崩落法開(kāi)采巖層移動(dòng)影響因素的數(shù)值模擬

東龍賓 王少泉 金長(zhǎng)宇 劉召勝 周 育

(1. 中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116600;2. 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819)

使用崩落法開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)是一個(gè)重大的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題，影響頂板大面積冒落的因素眾多，機(jī)制復(fù)雜［1］，難以用確定的試驗(yàn)手段和理論方法解決［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地表沉陷的研究由來(lái)已久，如Halbaum 將采空區(qū)上方巖層作為懸臂梁，推導(dǎo)出地表應(yīng)變與曲率半徑成反比的理論［3］; 郭增長(zhǎng)［4］建立了極不充分開(kāi)采條件下地表移動(dòng)的預(yù)計(jì)方法; 郝冰元［5］分析了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)的可靠性，對(duì)概率積分法預(yù)測(cè)的參數(shù)取值進(jìn)行了改進(jìn);胡斌等［6］通過(guò)隨隨機(jī)介質(zhì)理論，將巖層移動(dòng)視為一隨機(jī)過(guò)程，對(duì)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降進(jìn)行了研究，黃平路等［7］通過(guò)有限元和離散元聯(lián)合分析的方法，研究了露天于地下聯(lián)合開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)規(guī)律。離散元法是專(zhuān)門(mén)用來(lái)解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法。20 世紀(jì)80 年代中期，王永嘉［8］首次將離散元法引入到國(guó)內(nèi)，該方法特別適用于節(jié)理巖體的大變形、大位移分析，并在地表沉降等研究中得到了廣泛應(yīng)用［9-10］。20 世紀(jì)80 年代末期，Cundall 等［11］開(kāi)發(fā)了用于模擬節(jié)理巖體的三維離散元程序( 3DEC) ，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究基于巖土力學(xué)理論，以某大型在建礦山為依托工程，采用離散元程序3DEC，對(duì)深部礦體崩落法開(kāi)采過(guò)程中不同因素對(duì)巖層移動(dòng)規(guī)律的影響進(jìn)行分析，研究結(jié)論可為深部礦體崩落法開(kāi)采過(guò)程中引起的地表沉陷范圍的確定提供一定的參考與指導(dǎo)。

1 計(jì)算參數(shù)與分析模型的建立

1.1 計(jì)算參數(shù)的確定

計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確獲取是決定計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件。從國(guó)際范圍看，巖體工程實(shí)踐中最常用的峰值強(qiáng)度準(zhǔn)則為摩爾－ 庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則和Hoek －Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，它們分別采用不同的力學(xué)關(guān)系式描述巖體峰值強(qiáng)度σ1與圍壓σ3之間的關(guān)系。本次計(jì)算采用摩爾－庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。目前工程實(shí)踐中在確定摩爾－庫(kù)倫強(qiáng)度參數(shù)值時(shí)，多采用了基于Hoek －Brown 強(qiáng)度參數(shù)的換算方法。因此，為準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)巖體的力學(xué)參數(shù)，本研究工作的技術(shù)路線(xiàn)如下。

(1) 開(kāi)展巖石室內(nèi)試驗(yàn)，獲得巖石基本力學(xué)參數(shù)，如單軸抗強(qiáng)度、巖石材質(zhì)指標(biāo)mi等。

(2) 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔巖芯編錄，獲得不同地層的礦巖質(zhì)量RMR，以此換算成地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI。

通過(guò)相關(guān)計(jì)算，獲得的巖體力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的確定，主要根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行估算:

式中，Kn為結(jié)構(gòu)面法向剛度; Ks為結(jié)構(gòu)面切向剛度; tj為結(jié)構(gòu)面厚度，一般tj=0.1 ～0.6 m; Ej為充填物質(zhì)的變形模量;Gj為充填物質(zhì)的剪切模量。綜合參考其他類(lèi)似工程及相關(guān)文獻(xiàn)，選取的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)Table 2 Structure mechanical parameters

