上向分層充填法采礦的數(shù)值模擬研究

胡麗珍 李云安 雷 銀 王欽剛 王 偉 劉 莎

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

上向分層充填法采礦的數(shù)值模擬研究

胡麗珍 李云安 雷 銀 王欽剛 王 偉 劉 莎

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為了科學(xué)地評價(jià)礦區(qū)在水巖耦合條件下采礦過程中的礦柱穩(wěn)定性以及地面沉降問題，避免工程經(jīng)驗(yàn)類比法的不確定性和隨意性，在工程地質(zhì)勘察以及巖體物理力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用應(yīng)力和位移的統(tǒng)一場理論，以司家營鐵礦為工程背景，利用礦段的工程地質(zhì)剖面圖，在有限元數(shù)值分析軟件ANSYS中建立精細(xì)的三維數(shù)值計(jì)算模型，導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行礦區(qū)在水巖耦合條件下的數(shù)值模擬，最后獲得地表沉降云圖、礦柱的應(yīng)力云圖以及滲流場的矢量分布圖。在此基礎(chǔ)上對礦山開挖過程中的地面位移、礦柱應(yīng)力和滲流場的分布特征進(jìn)行了分析，對上覆巖層及地表變形和礦柱承受的應(yīng)力狀況進(jìn)行預(yù)測。最終成果不僅可以對現(xiàn)階段礦山的開采過程提供一定的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)對礦山的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

上向分層充填法 數(shù)值模擬 礦柱穩(wěn)定性 地面沉降 水巖耦合

目前，我國金屬礦山采用的采礦方法以上向分層尾砂充填連續(xù)采礦法為主，它是采取自下而上分層回采，每分層先采出礦石，而后填入充填料，以支撐采空區(qū)兩幫和作為工作平臺。在采用充填連續(xù)開采的采礦工藝時(shí)，采場礦柱穩(wěn)定性以及地面沉降一直是國內(nèi)外礦山工作者研究的重點(diǎn)[1]。在進(jìn)行大面積地下采礦時(shí)，影響這兩方面問題的重要因素之一就是水[2]。任何地區(qū)的地下巖層中都存在有大量的地下水，這些地下水在其運(yùn)動的過程中會產(chǎn)生動水壓力作用于地下巖土體，從而影響巖土體重地下應(yīng)力場的分布；同時(shí)，由于地下應(yīng)力場的重新分布又會反過來作用于巖土體，使得巖土體中產(chǎn)生新的裂縫并使原來的已經(jīng)存在的裂縫產(chǎn)生變形，從而影響地下水在巖土體中的流動，使得滲流場產(chǎn)生變化，這種反復(fù)循環(huán)的過程就稱為水巖耦合[3]。在水巖耦合的作用下,進(jìn)行地下連續(xù)充填法采礦時(shí)，會誘發(fā)地下巖土體產(chǎn)生不同程度的下陷，此時(shí)就會造成地面沉降，過大的地面沉降會使得地面上的各種建筑物產(chǎn)生一定的變形和破壞，同時(shí)已有的地下應(yīng)力場因采礦擾動會形成二次應(yīng)力場，像上述循環(huán)過程第二階段一樣，應(yīng)力場的改變會導(dǎo)致地下水滲流場的重新分布，從而誘發(fā)礦山的地下水災(zāi)害[2]。針對這些安全要素的考慮，司家營鐵礦南區(qū)的開采就需要解決水巖耦合的問題，其上覆第四系含水層水量巨大，而這其中水和巖石的相互作用又勢必會影響采場礦柱的穩(wěn)定性和安全性。為了使礦山的開采過程中保證一定的穩(wěn)定性，優(yōu)化采礦，為此，有必要進(jìn)行專門的流固耦合分析，采用工程地質(zhì)數(shù)值模擬的方法來研究采空區(qū)的變形位移，為礦山地下開采施工設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工提供一定的科學(xué)參考。近幾年慢慢發(fā)展起來的在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的FLAC3D程序能模擬巖體從小變形到大變形以及破壞全過程，是一種很有效的數(shù)值計(jì)算手段[4]。而且本研究中的礦柱穩(wěn)定性以及地面沉降是一種應(yīng)力和位移的統(tǒng)一場問題，運(yùn)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)理論或程序只可以解決單一的應(yīng)力或位移，而FLAC3D就可以解決此類統(tǒng)一場問題。因此根據(jù)流固耦合作用機(jī)制，綜合選用ANSYS和FLAC3D2種軟件進(jìn)行河北灤縣司家營鐵礦南區(qū)采場穩(wěn)定工程地質(zhì)數(shù)值模擬研究。通過模擬對上覆巖層及地表變形進(jìn)行預(yù)測，獲得采空區(qū)上部的變形位移，為礦山開展下階段的工作提供參考。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

