動態(tài)擾動下硬巖礦柱應(yīng)力演化與地表沉降規(guī)律

盧宏建 梁 鵬 李嘉惠

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009)

在未開挖前，硬巖礦床賦存在原始地應(yīng)力場中;當(dāng)按照礦山開采設(shè)計的采場參數(shù)有步驟地進(jìn)行回采時，采場周邊巖體應(yīng)力場重新分布，不僅會造成采場自身礦柱巖體的擾動和損傷，還會對相鄰采場巖體產(chǎn)生擾動危害。當(dāng)采用空場法開采時，在水平和垂直方向的多個相鄰采場往復(fù)開挖作業(yè)影響下，會在局部位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起巖層移動。隨著礦體開采范圍大擴(kuò)大和深度的增加，采動影響會擴(kuò)散到地表，產(chǎn)生地表變形，破壞地形地貌并對周邊(建)構(gòu)筑物的安全產(chǎn)生不利影響［1-4］。因此，開展多次開挖擾動下的硬巖礦柱應(yīng)力演化特征和地表沉降規(guī)律研究，為選擇減輕、消除和避免開采損害的方法提供理論依據(jù)，是十分必要的。

目前針對圍巖應(yīng)力演化分析、地表移動規(guī)律研究主要有理論分析法、現(xiàn)場監(jiān)測法［5］、相似模型試驗(yàn)法［6］、數(shù)值仿真模擬法［7-10］。本研究基于有限元理論，運(yùn)用數(shù)值分析軟件，對硬巖礦床多次開挖擾動下的采場礦柱應(yīng)力演化地表沉降特征進(jìn)行了分析，揭示硬巖礦床動態(tài)開采擾動下礦柱的應(yīng)力與地表位移增長規(guī)律。

1 工程概況

某礦區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺燕山臺褶帶山海關(guān)臺拱遷安穹隆西部，下伏地層為太古界遷西群三屯營組。賦存礦體被第四系覆蓋，平均厚度30 m，出露高度距離地表100 m，賦存高度350 m，平均厚度7.5 m，走向?yàn)镹E65°，傾向?yàn)镹W75°，走向長度1 200 m。礦石自然類型為磁鐵石英巖型貧礦，頂?shù)装鍑鷰r以混合花崗巖為主，次為斜長角閃巖和混合巖化黑云斜長片麻巖，屬于穩(wěn)固性較好的巖石。

礦山采用下盤豎井開拓，采礦方法為平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法。礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)為階段高度50 m，礦塊長度50 m，礦塊寬度為礦體厚度，平底結(jié)構(gòu)，頂柱高度為6 m，間柱寬度6 m，出礦穿脈間距7 m。

2 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模型選擇有限元分析軟件Midas/GTS建立，模擬開挖3 個階段，每個階段5 個礦房。模型長、寬、高取開采范圍的3 ～5 倍，沿礦體走向?yàn)閅 方向，長度2 000 m，垂直礦體走向?yàn)閄 方向，長度1 500 m，Z 方向取800 m，如圖1 所示。模型邊界采用位移約束，底部節(jié)點(diǎn)采用固定約束，X 與Y 方向采用邊界位移約束，頂部節(jié)點(diǎn)為自由邊界。采用德魯克－普拉格(Drucker－Prager)彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場巖體的結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙等尺寸效應(yīng)的影響，選取的巖石力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters

3 礦柱應(yīng)力演化規(guī)律

根據(jù)典型礦山礦體賦存條件和礦房開采參數(shù)，建立數(shù)值模型，應(yīng)用有限元分析軟件對礦房依次開挖進(jìn)行數(shù)值模擬研究，開挖順序?yàn)榈V房1 ～15(如圖2 所示)。為了便于分析礦柱應(yīng)力演化特征，對礦柱測點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，1#～6#測點(diǎn)為頂柱測點(diǎn)，7#～9#測點(diǎn)為右間柱測點(diǎn)，10#～15#測點(diǎn)為底柱測點(diǎn)，16#～18#測點(diǎn)為左間柱測點(diǎn)。不同礦房礦柱測點(diǎn)分布如圖2 所示。限于篇幅，選取典型礦房8 的測點(diǎn)為研究對象進(jìn)行分析。