1.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

所研究的礦山礦體屬于典型的深埋急傾斜厚大礦體，傾角68° ～75°，礦體厚度為77.85 ～272.61 m，平均厚度為162.09 m，礦體最淺埋深－740 m，設(shè)計(jì)采用無(wú)底柱分段崩落法，自上而下分段進(jìn)行回采。為掌握現(xiàn)場(chǎng)巖體節(jié)理分布情況，利用ZK －28 鉆孔對(duì)－751 ～－1 006 m 區(qū)間進(jìn)行了原位三維掃描( 如圖1) ，其節(jié)理傾角以緩傾—中等傾角為主。

圖1 鉆孔攝像裂隙及產(chǎn)狀分布Fig.1 Cracks and occurrence distribution from borehole camera

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法測(cè)試可知，鉆孔橫截面上大主應(yīng)力值σ1隨深度呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，如圖2。

圖2 鉆孔橫截面大主應(yīng)力量值隨鉆孔深度回歸曲線(xiàn)Fig.2 The regression curve of major principal stress magnitude with drilling depth on drilling cross-section

在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)之上，將研究問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，充分考慮節(jié)理、裂隙等地質(zhì)因素，建立了典型剖面的二維計(jì)算模型，如圖3 所示。模型尺寸寬為2 800 m，高為1 995 m，為消除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界距開(kāi)挖邊界為3 倍的跨度。模型共計(jì)塊體數(shù)4 563，節(jié)理面25 752 個(gè)，單元尺寸為100 m，共計(jì)29 013 萬(wàn)個(gè)單元，上部邊界為自由面，其余各邊界均為法向約束，塊體和節(jié)理面都采用摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Calculation model

2 不同條件下巖層移動(dòng)特征分析

2.1 不同節(jié)理傾角對(duì)巖層移動(dòng)的影響

為研究節(jié)理傾角對(duì)巖層移動(dòng)的影響，分別建立了節(jié)理傾角為15°、30°、45°、60°和75°的計(jì)算模型，選取節(jié)理傾角為15°、30°的計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，圖5為不同節(jié)理傾角下的地表沉降曲線(xiàn)。通過(guò)圖4 和圖5 可以看出:結(jié)構(gòu)面對(duì)巖層的移動(dòng)規(guī)律有著重要的控制作用。當(dāng)優(yōu)勢(shì)節(jié)理傾角為15°時(shí)，礦石開(kāi)采后，崩落以筒形陷落的形式塌落至地表，地表最大沉降量達(dá)到了30 m; 當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，沉降量和沉降范圍有了明顯的減小，最大沉降量約為10 m，崩落的發(fā)展趨勢(shì)主要沿著優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的方向發(fā)展，隨著節(jié)理傾角的增大，對(duì)崩落的抑制作用越來(lái)越明顯。由此可見(jiàn)水平節(jié)理對(duì)崩落有良好的促進(jìn)作用;在其他條件一致的情況下，垂直或陡傾節(jié)理對(duì)巖體的崩落產(chǎn)生抑制作用，這種條件下礦體可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的崩落。

圖4 不同節(jié)理傾角對(duì)巖層移動(dòng)的影響Fig.4 Effects of different joint angle on strata movement

由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)面的存在對(duì)巖層移動(dòng)規(guī)律有著重要的影響，結(jié)構(gòu)面的分布決定了巖體的宏觀變形、強(qiáng)度等特征。因此，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)節(jié)理裂隙的統(tǒng)計(jì)獲得節(jié)理的統(tǒng)計(jì)參數(shù)是工程地質(zhì)調(diào)查中一項(xiàng)非常重要的工作。

圖5 不同節(jié)理傾角下的地表沉降曲線(xiàn)Fig.5 Surface settlement curve of different joint angle

