地下深部開采對(duì)豎井穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

谷中元，李彩虹，郭利杰，楊 揚(yáng)

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，目前淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，為滿足能源需求，越來(lái)越多的礦山開始向深部資源開采發(fā)展。但隨著礦山開采深度的增加，地應(yīng)力不斷升高，同時(shí)地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜，易出現(xiàn)一些工程災(zāi)害，為井下人員的安全和采場(chǎng)、井巷等的穩(wěn)定性帶來(lái)一些不利影響。

為保證地下深部礦山安全開采，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，但主要集中在深部采場(chǎng)穩(wěn)定性和深部開采中地表塌陷范圍的確定等方面[1-3]，而豎井作為礦山的重要設(shè)施，其井筒穩(wěn)定性對(duì)于礦山的提升運(yùn)輸具有重要意義。馬鳳山等[4]利用FLAC2D軟件對(duì)山東望兒山礦區(qū)淺部復(fù)采對(duì)豎井井筒的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析研究，對(duì)比空區(qū)不充填方案，發(fā)現(xiàn)地下空區(qū)充填后豎井位移量減小，井壁基本無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，穩(wěn)定性較好。魏秀泉[5]為研究某銅鎳礦采空區(qū)對(duì)豎井穩(wěn)定性影響，采用數(shù)值模擬方法從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該豎井在地表附近和底部某一高程范圍內(nèi)易發(fā)生開裂和剝落。黃武勝等[6]通過(guò)FLAC3D計(jì)算軟件對(duì)金川三礦區(qū)設(shè)計(jì)的不同開挖方案對(duì)主、副井的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明同時(shí)進(jìn)行多個(gè)工程開挖會(huì)對(duì)豎井產(chǎn)生一定影響，應(yīng)及時(shí)對(duì)井壁進(jìn)行加固處理。此外，尹士獻(xiàn)等[7]、趙海軍等[8]、吳永剛[9]均通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)地下礦體開采中豎井的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，并提出適當(dāng)建議措施以保證礦山安全生產(chǎn)。

本文以吉林東風(fēng)鐵礦區(qū)為工程背景，根據(jù)地質(zhì)資料建立精細(xì)化三維模型，采用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)變形規(guī)律、應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布等方面研究分析其深部礦體回采對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響，為礦山后續(xù)安全開采提供一定指導(dǎo)依據(jù)。

1 工程概況

東風(fēng)鐵礦位于吉林省臨江市大栗子鎮(zhèn)，礦石的自然類型為菱鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦混合型礦石，為傾斜-急傾斜中厚礦體。礦體賦存標(biāo)高為+280～-356 m，其中+40 m以上礦體為老采區(qū)，此部分礦體已全部采出且用干式充填完畢。新采區(qū)礦體賦存標(biāo)高-58～-356 m，目前開采至-150 m中段，采用上向分層干式充填法進(jìn)行回采。圍巖以千枚巖為主，部分區(qū)域有斷裂構(gòu)造存在。

本鐵礦在開采初期只探明了老采區(qū)的礦體儲(chǔ)量，新采區(qū)是在老采區(qū)回采過(guò)程中進(jìn)行地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)的礦體。礦山的原開采方案是針對(duì)老采區(qū)開采設(shè)計(jì)的，并確定了巖體移動(dòng)角度，如果在進(jìn)行深部新采區(qū)開采方案設(shè)計(jì)時(shí)沿用原來(lái)的巖體移動(dòng)角度，則位于采區(qū)附近的豎井的近地表部分將處于新采區(qū)的巖體移動(dòng)帶內(nèi)，使得部分新采區(qū)礦體無(wú)法開采，造成大量礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)。

由于我國(guó)金屬礦山關(guān)于巖體移動(dòng)角度的設(shè)計(jì)規(guī)范是沿用前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)時(shí)金屬礦山普遍開采深度較淺，因此當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法適用現(xiàn)在的深部礦山開采。其次當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)空?qǐng)龇ê捅缆浞ǖ贸龅慕Y(jié)論，已不太適用于充填法。因此本文利用數(shù)值模擬方法針對(duì)東風(fēng)鐵礦新采區(qū)使用的充填法對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響進(jìn)分析，為礦山安全開采提供一定的理論指導(dǎo)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 三維模型的建立

