厚大礦體充填開采地表穩定性分析

程東旭, 曾凌方, 朱國輝

(長沙有色冶金設計研究院, 湖南 長沙 410007)

1 前言

隨著礦產資源的開采,大部分淺部和易采的礦體已經基本消耗殆盡,未來將會有越來越多難采、深部的礦體資源進行回采,例如對于以往礦山對地表建構筑物、水體等壓覆的保安礦柱或未能開采的礦產資源進行回采。在當今發展綠色礦山的大環境下,地下開采造成地表建構筑物的破壞是越來越不被允許的,而隨著礦石需求量的增長,高采出率和高地表安全保護等級是現在需要解決的問題,此時開展地下礦產資源開采下地表移動變形規律的研究是必不可少的。目前越來越多的金屬非金屬礦山領域廣泛應用的采礦方法主要為充填法,充填法在安全、高效開采建筑物下礦石資源、減小地表變形破壞、提高礦石回采率等方面發揮了重要作用[1-4]。相比其余采礦方法,充填采礦有損失貧化率低,安全等優勢,同時充填采礦可以有效控制地表賦巖的移動,減少地表塌陷和下沉,可以保護地表建構筑物,因此研究充填法開采對地表沉降變形規律具有重要知道意義。

為了研究地下開采對地表移動變形的影響,國內外學者開展了大量研究工作。A. K. Ghose和V. R.Greco考慮各種影響因素,基于Knothe時間函數,建立了可以預測開采后地表移動變形的三維影響函數[5-6]。楊寶貴通過數值模擬對比分析充填法與垮落法開采的地表移動梯度變化情況,揭示了利用矸石、粉煤灰充填開采可以有效降低地表下沉梯度和水平移動梯度[7]。劉艷章通過有限元分析得到了大包莊礦山采空區不充填和全充填下地表移動帶的圈定范圍,得出數值模擬圈定的移動帶能更好的反應實際地表變形[8]。王海軍利用巖石力學數值模擬圈定地表移動帶對礦山地下開采有可能影響建構筑物安全進行了分析和量化評價[9]。李同鵬通過分析計算鳳凰山銅礦充填法開采過程中地表風景區建構筑物附近的傾斜、曲率和水平變形在Ⅰ級建構筑物變形允許值范圍內[10]。張天軍利用FLAC3D模擬煤層開擦沉陷,分析了開采工作面和開挖深度對地表變電站的影響[11]。然而,現有的數值模擬研究中主要是對地表巖體位移的描述和地表巖體移動變形的數據坐標圖形展示,很少采用數值模擬方法將地表水平變形、傾斜及曲率進行全部計算并復合到實際地表地形圖中,對礦山開采下地表不同區域的建構筑物安全保護等級的研究較少。

本文以某多金屬礦礦體開采為工程背景,礦山地表有公路和建構筑物存在,礦山開采可能對礦區地表建構筑物和公路造成影響。本研究在對礦山生產現狀和地質條件進行全面踏勘和分析的基礎上,利用FLAC數值模擬手段,按設計開采順序分析充填及未充填下地表移動變形規律研究,首先使用flac中fish語音導出了礦山地表的水平變形、傾斜和曲率與對應實際坐標,將對應數據與實際地表地形進行耦合,更加直觀的反映了地表建構筑物等所處的安全等級,對礦山地表穩定性進行了分析,所得成果為相似礦山確定地表不同區域建構筑物安全等級具有指導性意義。

2 工程概況

某多金屬礦礦體緩傾斜、厚度大、埋深淺,位于地表以下247.61～479.67 m,礦巖節理裂隙發育,地表環境復雜,起伏大,地表最大高差達380 m。礦體平均傾角8°,平均厚度17.69 m,走向控制長150 m,傾向控制長1 018 m。針對礦山開采技術條件,礦山采用“隔三采一”方式對礦體進行回采,采用大直徑深孔側向崩礦和底盤塹溝中深孔空場法進行回采,礦房礦柱按15 m寬垂直礦體走向方向依次布置,長為走向長度,高為礦體厚度,采礦方法示意圖如圖1所示。

圖1 采礦方法示意圖

為了更加清晰的展示本文對地表移動變形規律分析方案的實施過程,本文建立了方案實施過程,具體如圖2所示。

圖2 地表移動變形規律分析流程圖

3 模型建立及參數確定

3.1 模型建立

根據礦體模型和地表模型,利用3Dmine、ANSYS、suffer軟件建立了包括地表在內的完整礦巖模型,按設計確定的采礦方法和開采順序模擬礦山實際開挖,建立了包含礦體、上下盤圍巖、地表等大型三維精細模型。模型x方向長度為1 460 m,y方向長度為1 200 m,z方向為由1 400 m標高至地表,模型按不等分劃分網格,共劃分為209 309個節點和1 190 264個單元。礦山地表地貌如圖3所示,三維模型如圖4所示。

圖3 礦山地貌

圖4 三維數值計算模型

3.2 模擬參數及邊界條件

模型按巖體自重應力和水平構造應力施加應力邊界,其中側向壓力系數為1.2,在模型的底部施加z方向約束,在模型四周分別施加x、y方向的約束,地表為自由面,選用摩爾-庫倫本構模型,然后分別對充填及未充填情況下地表的穩定性進行三維數值分析。依據室內巖石力學試驗以及Hoek-Brown強度準則,并參考類似礦巖屬性,獲得模擬中使用的礦巖物理力學參數,模擬計算參數見表1。

