基于FLAC3D某礦山崩落區(qū)演化規(guī)律研究

李剡兵,劉華武,馮興隆,杜桂泉

(云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司, 云南 香格里拉市 674400)

0 引 言

自然崩落法作為一種高效率、低成本、安全性好的采礦方法,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛推廣與應(yīng)用[1]。自然崩落法拉底過程中,礦巖發(fā)生破壞與崩落,在拉底層上方形成自支撐穩(wěn)定拱,穩(wěn)定拱隨拉底推進(jìn)最終垮落,若垮落規(guī)模過大,則壓縮采空區(qū)空間,引起空區(qū)壓力驟增,產(chǎn)生氣浪沖擊,危及底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,威脅井下人員與設(shè)備安全;隨礦巖垮落,底部空區(qū)增大,地表以下支撐減弱,造成地表變形、破壞,影響地表設(shè)備設(shè)施使用[2]。因此,研究拉底層上覆礦巖能否有序崩落,進(jìn)而判斷拉底計(jì)劃的合理性是礦山安全生產(chǎn)的問題之一。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者常采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法、相似物理實(shí)驗(yàn)法研究崩落區(qū)的演化發(fā)展規(guī)律[3-5]。這些方法中,觀測(cè)法依賴于觀測(cè)者的經(jīng)驗(yàn),主觀性強(qiáng);由于地形、拉底方案、巖性等不同,采用自然崩落的礦山難以相互借鑒,制約經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法的應(yīng)用;相似物理實(shí)驗(yàn)對(duì)模型與實(shí)地情況相似度的要求較高,需考慮的因素較多,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求高。

與上述3種方法相比,數(shù)值模擬法具有針對(duì)性強(qiáng)、耗時(shí)少、研究范圍大、模擬過程及結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。李永輝等采用3DEC研究不同拉底方案對(duì)應(yīng)的崩落規(guī)律,確定了合理的拉底方案和順序[6];梁江波等采用FLAC3D模擬研究拉底超前聚礦槽開挖條件下,超前距離設(shè)置的合理性[7];Alexander等通過FEM/DEMDFN軟件建立二維概念模型,突出了節(jié)理方位和斷層的傾角方位在確定沉降發(fā)展和定義地表沉降不對(duì)稱角的重要性[8]。已有研究多采用較小的模擬規(guī)模、簡(jiǎn)化拉底設(shè)置和參數(shù),面向規(guī)律研究而非生產(chǎn)實(shí)際。本研究擬以具體銅礦山為代表,依據(jù)制定的拉底計(jì)劃模擬開挖,分析崩落體積與崩落高度的變化情況,確定危險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間,提出相應(yīng)的安全預(yù)防措施。

1 工程數(shù)值模型

該銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州,鄰近三江源自然保護(hù)區(qū),最低海拔3450 m,最高海拔4702 m,11月至翌年4月為積雪期,冰凍雪蓋,無霜期僅128 d。年平均降水量619．9 mm,雨季降水量占全年的87．1%。礦床探明經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)量92萬t,高級(jí)別儲(chǔ)量76萬t,有伴生金銀300 t。該礦首采區(qū)有6個(gè)礦塊,礦體產(chǎn)狀急傾,平均品位0．44%。該銅礦共含4組優(yōu)勢(shì)節(jié)理,其中,2組主優(yōu)勢(shì)節(jié)理,2組次優(yōu)勢(shì)節(jié)理,平均節(jié)理間距0．08 m。經(jīng)系統(tǒng)論證,該礦床采用自然崩落法進(jìn)行開采。

1．1 模型構(gòu)建

利用FLAC3D內(nèi)置網(wǎng)格生成器GEN提供的13種基本模型[9],通過編程語言控制單個(gè)模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),重復(fù)大量生成簡(jiǎn)單模型,以類似于“砌墻”的方法自下而上地構(gòu)建出本次所用礦山模型(見圖1、圖2),模型共包含單元約230萬個(gè),其模型范圍約為拉底范圍的3倍。該礦山為斑巖礦,巖性單一,故未巖性分層。

圖1 礦山底部結(jié)構(gòu)模型

圖2 整體礦山模型

1．2 本構(gòu)模型及參數(shù)確定

FLAC3D提供了眾多本構(gòu)模型,每種模型皆有其適用范圍。其中,Mohr-Coulomb本構(gòu)模型適用于松散或膠結(jié)的粒狀材料,如土體或巖石等,廣泛應(yīng)用于地下開挖,邊坡穩(wěn)定性等問題的模擬分析[9],因此,本次礦山模擬開挖選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

實(shí)驗(yàn)室中制備的礦巖樣品,雖然取自礦山現(xiàn)場(chǎng),但巖樣本身具有較高的完整性,無法完全代表天然巖體的力學(xué)特性。雖巖體力學(xué)參數(shù)無法通過試驗(yàn)手段實(shí)測(cè),但前人已于此問題做了大量研究,確定了從巖石參數(shù)向巖體參數(shù)轉(zhuǎn)變的Hoek-Brown強(qiáng)度折減準(zhǔn)則[10]?？紤]節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)以及工程施工質(zhì)量和外界擾動(dòng),選定地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI、完整巖石參數(shù)mi、擾動(dòng)因數(shù)D三個(gè)常量,將其代入Roc Lab參數(shù)折減軟件,生成表1所示模擬參數(shù)。

表1 某銅礦巖體參數(shù)