為全面分析老、新采區(qū)的開采對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響，根據(jù)地表地形圖和地質(zhì)調(diào)查資料，利用ANSYS軟件建立精細(xì)化三維模型，并根據(jù)計(jì)算需求適當(dāng)加大部分區(qū)域網(wǎng)格密度，如圖1所示。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型四周邊界距離礦體中心均超過(guò)三倍礦體長(zhǎng)度，模型底面距礦體底部200 m。模型尺寸為1 660 m×1 190 m×1 180 m(長(zhǎng)×寬×高)，豎井高800 m(頂部標(biāo)高+500 m，底部標(biāo)高-300 m)，模型單元總數(shù)為1 124 819，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為189 919。最后將模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行后續(xù)計(jì)算任務(wù)。

圖1 三維模型圖Fig.1 3D model diagram

2.2 相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)巖體分類情況，本次計(jì)算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。計(jì)算模型的邊界條件為：底面進(jìn)行豎直位移約束，模型四周進(jìn)行水平位移約束，地表不做任何約束。模型應(yīng)力以自重為主，側(cè)壓力系數(shù)參考同類型礦山取值為0.5。

在礦體不同中段分別取多塊礦石和圍巖，加工后進(jìn)行單軸壓縮、剪切等試驗(yàn)獲取巖石力學(xué)參數(shù)。根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減得到礦石和圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)，同時(shí)參考同類型干式充填礦山確定了充填體的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

目前老采區(qū)(240 ～80 m中段)的礦體全部開采充填完畢，由于豎井位于老采區(qū)的巖體移動(dòng)帶外，因此在老采區(qū)的整個(gè)開采過(guò)程中豎井穩(wěn)定性較好，沒(méi)有發(fā)生破壞，因此本次計(jì)算著重對(duì)新采區(qū)(-50 m以下)的礦體開采對(duì)豎井穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)的采礦方法(上向分層干式充填法)，在模擬計(jì)算時(shí)從上到下逐個(gè)中段進(jìn)行開采及充填；同時(shí)在每個(gè)中段，水平方向每隔50 m作為一個(gè)礦房，并逐個(gè)進(jìn)行開采；在每個(gè)礦房每開采一定的高度就進(jìn)行充填，直至結(jié)束。對(duì)于240～80 m的老采區(qū)，為減少計(jì)算時(shí)間，采用從上到下逐個(gè)中段進(jìn)行開采充填，不再進(jìn)行具體礦房劃分，礦房分布情況如圖2所示。

圖2 各中段礦房和豎井分布圖Fig.2 Distribution of mine houses and shafts in each middle section

3 計(jì)算結(jié)果與分析

隨著礦體的不斷向下開采，其對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響也在逐漸增大。為方便分析，計(jì)算過(guò)程中在靠近礦體一側(cè)的豎井井壁上每隔50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)選取兩個(gè)過(guò)豎井中心點(diǎn)且平行于坐標(biāo)軸的豎直剖面，如圖3(a)與(b)所示，通過(guò)井筒位移、應(yīng)力和塑性區(qū)的大小及分布情況對(duì)豎井穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖3 豎井剖面圖Fig.3 Shaft profile

3.1 位移分析

當(dāng)新采區(qū)的礦體全部開采充填完成后，豎井的變形情況如圖4～5所示，可以發(fā)現(xiàn)，豎井上部的水平變形值大于下部的，且越靠近地表變形值越大，最大水平變形值為2.5 mm。

圖4 豎井X方向變形情況(單位：mm)Fig.4 Deformation of shaft in X direction

圖5 豎井Y方向變形情況(單位：mm)Fig.5 Deformation of shaft in Y direction

每個(gè)中段開采充填結(jié)束后通過(guò)井壁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值(如圖6和圖7所示)可以發(fā)現(xiàn)，在井巷開挖階段，豎井的變形值不大且各部分變形較為均勻。隨著老采區(qū)的開采，豎井水平方向(X方向)變形逐漸增大，這是因?yàn)榈V體位于豎井X軸方向，礦體的開采對(duì)豎井X方向變形影響最為明顯。隨著新采區(qū)的開采，豎井X方向變形值逐漸變?yōu)樨?fù)值，表示豎井向礦體方向發(fā)生變形，且隨著礦體的不斷向下開采，近地表區(qū)域的變形值越來(lái)越大。在豎井下部區(qū)域，X方向變形值為正值，說(shuō)明豎井下部受礦體開采影響較小，其變形主要是由于豎井內(nèi)部臨空面造成的。豎井Y方向變形值隨著礦體的不斷開采也在不斷增大，但其最大變形值為1.1 mm。

