地下開采對上覆圍巖穩定性的數值模擬研究

吳鵬

(紫金(廈門)工程設計有限公司長沙分公司,湖南 長沙 410000)

0 引言

地下開采會形成大量的采空區,同時造成周邊圍巖的地應力重分布,形成二次應力場,當采場地質條件較差時可能發生頂板失穩冒落、巖層變形甚至是地表沉陷等重大事故,對礦山正常開采造成極大的影響[1-5]。因此,有必要針對采空區引發的應力重分布規律進行研究,從而避免其可能引發的一系列事故。目前,國內外對于采空區穩定性常用的分析方法有預測法、解析法、物理模擬法與數值模擬法[6-10],其中數值模擬法是運用最為廣泛的方法之一,常用的數值模擬軟件包括ANSYS、FLAC、ADINA 等[11]。張勝光等[12]利用Phase2對某石膏礦采空區建立相關地下采場分析模型,分析了－150 m 水平上部采空區坍塌后巖層移動和應力重分布規律,并為下一步采空區治理方案提供了參考依據。王萬紅等[13]運用3Dmine與FLAC3D 耦合建立數值計算模型,分析了采空區圍巖應力、位移、塑性區大小及分布狀況,研究結果表明,房柱法大面積開采中大部分礦柱仍有一定的支撐能力,頂底板均處于安全邊界內,為下一步開采方案提供了相應的依據。高興紅等[14]利用FLAC3D 以龍門山銅礦東部采場為研究對象建立礦體三維模型,采用不同的充填方案填充采空區并進行研究,結果表明,暫不處理現有采空區,在采場內留設礦柱及回采后部分充填的方案安全系數較高,且回采成本稍低。

本文以云南某銅礦為例,綜合考慮不同厚度區域所采用的采礦方法、回采順序以及周圍采空區的影響等因素,分別選擇4#勘探線剖面、1#自選剖面、2#自選剖面建立對應模型進行分析,從而對開采礦房及附近采空區穩定性進行評價。

1 礦山概況

某銅礦位于云貴高原中高原亞區,區內群山起伏,屬低山中山地貌,區內整體地形北高南低,構造發育以北東向為主,區域成礦條件較為有利。礦體主要賦存于因民組頂部過渡層及落雪組底部白云巖中,其次是落雪組中上部白云巖風化土中(土狀氧化礦)與鵝頭廠組底部含礫石英砂巖中。礦體形態產狀嚴格受層位和巖性控制,呈似層狀、透鏡狀產出。礦體長軸的分布方向大致與礦段褶皺構造線的分布方向相同,含礦區段西起11線,東至18線,長1600 m,寬300 m。

2 模型參數

2.1 巖體力學參數

本次模擬選用的巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

2.2 力學模型

模型采用Mohr-Coulomb 屈服準則[15]判斷巖體的破壞,并且均不考慮塑性流動(不考慮剪脹)。Mohr-Coulomb屈服準則判別表達式如下:

式中,σ1、σ3為最大和最小主應力,MPa;C為材料的黏聚力,MPa;φ為內摩擦角,(°);σ和τf分別為滑移面上的正應力和切應力。

2.3 幾何模型

為盡量對各賦存條件下的礦體及采用的不同采礦方法下采空區圍巖進行分析,本次研究選取了3種不同的剖面,分別為4#勘探線、1#自選剖面與2#自選剖面,其對應模型分別命名為模型1、模型2與模型3。建立的3個模型反映了礦區內大部分采空區及本次設計的主要回采礦體,同時涵蓋了底盤漏斗空場法、房柱法及留礦全面法等擬用采礦方法,具有針對性和代表性。

4#勘探線擬采礦體(2203～2225 m)埋深范圍約為100～126 m,礦體傾角變化為0°～24°,礦體厚度為0～3.8 m。涵蓋了兩種采礦方法,對于2200 m 中段采用留礦全面法進行回采,設置中段礦柱寬度為4 m,礦塊間柱寬度為6 m;而2220 m 中段間柱設置為5 m,底柱為10 m,礦房內留設點柱,規格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標X8650至X8550范圍的礦體已回采并形成采空區,位于回采礦體上部。最終生成的網格模型及采區布置如圖1所示。