表1 礦巖體物理力學參數

3.3 模擬方案設計

根據初步設計中的開采技術方案,按照“隔三采一”的方式對礦房依次進行開采,模擬開挖大部分礦體,分別沿走向分為四類礦房進行模擬開挖,具體如圖5所示,整個礦體的開采分為四個步驟,首先開采1號礦房、然后開采2號礦房、而后開采3號礦房,最后開采4號礦房,分別計算充填時和未充填時地表的移動變形情況。

圖5 模擬開采示意圖

4 模擬分析結果

兩種模擬方案開挖順序相同,按順序開采1、2、3、4號礦房,充填時在每個礦房開挖后一次性充填。本文利用flac中fish語言命令導出了地表節點的水平變形、傾斜及曲率數據,并主要從兩種方案下地表的位移、水平變形、傾斜及曲率進行分析,對比兩種方案下地表穩定性。

4.1 位移分析

通過模擬計算充填及未充填下的地表位移變化情況,得到了如圖6、圖7所示的地表位移云圖。從圖中可以看出,采用充填法開采地表最大位移變化為25 mm,采用不充填開采的最大位移變化為55 mm,說明充填法可以有效減小地表的沉降量。

圖6 未充填方案地表位移變形

圖7 充填方案地表位移變形

4.2 地表建構筑物安全等級分析

1)地表移動變形指標對建構筑物影響

井下的開采對地表的影響是非常復雜的,為了分析地表移動變形對建構筑物安全等級的影響,本文先介紹3項指標:水平變形、傾斜和曲率。

水平變形:兩點間的水平位移差除以兩點間的水平距離,單位為mm/m。

地表傾斜:為地表下沉盆地沿某一方向的坡度值,其平均值以兩點間的下沉除以兩點間的水平距離,單位mm/m。

地表曲率:為下沉盆地剖面線的彎曲度,其平均值以相鄰兩線段傾斜差除以兩線段地表水平長度的平均值,習慣規定:上凸為正,下凹為負,單位為10-3/m。

根據《有色金屬采礦設計規范》(GB50771—2012),地表建、構筑物保護等級及位移與變形允許值見表2。

表2 建、構筑物位移及變形允許值

2)地表水平變形、傾斜及曲率分析

通過模擬計算分析,將水平變形、傾斜及曲率的數據與地表相應坐標對應,形成相應的地表復合平面圖。導出充填及不充填下的地表水平變形(X方向和Y方向)、傾斜及曲率復合平面圖如圖8至圖12所示。

圖8 未充填(上)及充填(下)方案地表X方向水平變形復合平面圖

從圖8和圖9可以看出,充填及未充填的地表的水平變形(X方向未充填:0.11;充填法:0.055。Y方向未充填:0.11;充填法:0.08)均小于一級建構筑物的水平變形允許值2 mm/m。從圖10可以看出,采用不充填開采地表的傾斜值-0.55～0.65 mm/m,采用充填法開采地表的傾斜值-0.26～0.34 mm/m,均小于Ⅰ級建構筑物要求的傾斜變形允許值。

圖9 未充填(上)及充填(下)方案地表Y方向水平變形復合平面圖

圖10 未充填(上)及充填(下)方案地表傾斜復合平面圖

從圖11圖12中可以看出,采用未充填開采后地表的曲率值在-1.1～1,采用充填開采后地表的曲率值在-0.6～0.45。為了更加直觀看出地表Ⅰ～Ⅳ級建構筑物保護等級的區域,根據表2中規定的建、構筑物位移與變形允許值,將圖中Ⅰ級建構筑物保護等級區域用綠松石顏色,Ⅱ級建構筑物保護等級區域用黃色標注,Ⅲ級建構筑物保護等級區域用紫色標注,Ⅳ級建構筑物保護等級區域用紅色標注,從圖中可以明顯看出,充填開采方案下地表的建構筑物安全等級區域比不充填開采方案下地表的接構筑物安全等級區域高很多,且不充填下地表曲率>0.6的區域很大,說明充填開采下地表的穩定性有了顯著的提高,可以提升地表建構筑物的安全保護等級。

圖11 未充填方案地表曲率復合平面圖

圖12 充填方案地表曲率復合平面圖

5 結論

(1)利用數值模擬分析了礦體開采下地表的位移、水平變形、傾斜和曲率四項指標,得到井下開采對地表建筑物產生損害和破壞的區域范圍,并通過對地表移動變形的三項指標復合平面圖可以準確全面了解各區域的建構筑物保護等級。總結出一種新的計算方式將地表建構筑物安全等級圖形化的表示出來,在今后礦山開采之前可以利用此方法針對礦山開采方式來研究確定地表哪些區域可以建造Ⅰ級建筑物,哪些區域可以用來建造其他等級建筑物。

(2)模擬結果對比分析表明,充填方案開采可以明顯增強地表穩定性,位移、水平變形、傾斜和曲率值急劇降低,顯著增強地表建構筑物安全等級。

(3)采用充填模擬采場充填時,根據實際情況使用了未接頂的充填方式對其進行三維數值模擬,可以更接近實際開采充填過程。