水、井下泥石流或大規(guī)模地壓活動(dòng)等安全事件。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行高質(zhì)量充填并充分接頂，能有效控制頂板及上覆巖層的變形。