礦區(qū)位于灤河侵蝕堆積洪沖積平原區(qū)，亞區(qū)屬于灤河河漫灘階地，主要分布于現(xiàn)代河床兩側(cè)，沿河流走向多成條帶狀分布，西北高東南低，地勢較平坦，其大部分區(qū)域被第四系地層所覆蓋，地層主要為全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層，地表巖性為粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土，下部為礫卵石，局部有湖沼相淤泥沉積。據(jù)對礦區(qū)及周邊區(qū)域的水位調(diào)查，除局部地下水埋深小于3.0 m外，大部分區(qū)域地下水埋深均大于6.0 m，含水層巖性為粉細(xì)砂和礫卵石。

鐵礦體賦存于太古界變質(zhì)巖，巖性主要為片麻狀混合巖和黑云變粒巖，礦體圍巖以太古界遷西群白廟子組混合巖、混合花崗巖和變粒巖為主。礦體與圍巖產(chǎn)狀一致。上覆80～140 m厚第四系松散沉積物，淺部巖層為風(fēng)化帶，其巖石經(jīng)過風(fēng)化過程后基本十分破碎，抗拉以及抗壓強(qiáng)度均較低；位于風(fēng)化帶以下的深埋礦體，節(jié)理、裂隙均不發(fā)育，巖石致密堅(jiān)硬，工程性質(zhì)較好[5]。整個(gè)礦區(qū)的地層分布如圖1所示。

圖1 整體模型Surfer地層分布Fig.1 Surfer stratigraphic distribution of whole model

2 工程地質(zhì)數(shù)值模擬

為了實(shí)現(xiàn)水巖耦合條件下礦體開采過程中礦柱穩(wěn)定性和地面沉降的研究，選擇位于司家營鐵礦南區(qū)大賈莊礦D38線以北、D46線以南礦體來進(jìn)行流固耦合的數(shù)值模擬。

2.1 基本假定

由于開采工作在地下進(jìn)行，采場附近巖體構(gòu)造情況復(fù)雜，且有多種因素影響其穩(wěn)定性，在數(shù)值模擬過程中，不可能考慮全部的影響因素，因此，在保證結(jié)果精確可靠的前提下，忽略次要因素，做出以下假定和概化。

(1)假定模擬區(qū)域的巖土體和充填體均為各向同性連續(xù)介質(zhì)，滿足摩爾-庫侖模型。

(2)數(shù)值模擬計(jì)算過程中，對模擬范圍內(nèi)的破碎帶等，采用降低其相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù),以弱單元的方式來處理。

(3)模擬過程中，不考慮動荷載以及各種復(fù)雜應(yīng)力的作用，只研究礦區(qū)巖土體在重力、地應(yīng)力以及滲流力作用下的水巖耦合[6]。

2.2 數(shù)值模型的建立

基于司家營鐵礦南區(qū)的開采設(shè)計(jì)，大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)長度200 m，寬為礦體厚度，高100 m，盤區(qū)內(nèi)沿走向每隔100 m設(shè)4 m厚間柱，間柱不回收。在盤區(qū)沿走向方向平均劃分為4個(gè)采場，每個(gè)采場長48 m。建立了大賈莊礦段礦體的數(shù)值滲流分析三維數(shù)值模型。對于整個(gè)礦區(qū)的開挖范圍，在深度方向上，考慮到數(shù)值計(jì)算模型的邊界效應(yīng)，使用2倍的開挖階段厚度作為范圍，即900 m。在Y軸走向方向上，以1個(gè)盤區(qū)的長度為范圍，即200 m。于是，在此基礎(chǔ)上，定義三維數(shù)值模型的范圍為長×寬×高=1 520 m(X軸，東西方向)×150 m (Y軸，礦體的南北走向)×900 m (Z軸，垂直方向)。

