某鉛鋅礦采空區巖石力學參數優化研究

王輝

（西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西西安 710055）

在進行數值模擬時各項參數選取的合理與否直接決定著工程設計的準確性、可靠性。而參數選取一直是采礦工程界的一大難題。國內外巖石力學參數選取一般采用室內巖石物理力學試驗法、工程類比法、現場原位試驗法等參數取值法。其中工程類比法依據與設計工程的巖石及地質環境的相似性選取參數，此方法隨意性大、誤差大，取值的合理性也取決于設計者的經驗；現場原位試驗法不僅費用高昂，而且測試時間較長；唯獨巖石物理力學試驗與經驗公式折減法，用時較短，且經濟、便捷，但經驗公式折減法不僅參數取值和計算較繁瑣，而且所得折減系數的隨意性較大，影響數值模擬結果。關于此問題，諸多學者從不同角度對其作了相關研究。尚振華等[1]在數值模擬的基礎上引入采空區破壞概率的概念，利用EXCEL的風險分析插件@Risk對FLAC3D網格單元的計算結果進行分析，認為大量巖石網格單元主應力和彈性應變能分布服從韋布爾分布（Weibull）和對數正態分布的規律；張成良等[2]采用有限元對空區下部礦體開采過程中空區頂板圍巖的應力、安全率、垂直最大位移、塑性區分布進行了模擬分析，認為塑性區有進一步擴大，地壓活動有進一步惡化的趨勢；宮鳳強等[3]利用改造的三維霍普金森動靜組合加載試驗裝置，開展三維動靜組合加載下砂巖力學特性試驗，認為在三維動靜組合加載下，砂巖會呈現出“單錐”壓剪破裂形式；趙延林等[4]采用基于突變理論的采空區重疊頂板穩定性強度折減法對多層采空區重疊頂板進行穩定性分析，得出上層采空區重疊頂板不穩定會促使下層采空區重疊頂板向不穩定演化；李俊平等[5]提出了傾斜礦體開采的采空區處理與卸壓開采方法，并利用數值模擬軟件ANSYS和FLAC3D確定了此方法的施工參數。本文在巖石力學性質實驗的基礎上，按巖石質量指標RQD值平方折減巖石參數得到巖體力學參數，應用FLAC3D模擬巖體內摩擦角Φ、粘聚力C、彈性模量的力學參數正交折減后采空區圍巖的穩定性，對比礦山開采現狀，從而確定巖石內摩擦角、粘聚力、彈性模量的折減系數。

1 地質概況

本文研究礦體上盤為千枚巖，下盤為灰巖，礦體為鉛鋅礦。礦體隱伏于地下750 m以下。礦體總體走向為235°，礦體南翼向南傾伏，傾角為63°～86°。根據某地勘院提供的地質勘查報告，水文地質及地震情況后進行巖石力學試驗，在礦體上盤、礦體及其下盤圍巖中隨機采集9組巖石樣品，計算各組參數的平均值，得到巖石力學參數，見表1。

表1 巖石力學參數

2 巖體力學參數

2.1 建立模型

為研究巖石E、C、Φ的折減變化規律，根據采區實際情況，選取三線剖面建立礦體開采的數值計算模型，見圖1，不計地震、降雨及河流等力學特征，地表用自由邊界，其它5面用位移邊界。依據礦山實際的開采過程，數值模擬整個采礦過程的位移、力學分布。應力分布圖中拉為“+”，壓為“-”，應力單位 Pa，位移單位 m。

圖1 三線剖面數值計算模型

2.2 水平確定

根據數值計算模型可以發現，C值千枚巖嚴重偏大，灰巖嚴重偏小，因此，千枚巖、鉛鋅礦和灰巖折減系數分別取1/15、1/8、2/3；抗拉強度及Φ折減系數取1/2。E、Φ折減水平數分別取1、4/5、2/3、1/2；C千枚巖、C礦體折減水平數分別取 1/4、1/5、1/6、1/7；C灰巖折減水平數分別取 0.6、0.7、0.8、0.9。各因素及折減水平數，見表2。

根據折減后的數據再進行數值計算模型，結果發現，上盤千枚巖C值明顯降低，下盤灰巖也有所提高。采空區模擬結果地壓分布趨向于平穩，發生塌方的概率也明顯降低[6]。

3 結果與分析

3.1 力學參數方差分析

方差分析將位移變化指標的波動分解為因素水平變化引起的波動和實驗誤差引起的波動。方差分析得出了正交表各列對指標的影響顯著程度，分析結果見表3。根據方差值變化規律，可以發現影響位移變化的敏感度由高到低為：E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰巖。

由表3可見，對折減后的數據與原數據進行數值模擬分析比較，彈性模量E變化顯著，且該指標是影響采空區穩定性的決定性因素。巖體內摩擦角Φ由圍巖的性質決定，在此發生明顯偏差主要是由于采空區對圍巖產生了擾動應力及重力作用，改變了原巖應力分布。粘聚力C受到爆破作用、重力作用在垂直方位上由上而下依次減小，對采空區穩定性影響較小。