圖1 4#勘探線采場布置及計算模型

1#自選剖面礦體(2225～2300 m),礦體埋深范圍約為55～83 m,平均埋深為56 m 左右,礦體傾角變化為0°～19°,礦體厚度為0.75～8.2 m。2220 m、2240 m 與2260 m 中段采用房柱法進行回采,礦塊長度為50 m,間柱為5 m,底柱為10 m;2280 m中段采用底盤漏斗空場法進行回采,盤區寬度為36 m,盤區間柱寬度為5 m,中段礦柱寬度為5 m,礦房內留設點柱,規格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標X8650至X8550范圍的礦體已回采并形成采空區,位于待采礦體下部。最終生成的網格模型及采區布置如圖2所示。

圖2 1#自選剖面采場布置及計算模型

2#自選剖面為多層礦體(2188～2328 m),主要回采對象由下往上為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅲ-1、Ⅲ-3,礦體埋深范圍約為33～192 m,礦體傾角變化為0°～29°,礦體厚度為0.5～7.0 m。Ⅰ號礦體主要采用房柱法進行回采,礦塊長度為50 m,間柱為5 m,底柱為10 m;Ⅲ號礦體主要采用留礦全面法進行回采,礦塊長度為50 m,中段礦柱寬度為4 m,礦塊間柱寬度為6 m,礦房內留設點柱,規格為2.5 m×2.5 m,間距為5～7 m。坐標X8930至X8960范圍的礦體已回采并形成采空區,待采礦體位于空區兩側。最終生成的網格模型及采區布置如圖3所示。

圖3 2#自選剖面采場布置及計算模型

3種模型在礦體未進行開采時的原巖應力如圖4所示,由于礦體位于山體內部且埋藏較淺,構造應力弱,整體原巖應力較小,最深部礦塊原始鉛直應力為4.5 MPa左右。

圖4 不同模型礦體未開采時原巖應力分布

圖5 不同模型采空區最大主應力與塑性區云圖

對于3種模型而言,礦體回采并形成采空區后,改變原巖應力的分布情況,礦體頂底板應力均有不同程度的減小,局部出現拉應力,礦柱及兩側圍巖出現應力集中現象,最大值可達7～8 MPa,出現于4#剖面線模型中。從塑性區情況來看,采場頂板及礦柱出現較多塑性區,多為開挖后應力釋放所造成,整體未持續發生塑性變形,采場頂底板和礦柱整體而言基本穩定。3種模型的采空區應力云圖與塑性區分布圖如5所示。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 模型1回采結果分析

圖6為模型1中不同回采階段采區最大主應力云圖,圖7 為不同回采階段采區與礦柱塑性區分布圖。

圖7 模型1不同回采階段采區與礦柱塑性區分布

(1)2200 m 中段采用留礦全面法進行回采,回采過程中頂底板均出現塑性區,并未持續發展,考慮到礦體較薄,平均埋深僅100 m 左右,整體上認為基本穩定。

(2)2220 m 中段采用房柱法進行回采,回采過程中頂底板及點柱均出現塑性區,間柱與中段礦柱未發生變形,采場整體較為穩定。靠近現采空區一側留設礦柱變形較大,同時從最大主應力云圖來看,應力集中較為顯著,最大值可達12～14 MPa,對兩側新老采空區均存在一定的安全隱患。

3.2 模型2回采結果分析

圖8為模型2中不同回采階段采區最大主應力云圖,圖9 為不同回采階段采區與礦柱塑性區分布圖。

圖8 模型2不同回采階段采區最大主應力云圖

圖9 模型2不同回采階段采區與礦柱塑性區分布

(1)2220 m 中段至2240 m 中段(標高2225～2260 m)回采過程中,采用房柱法進行回采,頂底板與間柱均未出現塑性區,點柱與老空區一側安全礦柱出現較多塑性變形區域,但并不隨向上回采持續發展,最大主應力僅為4～6 MPa,整體穩定。