圖2 不同礦房礦柱測點(diǎn)分布Fig.2 Measuring point distribution of different stope pillars

3.1 礦柱水平X 方向應(yīng)力(σx)演化特征

提取礦房8 礦柱測點(diǎn)隨礦房開挖的σx計算結(jié)果，如圖3 所示。礦房8 未開挖前，上一水平頂部(礦房3)和對角相鄰礦房(礦房2 和4)開挖對礦房8 頂柱測點(diǎn)產(chǎn)生了較小應(yīng)力擾動，其他位置測點(diǎn)產(chǎn)生了輕微擾動，同一水平相鄰礦房(礦房7)開挖后對相鄰礦房一側(cè)的間柱測點(diǎn)和頂柱端部測點(diǎn)應(yīng)力擾動效應(yīng)增大。礦房8 開挖后礦柱測點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重。此后，同一水平另一側(cè)相鄰礦房開挖(礦房9)、下一水平下部礦房(礦房13)和對角礦房(礦房12 和14)開挖后，對礦房間對應(yīng)的間柱和底柱應(yīng)力擾動現(xiàn)象明顯。

圖3 礦柱測點(diǎn)σx 變化趨勢Fig.3 σx trends of pillar measuring point

由礦柱測點(diǎn) 變化趨勢圖可知頂柱測點(diǎn)4#、右間柱測點(diǎn)8#、底柱測點(diǎn)13#和左間柱測點(diǎn)17#受礦房開挖擾動后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，為此提取上述4 個測點(diǎn)隨不同礦房開挖后的應(yīng)力變化值進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)計算，生成敏感測點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)變化曲線，如圖4所示。頂柱測點(diǎn)4#在頂部(礦房3)和對角相鄰礦房(礦房2 和4)開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，應(yīng)力集中系數(shù)依次為1.01(礦房2)、1.10(礦房3)、1.14(礦房4);礦房8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重，系數(shù)為2.32;此后應(yīng)力集中現(xiàn)象趨于平緩增長，其中礦房9和礦房13 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最終應(yīng)力集中系數(shù)為2.59。右間柱測點(diǎn)8 在礦房8 開挖前應(yīng)力集中現(xiàn)象輕微，礦房8 和9 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為2.46、2.95;礦房10 ～12 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕;礦房13、14 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為3.17、3.26;礦房15 開挖后最終應(yīng)力集中系數(shù)為3.29。底柱測點(diǎn)13#在礦房8 和13 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.83、2.56;礦房9和14 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為1.88、2.62;其他礦房開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象輕微，最終應(yīng)力集中系數(shù)為2.63。左間柱測點(diǎn)17#在礦房7 和8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.25、2.90;礦房12 和13 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為3.04、3.18，最終應(yīng)力集中系數(shù)為3.22。

圖4 敏感測點(diǎn)σx 集中系數(shù)變化曲線Fig.4 σx concentration factor curve of sensitive measuring point

3.2 礦柱水平Y(jié) 方向應(yīng)力σy 演化特征

提取礦房8 礦柱測點(diǎn)隨礦房開挖σy計算結(jié)果，如圖5 所示。礦房1 ～7 開挖時，礦房8 礦柱測點(diǎn)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中頂柱測點(diǎn)和左間柱測點(diǎn)應(yīng)力擾動效應(yīng)明顯。礦房8 ～15 開挖后，左右間柱測點(diǎn)和頂?shù)字怯鐪y點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象加重，頂?shù)字渌麥y點(diǎn)發(fā)生了應(yīng)力釋放現(xiàn)象。

由圖5 可知頂柱測點(diǎn)1#、右間柱測點(diǎn)10#、底柱測點(diǎn)15#受礦房開挖擾動后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，提取上述3 個測點(diǎn)隨不同礦房開挖后的應(yīng)力變化值進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)計算，生成敏感測點(diǎn) 集中系數(shù)變化曲線，如圖6 所示。頂柱測點(diǎn)1#在礦房3 和8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.09、1.29，其他礦房開挖后呈平緩增長趨勢，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.38。右間柱測點(diǎn)10#在礦房8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)為1.24;礦房9、13 和14 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為1.34、1.48、1.54，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.56。底柱測點(diǎn)15#在礦房7 和8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.15、1.29;礦房13 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)為1.42，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.46。

圖5 礦柱測點(diǎn)σy 變化趨勢Fig.5 σy trends of pillar measuring point

圖6 敏感測點(diǎn)σy 集中系數(shù)變化曲線Fig.6 σy concentration factor curve of sensitive measuring point