表2 試驗因素及水平

表3 力學參數方差分析

3.2 力學參數極差分析

依據不同水平圍巖平均位移變化量，繪制各因素水平位移變化趨勢（見表4）。因計算結果較為繁瑣，在此省去計算過程，通過各因素水平位移變化數值直觀得表示各因素的變化規律。

通過表4可以發現，隨彈性模量E值增大，水平位移變化明細變大，其變化浮動明顯大于其他各因素，表示位移對這個參數的變化非常敏感[7]。根據極差值變化規律，可以發現影響位移變化的敏感度由高到低為：E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰巖。

表4 力學參數各因素水平位移變化

通過建立數值模型，再進行相應的極差分析與方差分析，對折減系數的取值進行多次驗證。發現影響位移變化的敏感度基本一致，說明折減系數的取值合理、準確。

4 力學參數折減系數分析

4.1 E折減系數

為驗證理論計算的E折減系數是否合理，通過現場實際調查選取6#采場為實驗采場，通過在頂板、間柱等位置安設位移應變儀、應力儀進行實際測量。共布置16個觀測點，通過1個月時間的觀測，得出各監測點位移、應力變化值，見表5。

表5 E變化的頂板最大位移及應力分布

當取折減系數為1時，頂板位移不超過300 mm。對比頂板應力及位移分布，發現E折減系數為1時，其他系數不能太小，否則頂板位移會超過300 mm，頂板表面出現受拉狀態。從硬巖礦山頂板應力及變形分布看，這種頂板在開采或礦柱回收中會出現頂板大面積冒落，這與該礦的實際開采情況不相符。因此，E折減系數取1，其他參數折減系數取值不宜過小。

4.2 Φ、C 折減系數

通過數值模擬結果及數學分析彈性模量E對采空區穩定性的影響力遠大于摩擦角Φ，而粘聚力C在整個實驗過程中變化都不顯著，在此將Φ、C兩項因素共同考慮。在1個月的時間內，對16個測點進行位移、應變監測得到相關數據，見表6。

表6 Φ、C變化的頂板最大位移及應力分布

由表6可知，彈性模量E引起的頂板位移、應力變化明顯大于摩擦角Φ和粘聚力C引起的頂板位移、應力變化。當E折減系數為1時，C、Φ的折減系數不能太小，若頂板圍巖位移超過300 mm，則圍巖表面呈現受拉狀態，在開采或礦柱回收過程中可能會出現冒頂現象。因此Φ、C折減系數的取值受彈性模量E影響較大，其取值不宜過小[8]。

兩項實驗共同驗證彈性模量E、巖體內摩擦角Φ、粘聚力C的取值相互影響，且當主影響因素彈性模量E取值一定時，巖體內摩擦角Φ、粘聚力C的取值不宜過小，否則可能出現冒頂現象。

5 結論

本文從彈性模量E、巖體內摩擦角Φ、粘聚力C三個方面綜合分析了巖體力學參數折減系數變化情況，通過計算確定上盤為千枚巖，下盤灰巖，礦體E、Φ、密度、μ、抗壓強度折減系數取1時，C千枚巖、C礦體、C灰巖的折減系數分別取 1/5、1/4、4/5。通過數值模擬及采空區實驗監測數據發現，各巖石力學參數的變化引起應力重新分布，敏感性程度順序由高到低依次為E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰巖，說明對采空區穩定性影響因素的重要性，作為后期指導采礦設計施工的重要依據。

參考文獻：

[1]尚振華,唐紹輝,焦文宇.流暢基于FLAC3D模擬的大規模采空區破壞概率研究[J].巖土力學,2014(10)：3000-3006.

[2]張成良,楊緒祥,李風,等.大型采空區下持續開采空區穩定性研究[J].武漢理工大學學學報,2010,32(8)：117-120.

[3]宮鳳強,李夕兵,劉希靈.三維動靜組合加載下巖石力學特性實驗初探[J].巖石力學與工程學報,2011,30(6)：1179-1190.

[4]趙延林,吳啟紅,王衛軍,等.基于突變理論的采空區重疊頂板穩定性強度折減法及應用[J].巖石力學與工程學報,2010,29(7)：1424-1434.

[5]李俊平,王曉光,趙興明,等.某鉛鋅礦采空區處理與卸壓開采方案的數值模擬[J].西安建筑科技大學學報(自然科學),2015,47(5)：745-751.

[6]李俊平,張浩,李鵬偉.畢機溝露天礦巖體力學參數折減系數的數值模擬確定[J].安全與環境學報,2016,16(5)：140-145.

[7]李想,朱為民,謝曉斌.FLAC3D在某鐵礦采空區穩定性分析中的應用[J].中國礦山工程,2012,41(1)：25-29.

[8]劉溪鴿,朱萬成,魏炯.巖石力學數值模擬方法用于采礦工程的技術經濟探討與教學實踐[J].中國礦業,2016,25(1)：155-160.