考慮地下水因素的礦山頂板安全厚度數值模擬研究*

劉大金 ，聞磊，石召龍

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學 工程力學系，河北 石家莊 050043)

0 引言

在地下礦體開采過程中，為實現礦產資源的安全開采，需要充分考慮礦體在回采過程中頂板巖層的預留厚度。礦體頂板受到下部礦體開采的影響，使地表容易出現塌陷坑或大幅度的不均勻沉降等不良現象，甚至會對地下水環境造成影響。因此，確?；鶐r頂板具有足夠的厚度來保證回采后礦體圍巖的整體穩定性至關重要。

目前針對礦山頂板穩定性以及礦山頂板安全厚度的計算方法研究取得了一定進展。王悅青等[1]采用FLAC3D 軟件模擬了某銅礦回采過程中的不同工況，發現開采深度是地壓活動與采空區頂板、斷層相互關系中的重要影響因素。徐恒等[2]利用尖點突變理論研究了采空區頂板失穩破壞的力學機制。曹定洋等[3]采用薄板模型以及尖點突變理論分析了某鎳礦采場頂板穩定性的核心因素。胡洪旺等[4]采用Ressiner 厚板理論等其他彈性力學理論推導了頂板撓曲線及最大主應力公式。姜立春等[5]通過對某礦山的監測，結合相關力學理論研究了層狀巖體頂板的破壞特征。張遂等[6]基于室內試驗采用數值模擬方法分析了不同邊界條件下礦體頂板的破壞規律。宋衛東等[7]基于礦山的位移觀測點數據，揭示了無底柱分段崩落法開采時的頂板破壞及地表變形規律。譚寶會等[8]提出了“下部充填體散體冒落+上部充填體及覆巖整體陷落”的復合破壞模式，并結合數值模擬分析了礦山間柱失穩機理。池秀文等[9]采用能量釋放理論針對多層礦體回采時的頂板穩定性問題進行了研究。巨未來等[10]利用流變力學理論結合Ressiner 厚板理論推導出了礦山頂板位移隨時間的變化趨勢。蔣斌松等[11]結合傅立葉積分變換方法，采用彈性地基梁計算模型對某礦山石灰巖質頂板穩定性進行了分析。馮吉成等[12]依據礦山現場實測數據，結合理論研究、數值模擬等方法針對某礦山巷道頂板軟硬互層巖體結構穩定性進行了研究，提出了相應加固方法。

目前，這些研究普遍采用數值模擬、理論分析、現場實測等方法，充分考慮礦山巖體結構、巖體力學性質等因素對采場頂板穩定性進行分析，但結合地下水影響因素分析礦體頂板穩定性的研究較少。

本文充分考慮地下水對礦山頂板圍巖穩定性的影響，采用FLAC3D軟件模擬礦區回采時圍巖的地下水滲流場、位移場、應力場、塑性區分布等特征，最終獲得采場頂板最小安全厚度。

1 數值計算模型建立及參數選取

1.1 巖體力學參數選取

礦山現場采取巖土體樣本，采用室內試驗的方法獲取相關巖土體物理力學參數，結合Hoek-Brown得到圍巖體力學指標，具體步驟如下。

（1）通過室內試驗并結合礦山以往巖石試驗資料，獲得每個巖組的力學參數。

（2）根據室內巖組力學參數，依據每個工程地質分區特征，結合野外鉆孔波速測試及鉆孔巖土體特征定性描述，準確劃分巖體級別。

（3）依據室內試驗、鉆孔巖心描述、波速測試等資料，采用RMR 評分體系，按照工程地質分區對每個巖組進行巖體評分，以Hoek-Brown 準則為基礎，結合巖體質量分級結果，綜合確定圍巖體力學參數。

參照工程地質分區，依據上述方法獲得本礦區每個巖組的巖體力學參數，見表1。按照礦山設計開采方案，充填體參數見表2。工程地質巖組為：第四系松散巖砂卵礫石亞巖組（I-1），第四系松散巖砂土黏性土亞巖組（I-2），強風化帶亞巖組（Ⅱ-1），弱風化帶亞巖組（Ⅱ-2），礦體完整性較好亞巖組（Ⅲ-1），礦體完整性較差亞巖組（Ⅲ-2），變質輝長輝綠巖巖組（Ⅳ），礦體圍巖完整性較好亞巖組（V-1），礦體圍巖完整性較差亞巖組（V-2），破碎帶及蝕變巖巖組（Ⅵ）。