對研究區(qū)進(jìn)行了大量的野外實(shí)地地質(zhì)勘察，了解了該礦區(qū)的詳細(xì)工程地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上，分析已有的數(shù)據(jù)資料和現(xiàn)階段勘察獲得的新的地質(zhì)信息，在ANSYS建立模型的過程中劃分了7個(gè)工程地質(zhì)巖土組，通過原位試驗(yàn)以及各種物理力學(xué)試驗(yàn)等資料，在獲取大賈莊礦段工程地質(zhì)巖土組物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了所要計(jì)算的工程地質(zhì)數(shù)值模型。所劃分的7個(gè)巖土組，在FLAC3D中從1～7依次為礦體完整性較差巖組(Ⅲ-2)，尾砂填充體，礦體圍巖完整性較差巖組(Ⅴ-1)，礦體圍巖完整性較好巖組(Ⅴ-2)，第四系，強(qiáng)風(fēng)化層，弱風(fēng)化層。具體模型見圖 2 和圖 3 所示。

圖2 大賈莊礦段ANSYS數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 ANSYS numerical calculation model of Dajiazhuang mine block

圖3 大賈莊礦段FLAC3D三維網(wǎng)格模型Fig.3 FLAC3D 3D grid model figure of Dajiazhuang mine block

2.3 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

巖體的強(qiáng)度由多種因素決定,包括結(jié)構(gòu)面的連通性以及強(qiáng)度。通常，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度而大于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場勘察報(bào)告和場地工程地質(zhì)類比巖土體參數(shù)，在選擇時(shí)，考慮長期強(qiáng)度和水的侵蝕性，確定各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 地表沉降分析

由礦體開挖變形圖(圖4)以及沉降等值線圖(圖5)可以看出地面沉降以礦體開挖面以上位移最大，為25 cm，且向兩側(cè)呈對稱分布。同時(shí)，由盤區(qū)采礦區(qū)到地表面，地面沉降均為負(fù)沉降，且沉降逐漸增大，礦體開挖頂面最大位移為10 cm，而地表面沉降為25 cm。這是因?yàn)榈谒南档牡叵滤N(yùn)含豐富，滲流固結(jié)使地表沉降大于開挖頂面的位移[7-8]。

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parametersTable of rock mass

圖4 大賈莊礦段開挖面剖面沉降位移云圖Fig.4 Subsidence displacement nephogram of excavation surface profile in Dajiazhuang mine

圖5 大賈莊礦段礦體地表沉降等值線圖Fig.5 Subsidence isoline map of ore body surface in Dajiazhuang mine block

3.2 礦柱應(yīng)力場分布特征分析

在水巖耦合條件下，從底部采場應(yīng)力云圖(圖6)可以看出，隨著采礦的進(jìn)行，間柱上承擔(dān)大部分的應(yīng)力，此時(shí)間柱Z方向部分地區(qū)應(yīng)力集中，使得應(yīng)力最大值為10 MPa。

圖6 大賈莊礦段礦體底部采場Z方向應(yīng)力云圖Fig.6 The stress nephogram of Z direction at the bottom of the stope in Dajiazhuang mine block

3.3 滲流場分布特征分析

由滲流矢量分布圖(圖7)可以看出，由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動，雖然強(qiáng)、弱風(fēng)化層的較好隔水效果阻止了孔隙水向采場方發(fā)生滲流，但開挖礦體引起的“三帶”產(chǎn)生的裂縫使得有部分地表水會沿著產(chǎn)生的縫隙向下滲透，同時(shí)由于開挖引起地下應(yīng)力場的重新分布，破壞了圍巖區(qū)已有的應(yīng)力平衡關(guān)系，在已有裂縫的接觸上產(chǎn)生新的裂縫，圍巖中的地下水會由此流向采空區(qū)內(nèi)部，使其產(chǎn)生大的涌水。