圖6 豎井X方向位移值Fig.6 Displacement value of shaft in X direction

圖7 豎井Y方向位移值Fig.7 Displacement value of shaft in Y direction

為更詳細(xì)分析豎井的穩(wěn)定性情況，對(duì)豎井水平方向變形值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算得到偏斜率值，該值反映豎井沿某一方向的坡度值，計(jì)算如公式(1)所示。圖8和圖9為豎井的水平和豎直方向偏斜值，可以發(fā)現(xiàn)X方向最大偏斜率為-0.015 mm/m，Y方向最大偏斜率為-0.008 mm/m。參照《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，豎井屬于Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)，其最大傾斜率允許值為±3 mm/m，而本次計(jì)算中的豎井傾斜率均小于規(guī)范允許值，因此豎井能夠保持穩(wěn)定。

圖8 豎井X方向偏斜率Fig.8 Deviation slope of shaft in X direction

圖9 豎井Y方向偏斜率Fig.9 Deviation slope of shaft in Y direction

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3.2 應(yīng)力分析

新采區(qū)全部開采結(jié)束后，豎井的主應(yīng)力分布情況如圖10～13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，豎井井筒及鄰近區(qū)域總體以壓應(yīng)力(正數(shù)值)為主，無(wú)明顯拉應(yīng)力(負(fù)數(shù)值)，無(wú)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)基本保持穩(wěn)定。井筒周圍應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)近似水平層狀分布，井筒處發(fā)生應(yīng)力梯度錯(cuò)動(dòng)，從上至下井筒最大主應(yīng)力逐漸增加，井筒底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力約為25 MPa。因此礦體開采對(duì)豎井和其附近巖體的應(yīng)力場(chǎng)影響不大。

圖10 X方向剖面最大主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.10 The maximum principal stress in X direction

圖11 X方向剖面最小主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.11 The minimum principal stress in X direction

圖12 Y方向剖面最大主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.12 The maximum principal stress in Y direction

圖13 Y方向剖面最小主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.13 The minimum principal stress in Y direction

3.3 塑性區(qū)分析

豎井的塑性區(qū)分布情況如圖14所示，發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)產(chǎn)生范圍較小且主要集中在豎井上部，說(shuō)明礦體開采對(duì)豎井上部的影響較為明顯。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，豎井上部的塑性區(qū)分布較為均勻，深度較淺，且主要為剪切破壞，伴隨少量拉伸破壞，無(wú)明顯塑性貫通區(qū)，因此該豎井較為穩(wěn)定。

圖14 豎井塑性區(qū)分布圖Fig.14 Distribution of plastic zone in shaft

綜上所述，在新采區(qū)開采充填過(guò)程中，通過(guò)對(duì)豎井的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)等方面的分析可知，豎井井筒的變形值小于《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的最大允許值，同時(shí)無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，塑性區(qū)產(chǎn)生范圍較小且深度較淺，無(wú)明顯塑性貫通區(qū)，因此礦體的開采對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響較小，豎井可以保持其原有穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)豎井穩(wěn)定性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著礦體的不斷開采，豎井的變形越來(lái)越大，最大水平變形值為2.5 mm，偏斜率值為-0.015 mm/m，小于安全規(guī)范中對(duì)于Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)構(gòu)筑物的變形最大允許值，因此礦體開采對(duì)豎井變形影響較小。

2)通過(guò)對(duì)應(yīng)力和塑性區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，礦體的開采對(duì)豎井及其周邊圍巖的應(yīng)力場(chǎng)影響不大，豎井不存在應(yīng)力集中區(qū)，同時(shí)豎井塑性區(qū)產(chǎn)生范圍較小，深度較淺，無(wú)明顯塑性貫通區(qū)，因此豎井較為穩(wěn)定。

3)計(jì)算結(jié)果表明，新采區(qū)的充填開采方法對(duì)豎井穩(wěn)定性影響較小，豎井可以保持其原有穩(wěn)定性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，充填法在一定程度上可以減小巖體移動(dòng)范圍，可為同類型礦山的開采設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。