某硅灰石礦開采頂板圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

劉少華，葉永芳，張緩緩

（江西省煤田地質局二二四地質隊，江西 南昌 330002）

天然狀態(tài)下，地下巖層是處于平衡狀態(tài)的。然而，由于地質采礦勢必會打破這種平衡，使得礦產頂板圍巖發(fā)生損傷、變形破壞，使得其力學性質減小，降低了頂板圍巖的穩(wěn)定性，增加頂板垮塌的危險。而大采深、高應力作用下，礦井力學環(huán)境較淺部礦層開采有很大的改變，圍巖變形破壞較淺部開采有很大的差異，且更加難以掌控。因此，很有必要研究深部礦產開采圍巖移動變形破壞特征，從而有效地減小因采礦造成的頂板災害的影響。

本文以某硅灰石礦區(qū)8線和47線上Ⅳ礦體開采為例，通過對比分析不同采深情況下礦體開采模擬，得出深部礦產開采時頂板圍巖移動變形破壞的特征。

1 Ⅳ礦體簡況

Ⅳ礦體為礦區(qū)內的主礦體，賦存于55.95～508.75 m，厚1.56～21.87 m，平均厚10.53 m，其形態(tài)規(guī)則，呈似層狀、透鏡狀產出，見圖1。從圖中可看出，該礦體在8勘探線上埋深較淺，在47勘探線上埋深較深。8線上ZK801孔實際揭露Ⅳ礦體埋深為206.35～226.10 m，礦層真厚17.11 m，47 線上ZK4701孔，Ⅳ礦體埋深546.25～577.1 m，中間夾有5.95 m的灰?guī)r，下層礦體厚17.35 m。

圖1 石竹山—樟木橋硅灰石礦區(qū)縱剖面

2 礦層開采地表移動變形模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)彈性力學中圣維南原理，淺部礦層開采設計模型尺寸為200 m×100 m×200 m，深部礦層開采設計模型尺寸為200 m×100 m×585 m，兩端定義圍巖邊界均預留20 m，開挖步距均設為20 m，開挖8步，實際開挖160 m。模擬過程中對巖層厚度進行了合理的概化，47線模擬開采下部礦體，兩模型采厚均為17 m，且僅考慮巖體自重下的初始應力，其數(shù)值模型分別見圖2。模擬采用的相關參數(shù)根據(jù)巖石物理力學測試及相關文獻獲得，見表1。

表1 模型中各巖層物理力學參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬模型

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

針對前文所建立的模型，對8線（采深190 m）、47線（采深577 m）Ⅳ礦體分別進行開采模擬。模擬沿走向開采礦體，以開挖20 m、60 m、100 m、160 m時為分析對象，開挖各步對應的垂直應力云圖和下沉位移云圖見圖3～圖4。

圖3 開挖各步垂直應力云圖

圖4 開挖各步頂板圍巖下沉位移云圖

（1）頂板圍巖垂直應力變化特征

隨著Ⅳ礦體的不斷開采，礦層頂?shù)装鍘r層為達到新的應力平衡，垂直應力會呈現(xiàn)出明顯的重新分布現(xiàn)象。從圖3中可以看出，礦層采動頂板圍巖的垂直應力變化具有一定的規(guī)律性。在每一步的開挖中，由于采空區(qū)頂板釋放壓力較為劇烈，故其正上方位置處應力值最小，采空區(qū)兩端出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，這也導致頂、底板兩側位置產生變形破壞，形成壓、剪破壞區(qū)；當整個過程達到充分采動時（模擬中為開采160 m），垂直應力的最大值始終在采空區(qū)的前后方，充分采動時，淺部開采的最大垂直應力為36.91 MPa； 而深部開采時的最大垂直應力為55.287 MPa，明顯高于淺部礦層開采。

（2）頂板圍巖下沉位移變化特征

從圖4中可以看出，隨著Ⅳ礦體的不斷開采，采空區(qū)頂板圍巖下沉位移逐漸增大，采空區(qū)上覆圍巖逐漸的形成彎曲帶、裂隙帶、和冒落帶。當達到充分采動時，深部開采采空區(qū)頂板圍巖的最大下沉位移（0.767 5 m）大于淺部開采時的（0.697 84 m），且深部開采時隨著采動程度的增加（≥60 m），出現(xiàn)明顯的冒落帶，圖5為采空區(qū)“三帶”形成圖，深部開采達到充分程度時（160 m）冒落帶會與中間的裂隙帶逐漸導通，使得頂板含水層中的水通過裂隙帶進入冒落帶，進而進入采空區(qū)，增加頂板突水的可能性。

圖5 采空區(qū)“三帶“形成

3 結語

深部開采條件下，其地質環(huán)境更為復雜多變，面臨著“三高一擾動”，即高應力、高地溫和高巖溶水壓及強烈的開采擾動影響。在圍巖應力場、能量場、裂隙場等多場耦合效益綜合作用下，結合前文數(shù)值模擬分析結果，深部開采具有如下特征：

1）深部開采時的頂板圍巖應力顯著增大，導致頂板圍巖穩(wěn)定性降低，巷道直接頂承載力減小，更容易造成圍巖的失穩(wěn)變形，從而引起頂板垮塌事故。

2）深部開采時，頂板圍巖下沉較大，彎曲變形更為顯著，且隨著巷道的不斷推進，頂板圍巖會逐漸形成較為明顯的冒落帶。若冒落帶和裂隙帶導通，頂板含水層中的水會通過裂隙帶進入冒落帶，增加頂板突水的可能性，且若頂板存在巖性強度差異大的巖性，容易形成頂板離層，當頂板裂隙水進入離層帶，易造成頂板離層水害事故的發(fā)生。