某螢石礦開采巖層移動角數(shù)值模擬研究

劉 飛 熊賢亮

(1.安徽省旌德縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

某螢石礦開采近20 a，井下形成采空區(qū)較多，原巖應(yīng)力平衡被破壞，圍巖出現(xiàn)了變形、移動。隨著繼續(xù)向深部開采，圍巖變形、移動和破壞將會進(jìn)一步加劇。因此，必須對地下開采引起的上覆巖層的移動規(guī)律及其對地表移動的影響和采場地壓分布規(guī)律進(jìn)行研究[1]。

在特殊條件下，當(dāng)不適宜把主要開拓巷道布置在巖石移動范圍之外時(shí)，或者對已投產(chǎn)的礦井在井筒附近發(fā)現(xiàn)新礦體、礦體向下延伸使得井筒落入巖石移動范圍之內(nèi)時(shí)，為了保護(hù)井筒及其建筑物，需要設(shè)置保安礦柱[2]。為實(shí)現(xiàn)該礦山的安全生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展，在回采過程中，如何科學(xué)合理地確定礦山地下開采的巖體移動角，是一項(xiàng)亟待解決的問題。

1 工程概況

某螢石礦采用平硐-盲豎井開拓方式，生產(chǎn)規(guī)模為6萬t/a，采用淺孔留礦采礦法和中深孔留礦采礦法，目前已經(jīng)開采多年，井下形成較多空區(qū)，而且在生產(chǎn)探礦的過程中發(fā)現(xiàn)了新的礦體，如果按照傳統(tǒng)的移動角圈定開采移動范圍，為保證盲豎井的安全，必須在Ⅰ#礦體+256，+216 m 及以下中段預(yù)留保安礦柱，保安礦柱礦量達(dá)6.78萬t，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，按照目前原礦石價(jià)格計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)到8100萬元，因此，礦山必須對地表位移變化及井下地壓活動規(guī)律進(jìn)行研究，在保證安全的基礎(chǔ)上最大限度地回收資源。

礦山采掘工程均位于花崗閃長巖侵入體內(nèi)，巖體結(jié)構(gòu)均勻致密，裂隙不發(fā)育，呈完整狀，強(qiáng)度高，但局部有斷層，斷層中有多處可見的正角礫型礦石結(jié)構(gòu)，由于螢石礦本身性脆，受構(gòu)造影響，裂隙十分發(fā)育，礦石相當(dāng)破碎，其穩(wěn)固性較差。根據(jù)該螢石礦巖體實(shí)際的賦存情況，并結(jié)合礦山已有的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，確定該螢石礦的巖石物理力學(xué)指標(biāo)，見表1。

表1 花崗閃長巖物理力學(xué)指標(biāo)

注：巖石為風(fēng)干狀態(tài)。

2 構(gòu)建筑物的損壞程度與地表變形的關(guān)系

地表構(gòu)建筑物的損壞是地表變形傳遞給構(gòu)筑物基礎(chǔ)而引起的。在井下回采過程中，地表可能產(chǎn)生下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形，構(gòu)建筑物則隨之產(chǎn)生相似的變形。但由于構(gòu)建筑物具有一定的承受能力，因此,地表變形與構(gòu)建筑物變形存在不一致性，兩者之間的關(guān)系與構(gòu)建筑物基礎(chǔ)的材質(zhì)、規(guī)格以及力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。如果構(gòu)建筑物的變形值超過了規(guī)范要求的允許變形值，構(gòu)建筑物將遭受破壞。

2.1 構(gòu)建筑物破壞等級評判標(biāo)準(zhǔn)

我國目前對構(gòu)建筑物保護(hù)等級的劃分尚無統(tǒng)一規(guī)定，且非煤礦山在這方面研究工作較少。國內(nèi)有關(guān)的幾個煤炭礦務(wù)局均各自劃分標(biāo)準(zhǔn)，但評判標(biāo)準(zhǔn)差別不大，本次研究參照唐山煤研所根據(jù)棗莊和峰峰等礦區(qū)的實(shí)測資料總結(jié)的構(gòu)建筑物保護(hù)等級與地表變形值的關(guān)系[3],見表2。

表2 建筑物的保護(hù)等級及允許變形值

2.2 位移與變形的關(guān)系

目前我國對構(gòu)建筑物破壞等級標(biāo)準(zhǔn)[4]采用水平變形和傾斜變形來評判，而采取數(shù)值模擬計(jì)算的地表位移值應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地表傾斜及水平變形計(jì)算圖見圖1。

圖1 地表傾斜、水平變形計(jì)算圖

地表傾斜變形i為地表下沉盤地沿某一方向的坡度值，即

(1)

式中,iAB為傾斜變形，mm/m；WA為A點(diǎn)沉降值,mm；WB為B點(diǎn)沉降值,mm；lAB為A、B兩點(diǎn)水平距離,m。

地表水平變形ε為移動盆地內(nèi)一線段兩端點(diǎn)的水平移動差與此線段長度之比，即

(2)

