掛幫礦崩落法開采頂板破壞規(guī)律及地表巖移數(shù)值模擬

丁艷偉 王 寧 盧 萍 李愛兵 唐 云

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽621010;2.長沙礦山研究院，湖南長沙410012; 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局川西北地質(zhì)大隊(duì)，四川綿陽621000)

目前，國內(nèi)已有很多礦山進(jìn)行了掛幫礦的回收，也有許多露天轉(zhuǎn)地下的礦山即將開始掛幫礦回收，其中，文獻(xiàn)報(bào)道和研究較多的有大冶東露天掛幫礦回收，此外石人溝鐵礦、姑山鐵礦、板石溝鐵礦等也進(jìn)行過掛幫礦的研究。掛幫礦開采過程中，主要存在兩種問題，一種是開采時(shí)冒頂產(chǎn)生的沖擊地壓問題，另一種是開采沉陷問題［1］。國內(nèi)外對于采空區(qū)頂板及圍巖的崩落過程及破壞規(guī)律以及巖體的移動規(guī)律進(jìn)行過大量研究［2-4］，但是大部分是地下開采的研究，對于掛幫礦的頂板及圍巖的破壞規(guī)律研究較少。隨著掛幫礦回采水平的下降，采空區(qū)逐漸增大，采空區(qū)頂板拉應(yīng)力及拉破壞范圍逐漸增大，露天坑邊坡沉降量和范圍也逐漸增加。因此，本研究利用MIDAS/GTS軟件，結(jié)合某礦山巖土工程地質(zhì)條件，建立三維有限元模型，分析掛幫礦頂板的應(yīng)力變化規(guī)律，并對受掛幫礦體開采影響的地表巖移范圍進(jìn)行圈定，從而為開采時(shí)沖擊地壓的監(jiān)測和預(yù)防以及地表巖移范圍的確定提供指導(dǎo)。

1 礦床開采技術(shù)條件

礦區(qū)出露地層較簡單，礦區(qū)發(fā)育的主要巖體為輝長巖、大理巖和鐵礦體。輝長巖體呈NE—SW向展布，長19 km，寬2 km左右，面積約40 km2，巖體呈單斜層狀產(chǎn)出，傾向NW，傾角一般50°～60°。大理巖出露于輝長巖體東南側(cè)的巖體底板，普遍變質(zhì)。礦體賦存于輝長巖體中，走向近EW，傾向N，傾角50°～60°，礦體東西長約750 m，南北寬約240 m。礦體平均厚度28.15 m，厚度較穩(wěn)定。礦區(qū)構(gòu)造主要有輝長巖體原生層狀構(gòu)造、斷層及節(jié)理。其中F212、F213、F316、F317、F303和F304斷層對礦體穩(wěn)定性影響較大。F212、F213分布于22線以東，延長2 300 m，走向N10°W，傾向E，傾角75°，破碎帶寬10～47 m，斷層破碎帶由壓碎巖、糜棱巖、角礫巖、斷層泥組成，片理發(fā)育。F316、F317分布于28線以西50～130 m，是礦區(qū)最大的一組南北向斷層，縱貫礦區(qū)西端，延長4 500 m，破碎帶寬15～30 m，傾向E，傾角75°～86°，破碎帶糜棱巖、壓碎巖組成，片理、劈理發(fā)育。F303、 F304分布于22～23線，延長大于800 m，破碎帶寬0.30～2.00 m，走向N7°W，傾向W，傾角80°～87°。破碎帶由糜棱巖、壓碎巖組成。