(2)2260 m 中段(標高2260～2280 m)回采過程中,采用房柱法進行回采,頂底板、間柱、中段礦柱均未出現塑性區,點柱出現較多塑性變形區域,最大主應力僅為3～5 MPa,整體穩定。

(3)2280 m 中段(標高2280～2300 m)回采過程中,采用底盤漏斗空場法進行回采,頂底板零星出現塑性區,間柱和中段礦柱出現較多塑性變形區域,最大主應力僅為3～5 MPa。由于該采礦方法回采上層礦體為土狀氧化礦,礦柱上部及頂板風化程度較強,建議視頂板及礦柱穩定情況增大礦柱尺寸,減少空區暴露面積。

3.3 模型3回采結果分析

圖10為模型3中不同回采階段采區最大主應力云圖,圖11為不同回采階段采區與礦柱塑性區分布圖。

圖10 模型3不同回采階段采區最大主應力云圖

圖11 模型3不同回采階段采區與礦柱塑性區分布

(1)2220 m 中段至2240 m 中段(標高2225～2260 m)回采過程中,Ⅰ號礦體采用房柱法進行回采,頂底板與點柱均出現較多塑性區,但整體未持續發生變形,間柱與中段礦柱未發生塑性變形,礦柱應力集中較為明顯,最大應力可達10～12 MPa,采場和礦柱基本穩定,但需要加強對頂板和礦柱的監測,及時進行廢石充填;Ⅲ號礦體采用留礦全面法回采,兩層礦體相距較近,回采后中間夾層出現較多塑性區,不隨開采持續變形,仍建議對下層空區進行及時充填封閉或者放棄Ⅲ-3礦體的回采,保證頂板的完整性。

(2)2260 m 中段至2280 m 中段(標高2260～2300 m)回采過程中,Ⅰ號、Ⅲ號礦體均采用留礦全面法進行回采,頂底板和中段礦柱出現較多塑性區,但整體未持續發生變形,間柱未發生塑性變形,礦柱應力集中較為明顯,最大應力可達8～10 MPa,采場和礦柱基本穩定,但需要加強對頂板和礦柱的監測,及時進行廢石充填;Ⅲ號礦體中間夾層出現較多塑性區,不隨開采持續變形,仍建議對下層空區進行及時充填封閉或者放棄Ⅲ-3礦體的回采,確保頂板的完整性。

(3)2300 m 中段(標高2300～2320 m)回采過程中,采用房柱法進行回采,頂底板零星地出現塑性區,間柱和中段礦柱未出現塑性區,最大主應力僅為3～5 MPa,采場與礦柱整體較為穩定。Ⅰ-2號礦體厚度較大,空區點柱塑性變形較為明顯,且持續發展,建議適當增加點柱尺寸。

(4)2320 m 中段(標高2320～2340 m)回采過程中,Ⅰ號和Ⅲ號礦體采用房柱法進行回采,頂底板零星地出現塑性區,間柱和中段礦柱未出現塑性區,點柱塑性變形較為明顯,且持續發展,建議2300 m 中段回采結束后對其進行廢石充填并封閉空區,以確保上層礦體回采的穩定性;Ⅲ號礦體采用留礦全面法,頂底板及礦柱均未出現塑性區,整體較為穩定。

4 結論

(1)通過對不同區域礦體回采的模擬,在留設足夠寬度安全間隔礦柱條件下,現有采空區與地下采礦活動的相互擾動均較小,僅4#勘探線礦體回采存在小范圍相互影響,建議增大安全間隔礦柱尺寸。

(2)根據礦體厚度采用不同的采礦方法時,采場穩定性基本能夠得到保證,但對于底板漏斗空場法而言,礦柱會出現大面積塑性區,建議開采后盡快進行廢石充填,并封閉空區。