2.2 不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巖層移動(dòng)的影響

對(duì)于深部開(kāi)采的礦山，地應(yīng)力通常以構(gòu)造應(yīng)力為主。在研究礦山地表塌陷變形與巖層移動(dòng)時(shí)如果只考慮自重應(yīng)力，如果忽視構(gòu)造應(yīng)力的影響，會(huì)使移動(dòng)角、陷落角預(yù)測(cè)與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差。由模擬結(jié)果( 如圖6) 和沉降曲線(xiàn)( 如圖7) 可以看出，對(duì)于深部開(kāi)采的礦體，側(cè)壓力系數(shù)越大，崩落高度越小，這是由于隨著側(cè)向壓力系數(shù)的增加，巖體在水平方向所受的夾制作用越來(lái)越強(qiáng)，抑制了圍巖崩落的發(fā)展，表現(xiàn)出的宏觀規(guī)律是地表沉降量和崩落高度逐漸變小。所以，對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力比較大的礦山，地表相對(duì)不易出現(xiàn)塌陷。

圖6 不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巖層移動(dòng)的影響Fig.6 Effects of different lateral pressure coefficients on strata movement

2.3 不同開(kāi)挖階段對(duì)巖層移動(dòng)的影響

圖7 不同側(cè)壓力系數(shù)下地表沉降曲線(xiàn)Fig.7 Surface settlement curve of different lateral pressure coefficients

由模擬結(jié)果云圖( 如圖8) 可以看出，礦體從－752 m 水平開(kāi)采到－812 m 水平時(shí)，地表幾乎沒(méi)有響應(yīng)，采場(chǎng)頂部圍巖發(fā)生了少量的冒落，當(dāng)開(kāi)采到－872 m 水平時(shí)，地表開(kāi)始出現(xiàn)變形響應(yīng)，開(kāi)采到－932 m 水平時(shí)，地表出現(xiàn)了小范圍的沉陷，此時(shí)采空區(qū)高度為120 m。開(kāi)采到一期－1 052 m 水平時(shí)，承壓拱的成拱機(jī)制破壞，地表出現(xiàn)了明顯的崩落區(qū)、開(kāi)裂區(qū)和變形區(qū)( 圖8( d) ) 。這一結(jié)果也揭示了早期開(kāi)采過(guò)程中，頂板存在形成承壓拱的可能性，承壓拱的存在可以承擔(dān)覆巖及地表土的自重，對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用。承壓拱形態(tài)會(huì)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而不斷演化，最終破壞承壓拱的成拱機(jī)制，而導(dǎo)致采場(chǎng)上方覆巖斷裂、地表塌陷。圍巖變形和崩落與采空區(qū)形態(tài)密切相關(guān)，崩落法開(kāi)采初期，頂板即可出現(xiàn)變形，當(dāng)開(kāi)采區(qū)達(dá)到一定體積后，承壓拱失穩(wěn)，頂板的變形就會(huì)演變成大范圍的崩落。

3 結(jié) 論

(1) 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征對(duì)崩落發(fā)展過(guò)程有著顯著影響，水平節(jié)理對(duì)崩落發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用，垂直或陡傾節(jié)理對(duì)巖體的崩落產(chǎn)生抑制作用，當(dāng)優(yōu)勢(shì)節(jié)理呈傾斜狀時(shí)，崩落沿優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)展，但獲得相對(duì)不大的崩落高度后即停止。

(2) 深部礦體開(kāi)采過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巖層移動(dòng)的影響不容忽視，隨著側(cè)向壓力系數(shù)的增加，巖體在水平方向所受的夾制作用越來(lái)越強(qiáng)，抑制了圍巖崩落的發(fā)展，因此對(duì)于以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主的礦山，圍巖的可崩性相對(duì)較差。

(3) 不論是頂板崩落還是圍巖變形，都與采空區(qū)形態(tài)密切相關(guān)，對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力型深部開(kāi)采礦山，開(kāi)采初期承壓拱的存在可以承擔(dān)覆巖及地表土的自重，對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用。實(shí)際礦山生產(chǎn)中可通過(guò)開(kāi)展開(kāi)采順序優(yōu)化研究，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)崩落發(fā)展過(guò)程的控制。

圖8 不同開(kāi)挖階段對(duì)巖層移動(dòng)的影響Fig.8 Effects of different excavation stages on strata movement

［1］ 胡建華，周科平，古德生，等. 基于連續(xù)采礦的頂板誘導(dǎo)崩落時(shí)變力學(xué)特性分析［J］. 采礦技術(shù)，2006，6(3) :157-160.