根據(jù)礦區(qū)礦體賦存條件、露天開采設(shè)計(jì)境界及開采現(xiàn)狀，對露天礦底部1 300 m以上掛幫礦體劃分為7個水平分段(1 300、1 320、1 340、1 360、1 380、1 400和1 420 m)進(jìn)行回采。掛幫礦體主要分布在露天礦邊坡西北部。1 300 m標(biāo)高以上掛幫礦體22.5～27.5勘探線的礦體進(jìn)路寬度為18 m，掛幫礦體27.5～28.5勘探線的礦體進(jìn)路寬度按實(shí)際布置10～30 m不等，掛幫礦體開采順序從露天坑邊緣逐漸向里回采。采礦方法為沿走向布置和垂直走向布置礦塊的無底柱分段崩落采礦法(圖1)。

圖11 300 m分段進(jìn)路布置Fig.1 Schematic diagram of approach layout of 1 300 m sublevel

2 數(shù)值模擬分析模型

2.1 原巖應(yīng)力場及強(qiáng)度準(zhǔn)則

掛幫礦地處山區(qū)，淺部巖層因溝谷切割和露天坑的存在，現(xiàn)原巖應(yīng)力場應(yīng)以重力場為主。則垂直應(yīng)力σv為

式中，γ為巖體容重，t/m3;H為巖體深度，m。

本次彈塑性分析中采用巖土工程界普遍采用的節(jié)理巖體通用的廣義Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則和拉破壞準(zhǔn)則［5］。

(1)廣義Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則。

式中，σ'1和σ'3為分別為破壞時(shí)的最大和最小有效應(yīng)力;σc為原巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。ɑ，mb，s由下列式子確定［6］:

GSI為節(jié)理巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);D為巖體擾動參數(shù)，取值范圍一般為0～1，完全擾動時(shí)為1;mi為完整巖塊的m值。擾動過的破碎巖體的ɑ值與未擾動的完整巖體相同。本項(xiàng)目巖體屬于完全擾動，D=1。

(2)拉破壞準(zhǔn)則。

式中，σ為破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力;Rt為巖體的極限抗拉強(qiáng)度。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)的確定

通過對大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，E.Hoek和M.S.Diederichs［7］利用了一種S型函數(shù)，通過擬合建立了巖體變形模量和GSI間的關(guān)系，從而確定巖體的彈性模量。根據(jù) Hoek等［8］提出的最初的Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則得到巖體的單軸抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度。由于Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則與Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則之間沒有直接的關(guān)系，通過對大量的三軸試驗(yàn)值，線性擬合得到巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力［9］。斷層的物理力學(xué)參數(shù)參考其他礦山類似條件斷層的實(shí)測參數(shù)取值。計(jì)算用參數(shù)見表1。

2.3 幾何模型的建立

模型主要模擬露天礦底部1 300 m以上掛幫體回采過程，并考慮了對回采過程影響較大的斷層F316、F317、F212、F213、F303和F304。 模型中采區(qū)的范圍為22.5～28.5勘測線，東西長約760 m，南北寬約250 m，為了降低邊界效應(yīng)，模型尺寸東西長1 900 m，南北寬1 800 m，模型底部高程1 100 m，地面最大高程1 678.30 m。模型底部采用全約束，4個側(cè)面采用垂直于側(cè)面的水平約束。根據(jù)數(shù)值模擬中間結(jié)果對掛幫礦體回采區(qū)頂板拉破壞區(qū)進(jìn)行了2次強(qiáng)制崩落。其中，第1次強(qiáng)制崩落區(qū)為數(shù)值模擬結(jié)果中采區(qū)西北幫頂板拉破壞區(qū)，崩落體上口標(biāo)高1 500 m;第2次強(qiáng)制崩落區(qū)為數(shù)值模擬結(jié)果中再次超過拉破壞的頂板強(qiáng)制崩落，崩落體上口標(biāo)高1 550 m。幾何模型如圖2所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1 Rock physico-mechanical parameters