1．3 邊界條件及地應(yīng)力反演

模型四周邊界滾支固定,底部邊界完全固定,地表作為自由面不做處理,以此作為模型的邊界條件。

該銅礦僅監(jiān)測(cè)了某一確定水平的應(yīng)力值,本次模擬通過FLAC3D軟件提供的梯度功能,對(duì)模型施加水平應(yīng)力,同時(shí)施加重力,運(yùn)行模型至平衡狀態(tài),對(duì)比已測(cè)應(yīng)力值與模型應(yīng)力值的大小關(guān)系,經(jīng)過不斷反演嘗試,最終3720水平模擬應(yīng)力值與實(shí)際應(yīng)力值的大小關(guān)系見表2。

1．4 模擬拉底范圍

圖3為該銅礦初始拉底面積與每隔2個(gè)月的拉底輪廓。模擬過程中,將地應(yīng)力反演平衡后的模型首先開挖出礦穿脈,隨后按圖3所示步驟模擬拉底開挖,自初始拉底區(qū)向東西兩側(cè)推進(jìn)開挖,聚礦槽與出礦進(jìn)路滯后拉底推進(jìn)線30 m開挖。共拉底8步,每步運(yùn)行模擬完畢后保存當(dāng)前結(jié)果以備后續(xù)處理。

表2 地應(yīng)力反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3 拉底推進(jìn)計(jì)劃

2 模擬結(jié)果分析

2．1 崩落基準(zhǔn)的選取與確定

崩落情況分析的關(guān)鍵問題是確定發(fā)生破壞的單元應(yīng)滿足的力學(xué)條件。英國(guó)國(guó)家煤炭委員會(huì)(NCB)規(guī)定:垂直位移3 cm是對(duì)地表基礎(chǔ)設(shè)施造成損傷的最小閾值,也是地表脆性巖體發(fā)生斷裂的大概指標(biāo)。若采用此值,將會(huì)半年內(nèi)崩透地表,與實(shí)際工程不符,此值偏小。經(jīng)多次測(cè)試,結(jié)合該銅礦2＃溜井電視監(jiān)測(cè)值,以豎向位移大于等于7 cm,拉應(yīng)力大于等于0．14 MPa作為破壞判據(jù)。并與Woo等研究帕拉博拉銅礦時(shí)修正的FLAC3D模擬參數(shù)比較,確認(rèn)2個(gè)數(shù)值選取的合理性。

通過FLAC3D內(nèi)置的Fish語言編寫程序,遍歷所有單元,篩選出符合破壞判據(jù)的單元并命名為“崩落區(qū)”,如圖4所示。

2．2 頂板高度演化特征

該銅礦山共設(shè)置3個(gè)TDR監(jiān)測(cè)點(diǎn)與1個(gè)溜井監(jiān)測(cè)點(diǎn),處理各步模擬結(jié)果,提取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板高程,以拉底層頂板高程為基準(zhǔn)水平,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖4 崩落區(qū)典型形態(tài)

圖5 各拉底步頂板崩落高度

由圖5可知:4個(gè)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)處礦巖均將在第7步時(shí)崩透地表;2＃溜井、TDR_2、TDR_3三處礦巖在崩透地表前變化趨勢(shì)基本一致,大致呈線性增加、且增速接近;較其他測(cè)點(diǎn),TDR_1處在第5步拉底后增幅加大,尤其在第6步至第7步間高度增速更為急劇。這與此處地勢(shì)陡峭,西部礦巖崩落速度較東部大,地表發(fā)生塌陷、且與下部垂直貫通有關(guān)(見圖6)。頂板高度整體變化趨勢(shì)為前期稍慢于后期,由于崩落后期崩落區(qū)距地表更近,對(duì)地表支撐作用更弱,因此,第5步拉底完成后礦山現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)密切關(guān)注崩落高度與地表沉降變化的監(jiān)測(cè)。

圖6 第7步拉底崩落區(qū)形態(tài)

2．3 崩落體積演化特征

通過Fish語言編程,計(jì)算各拉底步運(yùn)行完畢后的結(jié)果中崩落區(qū)的累計(jì)體積,圖7所示為各拉底步對(duì)應(yīng)的累計(jì)崩落體積及月均體積增量變化情況統(tǒng)計(jì)。

圖7 各拉底步崩落體積

由圖7可知:崩落體積隨拉底推進(jìn)不斷增加且有加速趨勢(shì),破碎礦巖整體較有序地崩落,結(jié)合頂板高度變化情況,拉底安排是較為合理的。為分析崩落體積在各階段的變化情況,求取各月崩落體積的情況并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)月均崩落礦石量整體呈上升趨勢(shì),且增加速度在第4步之后有加速趨勢(shì)。因此,綜合考慮崩落體積與月均體積變化情況,應(yīng)在第5步拉底后做好井下工作人員的安全防護(hù)工作,或在此之后增加爆破次數(shù),減小單次拉底面積,以減緩拉底速度,防止崩落下的大體積礦巖所帶來的氣浪沖擊對(duì)井下人員設(shè)備的危害。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合國(guó)外相關(guān)規(guī)定及銅礦自身崩落監(jiān)測(cè)高度,篩選出崩落區(qū)域滿足的礦巖破壞指標(biāo),并與有較長(zhǎng)開采年限的礦山對(duì)比,確定其合理性。

(2)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處礦巖均在第7步崩透地表,2＃溜井、TDR_2、TDR_3頂板高度變化趨勢(shì)幾乎一致且勻速增加,TDR_1處頂板高度呈前緩后急的趨勢(shì),第5步后應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)頂板高度與地表沉降的變化情況。

(3)崩落體積累增且有加速趨勢(shì),整體有序可尋,結(jié)合頂板高度變化認(rèn)為拉底安排合理;月均增量前期小后期大,應(yīng)在第5步后加強(qiáng)安全防范,防止氣浪沖擊與底部破壞。