表1 各巖組巖體力學參數值

表2 井下充填體物理力學參數

1.2 數值計算模型

依據礦體空間分布特征、巖層結構面特征和礦山開采方案構建數值計算模型，模型范圍為地表至-900 m 標高，x方向長1180 m，y方向長140 m。依據頂板按抗彎結構力學模型、礦體頂板按抗剪結構力學模型2 種解析法計算結果，該區域采場頂板按厚度35 m建立模型。建立的數值計算模型見圖1，圖1 中不同顏色代表不同的工程地質巖組。

圖1 數值計算模型

每個工程地質模型經精細剖分后，模型網格分為24 698 個區和31 072 個節點，采用六面體單元劃分模型。本構關系采用莫爾-庫侖模型。典型剖分圖見圖2。

圖2 典型剖分圖

2 頂板穩定性分析

模擬礦山分步回采，獲取了該區域內滲流速率圖、位移等值線圖、應力等值線圖和塑性分布區圖等。

2.1 開挖狀態下應力場分布特征

開挖狀態下應力場垂向分布特征見圖3。由圖3 可知，充填體底部周圍出現了應力集中，z方向應力最大，達59.54 MPa。在頂板安全條件下開挖采場，頂板附近z方向應力最大值為20.00 MPa。其他區域應力由上至下越來越大，這是由于垂直方向的重力不斷增大。在水巖耦合條件下，礦體底部采場間柱z方向應力最大值為41.74 MPa，主要集中在中間礦柱和充填體處，盤區間柱受力在30～35 MPa 之間，間柱與充填體比較穩定。

圖3 開挖狀態下應力場垂向分布特征

2.2 開挖狀態下地下水滲流場分布特征

本次模擬充分考慮地下水對地下圍巖穩定性的影響，通過應力場與滲流場的藕合，計算出開挖狀態下的滲流場矢量分布，如圖4 所示。開挖擾動引起了孔隙水在地層內部的滲流流動，從圖4 可發現，由于第四系底部黏土層、強風化帶、弱風化帶透水性弱，很大程度減弱了第四系水與基巖間的水力聯系，阻止了孔隙水向采場滲流。

圖4 開挖狀態下地下水滲流場分布特征

2.3 開挖狀態下位移場分布特征

開挖面剖面沉降位移云圖見圖5。由圖5 可知，礦體開挖面以上到地表面位移逐漸增大，位移均為負沉降位移，礦體頂面位移最大，往兩側逐漸減少，開挖面寬度左右一倍以上位移基本衰減為0，開挖面中線以上地面位移最大，達25.67 cm，而礦體開挖頂面最大位移僅有15 cm。

圖5 開挖面剖面沉降位移云圖

2.4 開挖狀態下基巖塑性區分布

開挖狀態下基巖塑性區分布見圖6。由圖6 可知，斷層不發育部位圍巖出現了一定的塑性區，這是由于開挖硐室產生的重分布應力超過巖石本身強度，導致發生剪切破壞，可考慮采用鋼模板固定間柱，使其處于三軸應力狀態，從而提高其整體強度。

圖6 開挖狀態下塑性區分布

隨著采場安全頂板厚度的增大，地表沉降逐步減小。根據計算可知，當頂板安全厚度不小于35 m時，地表沉降量均小于30 cm，對地面的危害較小，可以滿足保護第四系含水層與地面建筑物的要求。

3 結論

本次研究考慮了地下水對礦山圍巖應力及位移的影響，采用FLAC3D軟件模擬了礦區回采時圍巖的地下水滲流場、位移場、應力場、塑性區分布等特征，具體結論如下。

（1）開挖擾動產生新生裂隙，致使部分孔隙水從頂板中滲流到采場，在疏干排水條件下，第四系、強風化帶黏性土固結壓密、滲流固結造成礦區地面位移大于開挖面頂部位移。后期開采過程中需注意施工方法和防水措施，加強礦坑頂板變形和滲水情況的監測。

（2）當頂板安全厚度不小于35 m 時，地表沉降量小于允許值，對地面產生危害較小，可以滿足保護第四系含水層與地面建筑物的要求。

（3）地下礦產資源的開采不斷改變地下初始應力場、滲流場等分布并達到新的平衡。若此過程一旦失控，則會發生地表塌陷、井下突水、井下泥石流或大規模地壓活動等安全事件。對采空區進行高質量充填并充分接頂，能有效控制頂板及上覆巖層的變形。