圖2 幾何模型Fig.2 Geometricmodel

將覆蓋層的豎向重力及側(cè)壓力分別作用在覆蓋層底部和側(cè)壁礦巖上。礦體進(jìn)路布置按實(shí)際要求進(jìn)行確定。每一分段崩落礦體形成覆蓋層，其中1 420 m分段的強(qiáng)制崩落高度25m，覆蓋層厚度25 m，其余6個分段的強(qiáng)制崩落高度20 m，覆蓋層厚度30 m。計(jì)算中為了避開有限元算法的弊端，采用重力的形式代替覆蓋層(覆蓋層松散系數(shù)取1.3)，共分9步驟:步驟1，計(jì)算原巖應(yīng)力場;步驟2，初始崩落面積為600 m2;步驟3，1 420 m分段回采，頂板的暴露面積為32 360 m2;步驟4，1 400 m分段回采，頂板的暴露面積為33 560 m2;步驟5，1 380 m分段回采，頂板的暴露面積為36 230 m2;步驟6，1 360 m分段回采，頂板的暴露面積為53 520 m2;步驟7，1 340 m分段回采，頂板的暴露面積為54 520 m2;步驟8，1 320 m分段回采，頂板的暴露面積為70 320 m2;步驟9，1 300 m分段回采，頂板的暴露面積為103 280 m2。同一水平相鄰回采進(jìn)路超前20 m，形成20 m的回采臺階，同時(shí)上一分段相對下一分段亦超前20 m，在豎向相鄰分段間亦形成20 m的回采臺階。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拉應(yīng)力及拉破壞變化規(guī)律

3.1.1 露天坑西北幫崩落區(qū)頂板拉應(yīng)力值及應(yīng)力區(qū)域

露天采礦結(jié)束后，因露天采礦、地形及斷層多種因素的影響，在露天坑四周邊坡出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)。拉應(yīng)力區(qū)主要分布在露天坑西北幫邊坡，拉應(yīng)力由坡面向下逐漸減小，其拉應(yīng)力最大值約1.2 MPa，距地表最大深度約12 m，拉應(yīng)力分布面積約為150 100 m2。為了便于分析，將崩落區(qū)以上的邊坡視為老頂，且沿崩落區(qū)頂板設(shè)置2個剖面。Ⅰ－Ⅰ剖面位于27.5勘測線，南北向設(shè)置;Ⅱ－Ⅱ剖面距斷層F316和F317東部邊界20m，南北向設(shè)置。當(dāng)掛幫礦體直接頂暴露面積達(dá)18 100 m2時(shí)，老頂達(dá)到極限拉應(yīng)力值(1.98 MPa)破壞;1 420 m分段回采結(jié)束時(shí)，老頂與直接頂已形成貫通的拉應(yīng)力區(qū)，頂板最高處約55 m。老頂拉破壞區(qū)面積為16 470 m2，且破壞區(qū)水平方向近似橢圓向空區(qū)和斷層一側(cè)擴(kuò)展(圖3(a))，豎直方向近似拋物線向南北兩側(cè)擴(kuò)展，且1 420 m的豎直開采邊界線的延長線幾乎通過拋物線的頂點(diǎn)，說明此處老頂?shù)钠茐念愃朴趹冶哿旱亩瞬科茐?圖3 (c));直接頂暴露面積為32 360 m2，西采區(qū)F316斷層附近直接頂出現(xiàn)拉破壞區(qū)(圖3(e))。考慮到?jīng)_擊地壓的影響和巷道回采工作的安全，對采區(qū)西北幫邊坡拉破壞范圍內(nèi)懸體進(jìn)行第1次強(qiáng)制崩落，崩落范圍依據(jù)露天坑邊坡拉破壞范圍來確定。第1次強(qiáng)制崩落后老頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降為1.5 MPa。1 380 m分段回采結(jié)束時(shí)，直接頂?shù)谋┞睹娣e達(dá)36 230 m2，西北幫老頂再次出現(xiàn)拉破壞區(qū)，拉破壞區(qū)的面積達(dá)10 800 m2，最高處約105 m。對西北幫老頂拉破壞區(qū)進(jìn)行第2次強(qiáng)制崩落。第2次強(qiáng)制崩落后老頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降為1.5 MPa，最大拉應(yīng)力區(qū)靠近斷層F316和F317(圖3(b))。且豎直方向，破壞區(qū)近似拋物線向南北兩側(cè)擴(kuò)展(圖3(d)、(f))。1 300 m分段以上掛幫礦體全部回采后，直接頂暴露面積達(dá)103 280 m2，老頂拉破壞區(qū)面積達(dá)54 400 m2。直接頂沒有出現(xiàn)拉破壞，最大拉應(yīng)力值為1.7 MPa。