3.3 礦柱垂直Z 方向應(yīng)力σz 演化特征

提取礦房8 礦柱測點(diǎn)隨礦房開挖的σz計算結(jié)果，如圖7 所示，礦柱σz變化趨勢與σy相似。礦房8未開挖前，礦柱測點(diǎn)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂柱測點(diǎn)和左間柱測點(diǎn)應(yīng)力擾動效應(yīng)明顯。礦房8 開挖后，左右間柱測點(diǎn)和頂?shù)字怯鐪y點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象加重，頂?shù)字渌麥y點(diǎn)發(fā)生了應(yīng)力釋放現(xiàn)象。

由礦柱測點(diǎn)σz變化趨勢圖可知頂柱測點(diǎn)1#、右間柱測點(diǎn)9#、左間柱測點(diǎn)16#受礦房開挖擾動后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，提取上述3 個測點(diǎn)隨不同礦房開挖后的應(yīng)力變化值進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)計算，生成敏感測點(diǎn)σz集中系數(shù)變化曲線，如圖8 所示。頂柱測點(diǎn)1#在礦房2、3、7、8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.04、1.10、1.20、1.27，其他礦房開挖后呈平緩增長趨勢，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.34。右間柱測點(diǎn)9#在礦房8 和9 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.36、1.52;礦房13 和14 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為1.61、1.68，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.69。左間柱測點(diǎn)16#在礦房7 和8 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，系數(shù)分別為1.09、1.52;礦房12 和13 開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，系數(shù)分別為1.60、1.68，最終應(yīng)力集中系數(shù)為1.70。

圖7 礦柱測點(diǎn)σz 變化趨勢Fig.7 σz trends of pillar measuring point

圖8 敏感測點(diǎn)σz 集中系數(shù)變化曲線Fig.8 σz concentration factor curve of sensitive measuring point

由不同方向礦柱測點(diǎn)應(yīng)力演化特征分析可知礦房開挖后頂柱和底柱測點(diǎn)、左間柱和右間柱測點(diǎn)變化趨勢相似。σz集中系數(shù)最大，σy與σz集中系數(shù)相近。礦房開挖后對自身礦房礦柱應(yīng)力擾動最嚴(yán)重，相鄰礦房和對角礦房開挖會引起礦柱測點(diǎn)應(yīng)力集中，頂?shù)装逯虚g測點(diǎn)和左右間柱下部測點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。擾動效應(yīng)排序?yàn)樽陨淼V房開挖＞同水平相鄰礦房開挖＞下水平相鄰和對角礦房開挖＞上水平相鄰和對角礦房開挖。

4 地表沉降演化規(guī)律

選取部分典型礦房開挖后的地表垂直位移云圖，如圖9 所示。

圖9 典型礦房開挖地表垂直位移云圖Fig.9 Surface vertical displacement contours of typical stopes excavation

隨著礦房的開挖，礦體上盤區(qū)域發(fā)生了沉降，下盤區(qū)域發(fā)生了隆起。隨著1 ～5 礦房的開挖地表位移變化區(qū)域沿礦體走向擴(kuò)展，位移值呈增長趨勢，第一水平開挖后位移敏感區(qū)域上盤為位移變化區(qū)域的16%左右，下盤為10%左右。第二水平開挖過程中下盤位移變化區(qū)域趨于穩(wěn)定，上盤沉降區(qū)域擴(kuò)大趨勢緩慢，最大沉降值繼續(xù)增長，第二水平開挖后礦體上盤沉降敏感區(qū)域增大至26%左右，下盤為14%左右。第三水平開挖過程中上、下盤位移變化區(qū)域變化不大，下盤最終沉降敏感區(qū)域?yàn)?7%左右，上盤最終沉降敏感區(qū)域?yàn)?3%左右，但上盤敏感區(qū)域隨著礦房的開挖沿礦體走向呈擴(kuò)展趨勢。

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)典型鐵礦床為物理原型，運(yùn)用有限元軟件建立了3 階段15 礦房數(shù)值計算模型，模擬分析了多礦房開挖卸荷擾動下的采場礦柱應(yīng)力演化特征和地表沉降規(guī)律。