圖7 大賈莊礦段滲流矢量分布圖Fig.7 Seepage vector map of Dajiazhuang mine block

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)針對礦柱穩(wěn)定性和地面沉降的統(tǒng)一場問題，采用三維工程地質(zhì)數(shù)值模擬的方法來模擬礦區(qū)在水巖耦合條件下采礦過程中的應(yīng)力和位移。

(2)地面沉降以礦體開挖面以上位移最大，且向兩側(cè)呈對稱分布。同時(shí)，由盤區(qū)采礦區(qū)到地表面，地面沉降均為負(fù)沉降，且沉降逐漸增大。

(3)圍巖的滲流場隨著開采的進(jìn)行而不斷變化。由于開挖擾動引起圍巖部分產(chǎn)生裂隙，影響了孔隙水在地層內(nèi)部的滲流流動，使得采空區(qū)圍巖中的地下水向采空區(qū)產(chǎn)生大的流動。

4.2 建 議

(1)礦山開采頂板穩(wěn)定性和突水涌水具有不可預(yù)測性和毀滅性。在加強(qiáng)安全教育的同時(shí)，要完善排水設(shè)施和設(shè)防能力，同時(shí)逢掘必探，有疑必探，以確保礦山安全生產(chǎn)。

(2)建議在礦山開采以及基建過程當(dāng)中，加強(qiáng)礦坑排水量和水位觀測，獲取足夠的水文觀測資料，以便為將來礦區(qū)水文地質(zhì)研究工作提供更多的基礎(chǔ)資料。

(3)礦床開采應(yīng)及時(shí)充填，充填應(yīng)充分接頂，充填對改善圍巖及礦柱應(yīng)力分布應(yīng)力、減小地面沉降的作用非常有效。但由于局部基巖風(fēng)化巖巖組深度相對較大，最頂部開采水平宜適當(dāng)降低；同時(shí)由于地下水活動強(qiáng)烈，對圍巖穩(wěn)定性影響大，易產(chǎn)生涌水、坍塌現(xiàn)象，建議進(jìn)行治水處理。

(4)建議在生產(chǎn)階段應(yīng)對圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及地下水進(jìn)行監(jiān)測，查明應(yīng)力應(yīng)變的規(guī)律，合理布置礦房、點(diǎn)柱尺寸，確保礦山安全生產(chǎn)。

[1] 江興元,史俊偉,張新國，等.尾砂充填連續(xù)開采采場頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山，2011(11):37-40. Jiang Xingyuan,Shi Junwei,Zhang Xinguo，et al.Numerical analysis on roof stability in continuous milltailings filling stope[J].Metal Mine,2011(11):37-40.

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Numerical Simulation on Upward Sublevel Filling Method

Hu Lizhen Li Yun′an Lei Yin Wang Qingang Wang Wei Liu Sha

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430070，China)

In order to make a scientific evaluation of pillar stability and ground subsidence in the mining area under the condition of water-rock coupling in the process of mining，the uncertainty and randomness of engineering experience analogy method should be avoided.On the basis of engineering geological investigation，as well as physical and mechanical test of rock mass，applying the theory of the unity of the stress and displacement field，with the engineering background of Sijiaying iron ore，the engineering geological profile of ore block is used to establish fine 3D numerical model in the finite element numerical analysis software ANSYS.It imports the FLAC3Dnumerical simulation software for numerical simulation of the mine under the condition of the coupling.Finally the surface subsidence maps，the pillar stress cloud maps and the vector distribution of the seepage field were obtained.On the basis of this，the ground displacement，pillar stress and seepage field distribution characteristics in the process of mining excavation，are analyzed to predict deformation of overburden and surface，and the stress of pillar.Final results can not only provide certain scientific basis for mine mining process at present stage，and also has an important guiding significance for mine safety in production.

Upward horizontal sublevel filling method，Numerical simulation，Pillar stability，land subsidence，Water-rock coupling

2013-11-09

胡麗珍(1991—)，女，碩士研究生。

TD853.34+3

A

1001-1250(2014)-01-005-04