王洛鋒

(洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司，河南 洛陽 471500)

0 引言

崩落法開采引起的地表沉降是一個重大的礦山安全和環(huán)境問題，研究礦體開采后巖層的移動規(guī)律，對礦山安全高效開采及社會經(jīng)濟有著重大意義。對于采用崩落法開采的礦山，礦體開采后，原巖的應(yīng)力平衡會被打破，將會引起圍巖發(fā)生位移、開裂和冒落等。由此產(chǎn)生的地表錯動、塌陷將會影響到工業(yè)場地等地面設(shè)施的布置，同時也會引起生態(tài)環(huán)境的損壞以及征地等問題。因此，能夠有效的預(yù)測崩落法開采引起的地表塌陷范圍，對礦山規(guī)劃、風(fēng)險管理與評估非常重要。許多學(xué)者針對地表沉降方面已開展了大量研究。如王永嘉應(yīng)用離散元法和邊界元法對開采沉陷中的應(yīng)力、變形進行了研究[1]；唐春安給出了線彈性有限元法[2]；張東明、尹光志等人探討了煤礦開采中巖層移動的分形特征[3]；郭增長建立了極不充分開采條件下地表移動的預(yù)計方法[4]；黃平路、陳從新采用多種數(shù)值模擬手段綜合分析方法，研究了露天和地下同時開采引起的巖體移動規(guī)律[5]，均取得了一定的成果。

前人的研究內(nèi)容多集中于埋深比較淺的情況，隨著開采深度的增加，深部巖體變形特征將發(fā)生轉(zhuǎn)變[6]，深部開采引起的巖層移動規(guī)律與淺層開采不同。因此，研究深部礦體開采時地表沉降規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義?；趲r土力學(xué)理論和有限差分軟件FLAC3D，對深部礦山采用崩落法開采引起的地表沉降特征進行研究。

1 工程背景

某鐵礦地表標高為0～30 m，礦體為急傾斜極厚礦體與厚礦體，主礦體走向270°～310°，傾角70°～80°，傾向西南，礦體厚度80～270 m，平均厚度為160 m，礦體延伸較大，深處未見尖滅。采礦方法為無底柱分段崩落法，最低開采標高為-950 m。礦體回采順序在礦體走向上由厚大部位兩端推進。根據(jù)上述工程背景及礦山產(chǎn)量要求，設(shè)計開采方案概念圖為圖1，退采的過程中保持4～5個水平同時開采，開采分段保持相對平緩的“V”形向下逐分層推進，共分17步采完。

圖1 開采過程概念圖

礦床基巖屬于堅硬的、次硬的層狀、塊狀工程地質(zhì)巖組，但巖組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各類結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。浪子山組底礫巖為其直接頂板，巖石較完整，但其厚度不均，一般為2.72～50.42 m。硅化大理巖、綠泥絹云石英片為其間接頂板，巖石硬脆，節(jié)理裂隙較發(fā)育，鉆孔揭露巖心較破碎，巖體穩(wěn)固性較差。鐵礦層下盤圍巖綠泥片巖，巖石較軟、破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，多見破碎帶。礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等類型。

2 計算模型與計算過程

2.1 數(shù)值模型的建立

該礦山礦巖種類較多、性質(zhì)復(fù)雜，綠泥石英巖與綠泥石英片巖構(gòu)成礦體的直接頂、底板，根據(jù)地質(zhì)剖面圖與采礦方法參數(shù)，建立的計算模型為圖2～3。模型尺寸為2.8 km(x)×3.8 km(y)×2 km(z)，在開采范圍區(qū)域及其附近采用較為精細的網(wǎng)格，邊界區(qū)域采用相對稀疏的網(wǎng)格，模型共劃分為1 742 626個單元，292 222個節(jié)點。模型的底面采用全約束，四個側(cè)面采用法向約束。斷層采用接觸面(INTERFACE)模擬。

圖2 計算模型

圖3 巖層分布圖

2.2 本構(gòu)模型的選擇及力學(xué)參數(shù)的確定

在此次模擬計算中，遠離擾動區(qū)的位置采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，靠近擾動區(qū)的位置采用巖體劣化本構(gòu)模型(RDM)[7]，該模型在摩爾-庫倫的基礎(chǔ)上優(yōu)化提出，該本構(gòu)模型是基于破壞范圍內(nèi)的強度參數(shù)隨著巖體破壞程度的不同而發(fā)生相應(yīng)劣化的基本特征，認為巖體破壞范圍內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)是等效塑性應(yīng)變的函數(shù)，如式(1)所示：

(1)

強度參數(shù)的確定采用了基于Hoek-Brown強度參數(shù)的換算方法，基于巖體質(zhì)量分級結(jié)果RMR，根據(jù)經(jīng)驗公式換算成GSI，采用Hoek-Brown強度準則計算獲得巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)值匯總表