(2)礦房開挖后礦柱σx集中系數(shù)最大，σy與σz集中系數(shù)相近。水平和垂直方向的多個相鄰礦房開挖過程中，擾動效應(yīng)排序?yàn)樽陨淼V房開挖＞同水平相鄰礦房開挖＞下水平相鄰和對角礦房開挖＞上水平相鄰和對角礦房開挖。

(3)隨著礦房的開挖，礦體上盤地表區(qū)域發(fā)生了沉降，下盤地表區(qū)域發(fā)生了隆起。第一水平開挖地表位移變化區(qū)域沿礦體走向擴(kuò)展，第二、三水平開挖地表位移變化區(qū)域增大區(qū)域不明顯，沉降敏感區(qū)域位移值呈增長趨勢。

［1］ 張欽禮，羅怡波，柯愈賢.露天轉(zhuǎn)地下開采地表沉降安全性分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，44(8):3441-3445.

Zhang Qinli，Luo Yibo，Ke Yuxian.Security for ground settlement of transition from open pit to underground mining［J］. Journal of Central South University:Science and Technology，2013，44(8):3441-3445.

［2］ 周曉超，周 銘，李小武.緩傾斜礦體開采地表沉降模擬［J］. 金屬礦山，2015(1):16-19.

Zhou Xiaochao，Zhou Ming，Li Xiaowu.Simulation on surface subsidence induced by mining of gentle inclined deposit［J］.Metal Mine，2015(1):16-19.

［3］ 郭進(jìn)平，劉曉飛，王小林，等. 金屬礦床開采地表破壞機(jī)理及防控方法［J］.金屬礦山，2014(2):6-11.

Guo Jinping，Liu Xiaofei，Wang Xiaolin，et al.Mechanism of mininginduced surface destruction in metal mines and its control technology［J］.Metal Mine，2014(2):6-11.

［4］ 宋衛(wèi)東，王 欣，杜建華.程潮鐵礦無底柱分段崩落法開采誘發(fā)地表變形規(guī)律［J］.金屬礦山，2012(7):9-13.

Song Weidong，Wang Xin，Du Jianhua. Surface deformation law of Chengchao Iron Mine induced by pillarless sublevel caving mining method［J］.Metal Mine，2012(7):9-13.

［5］ 夏開宗，劉秀敏，陳從新，等. 程潮鐵礦西區(qū)地下開采引起的地表變形規(guī)律初探［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(8):1572-1588.

Xia Kaizong，Liu Xiumin，Chen Congxin，et al. Surface deformation in west area of Chengchao Iron Mine induced by underground mining［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(8):1572-1588.

［6］ 尹光志，李小雙，魏作安，等. 邊坡和采場圍巖變形破裂響應(yīng)特征的相似模擬試驗(yàn)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(1):2913-2923.

Yin Guangzhi，Li Xiaoshuang，Wei Zuoan，et al. Similar simulation study of deformation and failure response features of slope and stope rocks［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(1):2913-2923.

［7］ 蔣金泉，武泉林，曲 華.硬厚覆巖正斷層附近采動應(yīng)力演化特征［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2014，31(6):881-887.

Jiang Jinquan，Wu Quanlin，Qu Hua. Evolutionary characteristics of mining stress near the hard-thick overburden normal faults［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2014，31(6):881-887.

［8］ 軒大洋，許家林，馮建超，等. 巨厚火成巖下采動應(yīng)力演化規(guī)律與致災(zāi)機(jī)理［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(8):1252-1257.

Xuan Dayang，Xu Jialin，F(xiàn)eng Jianchao，et al. Disaster and evolvement law of mining-induced stress under extremely thick igneous rock［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(8):1252-1257.

［9］ 祁建東，高永濤，韓浩亮.河流下伏采空區(qū)地表沉降規(guī)律及處治技術(shù)研究［J］.金屬礦山，2015(2):26-31.

Qi Jiandong，Gao Yongtao，Han Haoliang. Research on the surface subsidence regularity and treatment technique of goaf underlying river［J］.Metal Mine，2015(2):26-31.

［10］ 楊寶貴，彭?xiàng)铕?，?楊，等.充填開采地表移動變形規(guī)律數(shù)值模擬分析［J］.金屬礦山，2014(12):169-174.

Yang Baogui，Peng Yanghao，Li Yang，et al. Numerical simulation analysis of ground movement deformation law in backfill mining［J］.Metal Mine，2014(12):169-174.