圖3 強(qiáng)制崩落前后頂板拉應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 The tension stress state of roof before and after caving forced ly

3.1.2 直接頂板暴露面積對老頂及直接頂拉應(yīng)力及拉破壞區(qū)面積的影響

由圖4可以看出，老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力以及老頂拉破壞區(qū)的面積隨頂板暴露面積增大而顯著增大，而直接頂拉破壞區(qū)面積受暴露面積的影響較小。由老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力面積及拉破壞面積變化曲線可以看出，2次強(qiáng)制崩落后，老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力及拉破壞面積擴(kuò)展速度明顯小于強(qiáng)制崩落前的擴(kuò)展速度。對比曲線1和曲線3，曲線1的斜率明顯大于曲線3的斜率，說明老頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度明顯大于直接頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度。隨著回采水平的下降，老頂可能會大面積的處于拉應(yīng)力集中狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到拉應(yīng)力極值時(shí)，會大面積的發(fā)生拉破壞。對比曲線2和曲線4，可以看出老頂先發(fā)生破壞，一旦老頂發(fā)生破壞，破壞區(qū)的面積會迅速擴(kuò)展。而對于直接頂破壞區(qū)的面積，破壞比較緩慢，并且破壞的范圍較小。

3.2 塑性區(qū)變化規(guī)律

由圖5(a)可知，1 420 m分段回采結(jié)束時(shí)，露天坑北部老頂出現(xiàn)塑性變形，該塑性區(qū)位于27.5～28勘測線之間，高程為1 465～1 485 m，與最早出現(xiàn)拉破壞的位置基本一致，該處的老頂破壞形式呈現(xiàn)拉－塑復(fù)合破壞。塑性區(qū)范圍主體上向斷層方向迅速擴(kuò)展。受斷層的影響，回采過程中4條斷層及相鄰局部巖帶均出現(xiàn)塑性區(qū)，且斷層基本沿?cái)鄬幼呦蚍较蜓杆贁U(kuò)展，破壞區(qū)基本從地表延伸至回采分段。由圖5 (b)可知，2次崩落后，1 300 m分段回采結(jié)束時(shí)，地表總塑性破壞區(qū)約為28 150 m2，其中，老頂?shù)乇硭苄詤^(qū)的范圍達(dá)到約2 670 m2;F316、F317斷層附近塑性區(qū)達(dá)到約21 410 m2;F212、F213斷層附近塑性區(qū)達(dá)到約4 070 m2;直接頂未見塑性區(qū)。

圖4 老頂及直接頂拉應(yīng)力、拉破壞區(qū)面積與直接頂暴露面積關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between tension stress and failures area and roof exposed areas

3.3 巖層移動角的確定

用數(shù)值方法計(jì)算移動角，移動邊界點(diǎn)的確定根據(jù)地表各點(diǎn)位移變化規(guī)律、拉應(yīng)力變化規(guī)律、塑性的變化變化規(guī)律來界定。并結(jié)合工程類比法綜合確定移動角。計(jì)算結(jié)果表明，隨著掛幫礦的逐漸開采，北幫老頂位移變化較大。圖6是分別沿崩落區(qū)老頂東西向和南北向的測點(diǎn)布置圖和各分段開采完畢時(shí)地表的總位移圖。