2.3 計算方法及步驟

此次數(shù)值模擬采用國際通用的大型三維巖土計算軟件FLAC3D，該方法是基于Cundall P.A.博士提出的一種顯式有限差分計算方法。經(jīng)多年發(fā)展，該軟件已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域的通用軟件。該軟件計算過程中不需利用迭代來滿足相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，而是根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，使應(yīng)力隨著應(yīng)變的變化而變化，因此在處理復(fù)雜巖體條件下的巖石工程開挖計算具有獨特的優(yōu)勢。

計算初始應(yīng)力場按構(gòu)造應(yīng)力場考慮，根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，垂直方向地應(yīng)力與自重應(yīng)力γH基本相同，水平構(gòu)造應(yīng)力σx=λ1σz，σy=λ2σz，λ1、λ2為側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，分別取值為1.5、1.7。按照圖1的計算方案進行計算，計算礦體崩落后后圍巖應(yīng)力場變化及相應(yīng)的圍巖變形，直至完成17個開采步，即從-740 m到-950 m水平的開采。計算步驟如下：①賦于模型相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)及邊界條件，模型的側(cè)面施加法向約束邊界條件，模型的底部設(shè)置x、y、z三向固定邊界條件。②在重力場作用下計算初始地應(yīng)力場，計算平衡后對計算得到的位移、塑性區(qū)進行清零，模擬開采前的巖體力學(xué)狀態(tài)。③基于選取的本構(gòu)模型，設(shè)置與崩落模擬相關(guān)的計算參數(shù)。④根據(jù)開采過程，以每個開采分段作為一個計算步進行計算，獲得每個開采分段的應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)，直道計算趨于平衡。⑤對上述開采步驟進行重復(fù)計算，待整個礦體開采結(jié)束后停止計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從變形特征來看(見圖4～6)，崩落區(qū)形態(tài)的基本特征是崩落邊界呈陡立狀，意味著地表沉陷區(qū)范圍相對較小，下盤斷層的存在對變形起到一定的“隔斷”作用。在第3步(-776 m)及其之前的開采過程中，崩落區(qū)形態(tài)總體呈下寬上窄的“煙囪”形。隨著開采的繼續(xù)，如第4～10步開采過程中，崩落區(qū)輪廓總體保持陡立，從第12步(-884 m)開始，開采區(qū)上下盤一帶開始出現(xiàn)一定程度的橫向變形或崩落，并在后期階段對地表變形和沉陷范圍形成一定的影響。隨著開采范圍的增大，崩落區(qū)形態(tài)會發(fā)生一定變化，變形逐漸增大并影響到地表的沉陷和變形分布范圍。圖7為開采過程中地表沉陷曲線，可以看出，下盤巖體位移發(fā)展到一定程度后，位移變化速度將變緩慢，上盤巖體隨著礦體的繼續(xù)開采，巖體移動范圍有變大的趨勢，總體而言，受礦體賦存產(chǎn)狀等因素影響，礦體上盤對地表的影響范圍要大于礦體下盤對地表的影響，開采結(jié)束后地表最大位移約為14 cm。

圖4 第3步開采完成后圍巖變形

圖5 第12步開采完成后圍巖變形

圖6 第17步開采完成后圍巖變形

圖7 地表沉降曲線

從應(yīng)力特征看(見圖8～9)，礦體開挖后，采場上部在開采前期會出現(xiàn)一定范圍的“應(yīng)力拱”，隨著礦體開采的進行，應(yīng)力承壓拱的范圍逐漸擴大，承壓拱可以對上覆巖體起到一定的支撐作用。但由于應(yīng)力分布會隨著開采的進行而不斷的發(fā)生變化，最后將會引起應(yīng)力承壓拱的力學(xué)條件發(fā)生破壞，引起上覆圍巖巖破壞，地表發(fā)生塌陷。

圖8 第6步開采完成后最大主應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

根據(jù)崩落法開采過程，基于FLCA3D數(shù)值模擬軟件，獲取了深部礦體崩落法開采位移及變形規(guī)律，研究成果具備一定的工程參考價值。主要結(jié)論如下：

1)深部礦體采用崩落法開采后，對于急傾斜厚大礦體而言，沉陷類型基本表現(xiàn)為筒狀陷落，斷層的存在會對位移的傳遞起到一定“隔斷”作用，移動角要比淺部傳統(tǒng)方法確定的大。

2)礦體開采后，采場上方存在由高應(yīng)力組成的“復(fù)合應(yīng)力承壓拱”，其位置隨崩落的進行而不斷演化，承壓拱的存在會對上覆巖層起到一定支持作用，最終成拱機制破壞，導(dǎo)致地表的沉陷。