式中，ε為地表水平變形，mm/m；UC為C點(diǎn)水平位移值，mm；UD為D點(diǎn)水平位移值，mm；lCD為C、D兩點(diǎn)水平距離，m。

3 巖層移動角數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

傳統(tǒng)的剛體極限平衡計(jì)算分析適用于金屬材料，但對于巖體這類有塑性變形的材料來講，太過于理想化，不能體現(xiàn)巖體變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的影響，為了更好地分析不同因素對巖層移動角的影響程度，本研究利用FLAC3D對螢石礦剖面建立數(shù)值模型[5]。該螢石礦礦體走向長140余m，延深至+216 m 中段，平均厚5 m。為了減少模型邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界距開挖邊界選取3倍左右的采場大小。模型高430 m左右，寬230 m，長200 m，幾何計(jì)算模型見圖2。

由于地表第四系厚度較小，相對于模型可忽略不計(jì)，故本次模型未考慮地表第四系的影響。模型按不同的礦巖性質(zhì)及開挖順序進(jìn)行分組：圍巖、開采礦體、暫不開采礦體，共包括90119個單元，20675

圖2 幾何計(jì)算模型

個節(jié)點(diǎn),三維計(jì)算模型見圖3。

圖3 三維計(jì)算模型

3.2 開采方案模擬計(jì)算

只考慮自重應(yīng)力，模型Z方向的初始應(yīng)力場見圖4。可知，數(shù)值模擬計(jì)算的初始地應(yīng)力場分布與自重地應(yīng)力場很接近，僅在礦巖接觸區(qū)域(網(wǎng)格劃分不均勻造成)與端部存在地應(yīng)力等值線起伏和應(yīng)力集中現(xiàn)象，對模型計(jì)算域結(jié)果影響不大，可以滿足計(jì)算的要求。

圖4 垂直方向初始應(yīng)力云圖

對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，將開采礦體部分進(jìn)行開挖(圖5)，垂直方向的應(yīng)力分布云圖見圖6。可知，在垂直方向上，主要的應(yīng)力是由巖體的自重產(chǎn)生，由于開采擾動的影響，破壞原有應(yīng)力平衡，致使應(yīng)力重新分布，達(dá)到最終平衡，采空區(qū)周邊縱向應(yīng)力為2～6 MPa。

模型共布置14個監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測單元水平開挖后間距為10 m。監(jiān)測點(diǎn)布置見圖7。

由于監(jiān)測點(diǎn)較多，僅列出具有代表性的10#、11#監(jiān)測點(diǎn)豎直及水平位移曲線，見圖8、圖9。各個監(jiān)測點(diǎn)水平及豎直位移統(tǒng)計(jì)見表3。

4 結(jié) 論

根據(jù)礦山巖石力學(xué)性質(zhì)，通過數(shù)值模擬的方法建立模型，可以判斷出礦體開采已經(jīng)造成沉降，影響到了地表建構(gòu)筑物。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明， 1#～10#監(jiān)測點(diǎn)豎直及水平位移均小于Ⅰ級保護(hù)類型的允許變形值，其中10#監(jiān)測點(diǎn)豎向位

圖5 開挖計(jì)算模型

圖6 開挖后垂直方向應(yīng)力云圖

圖7 開采位移監(jiān)測點(diǎn)布置

圖8 10#監(jiān)測點(diǎn)位移變化情況

圖9 11#監(jiān)測點(diǎn)位移變化情況

移為-43.8 mm，水平位移為-15.8 mm，傾斜變形為2.18 mm/m，水平變形為0.96 mm/m，在允許變形范圍內(nèi)；11#監(jiān)測點(diǎn)豎向位移為-79.5 mm，水平位移為-34.2 mm，傾斜變形為3.57 mm/m，水平變形為1.84 mm/m，均大于允許變形值。結(jié)合我國建構(gòu)筑物破壞等級的標(biāo)準(zhǔn)對受開采影響的建構(gòu)筑物進(jìn)行評判，模型中10#監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的開采移動角為77°，即礦山最大允許的開采移動角應(yīng)小于77°。礦山上、下盤圍巖為同一巖性，故確定礦山上、下盤圍巖開采最大移動角均為77°。在保證盲豎井安全的前提下，為進(jìn)一步確保礦山生產(chǎn)安全，該螢石礦開采移動角確定為75°。

表3 各監(jiān)測點(diǎn)水平及豎直位移統(tǒng)計(jì)

注：移動角數(shù)據(jù)由圖7測量所得。

[1] 高延法,張慶松.礦山巖體力學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2] 解世俊.金屬礦床地下開采(修訂版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1979.

[3] 河南理工大學(xué).峰峰集團(tuán)有限公司萬年礦村莊下采煤采動損害判定與研究[R].焦作：河南理工大學(xué)，2004.

[4] 杜維吾,劉寶琛.金屬礦山地表移動與變形規(guī)律[C]//第五屆全國礦山巖體力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會巖體力學(xué)專業(yè)委員會，1992：35-38.

[5] 麻鳳海,王永嘉.地層沉降控制的可變形離散單元模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999(2):176-179.