由圖6(a)、圖6(b)可知，1～4號測點(diǎn)總位移曲線變化比較平緩，4號測點(diǎn)位于斷層F316的邊緣。由于斷層的影響，隨著掛幫礦回采的進(jìn)行，地表沉陷急劇增大，最大豎向位移達(dá)到約0.14 cm，總位移達(dá)到約0.15 cm(圖6(b)中的5號測點(diǎn))。結(jié)合以上分析地表移動點(diǎn)取靠近斷層的4號測點(diǎn)。由圖6(c)、圖6(d)可知，1～4號測點(diǎn)總位移變化曲線較緩，隨后曲線逐漸陡峭，最大總位移達(dá)到約0.096 cm。因此選取4號測點(diǎn)為地表的移動點(diǎn)。

圖5 崩落前后塑性破壞區(qū)分布Fig.5 The distribution map of p lastic failure zone before and after caving forcedly

此外，對于地表移動點(diǎn)的確定，對于礦體上下盤，i、k、ε三者任一指標(biāo)達(dá)到其臨界值i=3 mm/m，K= 0.2×10－3m，ε=2 mm/m，則該點(diǎn)為地表破壞點(diǎn)［10］。

通過計(jì)算，對于東西向 4號測點(diǎn)，i=6.91 mm/m，k=0.34×10－3m，ε=11.45 mm/m;對于南北向的4號測點(diǎn)，i=3.34 mm/m，k=0.33×10－3m。因此，2測點(diǎn)均滿足規(guī)范的破壞要求，連接所選測點(diǎn)與1 300 m分段開采完畢后礦體最終開采面最底端點(diǎn)的連線，該連線與水平方向的夾角即為巖層移動角。通過以上分析，北幫老頂東西向移動角為75°，南北向移動角為62°。結(jié)合模型的拉破壞與塑性破壞區(qū)域，北幫老頂經(jīng)過數(shù)值方法確定的移動角為62°～70°。根據(jù)工程類比法確定礦體上盤移動角取為65.7°。最終北幫老頂移動角取平均值66°。

4 結(jié)論

(1)老頂先于直接頂發(fā)生拉破壞。老頂拉破壞區(qū)強(qiáng)制崩落后，最大拉應(yīng)力降為1.5 MPa。1 300 m分段以上掛幫礦體全部回采后，直接頂暴露面積達(dá)103 280 m2，老頂拉破壞區(qū)面積達(dá)54 400 m2。直接頂沒有出現(xiàn)拉破壞，最大拉應(yīng)力值為1.7 MPa。

(2)老頂及直接頂?shù)睦瓚?yīng)力以及老頂拉破壞區(qū)的面積隨頂板暴露面積增大而顯著增大，而直接頂拉破壞區(qū)面積受暴露面積的影響較小。老頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度明顯大于直接頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域擴(kuò)展速度。隨著回采水平的下降，老頂可能會大面積發(fā)生拉破壞，需做好監(jiān)測及預(yù)防工作;而對于直接頂破壞區(qū)的面積，破壞比較緩慢，并且破壞的范圍較小，有利于巷道的支護(hù)以及開采工作的順利進(jìn)行。

圖6 測點(diǎn)布置圖及總位移圖Fig.6 The diagram of arrangement and total displacement ofmeasuring point

(3)露天坑北幫老頂出現(xiàn)拉－塑復(fù)合破壞。塑性破壞區(qū)范圍主體上向斷層方向迅速擴(kuò)展。且斷層基本沿?cái)鄬幼呦蚍较蜓杆贁U(kuò)展，破壞區(qū)基本從地表延伸至回采分段。1 300 m分段回采結(jié)束時(shí)，地表塑性破壞區(qū)約為28 150 m2。

(4)露天坑北幫頂板經(jīng)過數(shù)值方法確定的移動角為62°～70°。根據(jù)類比法確定礦體上盤移動角為65.7°，最終取66°。

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