Hu Jianhua，Zhou Keping，Gu Desheng，et al. Mechanical properties analysis of roof caving induced by continuous mining［J］. Mining Technology，2006，6(3) :157-160.

［2］ 張國(guó)聯(lián)，趙顯濤. 巖體誘導(dǎo)冒落的數(shù)值模擬［J］. 東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，33(8) :1190-1193.

Zhang Guolian，Zhao Xiantao. Numerical simulation on induced caving of rock mass［J］. Journal of Northeastern University: Natural Science，2012，33(8) :1190-1193.

［3］ 阿威爾辛C T. 煤礦地下開(kāi)采的巖層移動(dòng)［M］. 北京:煤炭工業(yè)出版社，1959.

Averroes C T.Rock Movement Underground Coal Mining［M］.Beijing:Coal Industry Press，1959.

［4］ 郭增長(zhǎng)，謝和平，王金莊. 極不充分開(kāi)采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)的概率密度函數(shù)法［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(2) :155-158.

Guo Zengzhang，Xie Heping，Wang Jinzhuang. Applying probability distribution density function to predict the surface subsidence caused by subcritical extraction［J］. Journal of China Coal Society，2004，29(2) :155-158.

［5］ 郝兵元. 厚黃土薄基巖煤層開(kāi)采巖移及土壤質(zhì)量變異規(guī)律的研究［D］. 太原:太原理工大學(xué)，2009.

Hao Bingyuan. Study on the Law of Rock Movement and Soil Variation in Mining of Coal Seams of Thick Loess and Thin Bedrock［D］.Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2009.

［6］ 胡 斌，劉永林，唐輝明，等. 武漢地鐵虎泉—名都區(qū)間隧道開(kāi)挖引起的地表沉降研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(5) :909-913.

Hu Bin，Liu Yonglin，Tang Huiming，et al. Research on ground subsidence due to tunnel excavation in Huquan-Mingdu section of Wuhan subway［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(5) :909-913.

［7］ 黃平路，陳從新. 露天與地下聯(lián)合開(kāi)采引起礦山巖層移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26( S2) :4037-4043.

Huang Pinglu，Chen Congxin. Numerical simulation reseach on rock movement caused by surface mining and underground mining［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26( S2) :4037-4043.

［8］ 王泳嘉. 離散元法及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用［J］. 金屬礦山，1986(8) :13-17.

Wang Yongjia. Discrete element method and its application in rock mechanics［J］. Metal Mine，1986(8) :13-17.

［9］ 張國(guó)權(quán)，盛建龍，孫明偉，等. 基于UDEC 的復(fù)雜條件下放頂引起的地表沉陷規(guī)律研究［J］. 金屬礦山，2012(6) :145-148.

Zhang Guoquan，Sheng Jianlong，Sun Mingwei，et al. Study on the surface subsidence rule in roof caving under complex conditions cased on UDEC［J］. Metal Mine，2012(6) :145-148.

［10］ 李遠(yuǎn)耀，唐朝暉，陳仁全. 廣西合山煤田淺埋煤層采空區(qū)塌陷機(jī)理數(shù)值分析［J］. 金屬礦山，2014(3) :26-30.

Li Yuanyao，Tang Zhaohui，Chen Renquan. Numerical analysis on the mechanism of mining collapse in shallow seam of Heshan Coal Field，Guangxi［J］. Metal Mine，2014(3) :26-30.

［11］ Cundall P A. Formulation of a three-dimensional distinct element model-Part I，a scheme to detect and represent contacts in a system composed of many polyhedral blocks［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science ＆ Geo-mechanics Abstract，1988，25(3) :107-116.