淺埋大采空區(qū)殘礦回采上覆巖層及井筒穩(wěn)定性研究

費(fèi)鴻祿 胡 剛 趙雁海 張龍飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新123000;2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西 太原030024;3.內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭014030)

隨著礦產(chǎn)資源的日益枯竭以及礦山生產(chǎn)的迫切需求，殘留礦體的安全高效回采已成為許多礦山企業(yè)面臨的難題［1］。殘留礦體對(duì)采空區(qū)的頂板起到支撐作用，只有采取一定的技術(shù)手段才能保證殘留礦體回采時(shí)上覆巖層的穩(wěn)定，同時(shí)井筒的變形破壞受上覆巖層移動(dòng)的影響。因此，有必要對(duì)殘礦回采上覆巖層、井筒的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，這對(duì)于提高礦產(chǎn)資源的采出率，實(shí)現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［2］。

針對(duì)殘礦回采上覆巖層、井筒穩(wěn)定性的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。劉長友等［3］研究了充填開采時(shí)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律和穩(wěn)定性，提出了保持巖層移動(dòng)的合理范圍以及充填體的允許壓縮率;王家臣等［4］通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同充填率情況下上覆巖層應(yīng)力變化和巖層移動(dòng)特征;彭濤等［5］以大平礦為工程背景，研究了副井井筒的破壞機(jī)理;許家林等［6］利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)地表沉陷的影響進(jìn)行了研究;陳維等［7］利用FLAC3D軟件，對(duì)第四系松散層下豎井破裂規(guī)律進(jìn)行了模擬研究;Eva Jirankova 和Vladimir Petros［8］研究了堅(jiān)硬上覆巖層的應(yīng)力變化;王金安等［9］通過數(shù)值模擬對(duì)淺埋堅(jiān)硬上覆巖層下開采地表塌陷的機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明:復(fù)合應(yīng)力拱破壞是導(dǎo)致采場(chǎng)上覆巖石斷裂、地表塌陷的主要原因。但以上研究均未針對(duì)淺埋大采空區(qū)的特殊情況進(jìn)行上覆巖層、井筒的穩(wěn)定性分析。

本研究首先分析了礦體采空區(qū)上覆巖層和井筒的破壞機(jī)理，并基于H－K 體建立了礦體采空區(qū)頂板流變力學(xué)模型;然后采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了殘礦回采上覆巖層和井筒的應(yīng)力、位移變化規(guī)律;再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，得出了礦體上覆巖層不會(huì)發(fā)生坍塌，井筒不會(huì)發(fā)生破壞，為淺埋大采空區(qū)殘礦回采提供參考。

1 工程背景

朝不楞礦區(qū)鐵鋅多金屬礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗東北部，礦區(qū)位于蒙古高原東南邊緣;分為南、北和西3 個(gè)礦帶，礦體成群成帶分布，長約10 km，寬約3 km，采選規(guī)模1 500 t/d。礦區(qū)出露地層有中奧陶統(tǒng)、上志留統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)、上泥盆統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、第三系上新統(tǒng)和第四系全新統(tǒng)。礦體圍巖是中泥盆統(tǒng)塔爾巴特組下巖段的含灰?guī)r的一套淺海相沉積地層，后經(jīng)燕山早期第二次黑云母花崗巖侵入，在接觸帶及其附近，發(fā)生接觸交待作用和熱液變質(zhì)作用，形成各種矽卡巖、角巖和大理巖等變質(zhì)巖石，其中礦體圍巖絕大部分為矽卡巖，普氏系數(shù)為8 ～12。

朝不楞礦Ⅲ區(qū)二中段采空區(qū)分布范圍較大，共16 個(gè)采空區(qū)，暴露面積為4 270 m2，其中C202 －1 采空區(qū)暴露面積最大為890 m2;Ⅲ區(qū)三中段采空區(qū)分布范圍最大，共25 個(gè)采空區(qū)，暴露面積為11 389 m2，其中C302 －1 采空區(qū)暴露面積最大為917 m2，為礦區(qū)暴露面積最大的采空區(qū);并且采空區(qū)上部存在一層厚度為15 ～24 m 的氧化帶，氧化帶上緊鄰第三系、第四系巖層直至地表。如圖1 所示，豎井1、2 和盲豎井1 臨近采空區(qū)，形狀和規(guī)格分別為圓形，d =3.2 m;矩形，2.4 m×2.8 m;圓形，d =3.5m。由于豎井1 距離采空區(qū)較近，因此針對(duì)豎井1，分析殘礦回采井筒的穩(wěn)定性。

2 殘礦回采頂板及井筒破壞機(jī)理

2.1 采空區(qū)頂板力學(xué)模型

在淺埋大采空區(qū)殘礦回采之前，殘留礦體對(duì)采空區(qū)頂板具有支撐作用，在不考慮頂板局部破壞，將采空區(qū)頂板簡(jiǎn)化為彈性矩形薄板，如圖2 所示。設(shè)彈性矩形薄板長度為2a，寬度為2b，厚度為h;頂板巖體的彈性模量為E，泊松比為υ，體密度為ρ;殘留礦體

圖1 采空區(qū)平面圖Fig.1 Plane graph of mined-out area

平均面積為S，高度為H，數(shù)量為m。則采空區(qū)頂板控制方程［10］為

式中，ω 為采空區(qū)頂板撓度;D 為采空區(qū)頂板抗彎剛度，D = Eh/ [12 (1 － ν2)];ξ 為殘留礦體支撐力等效為均布面力系數(shù)，ξ = mS/(4ab);σ 為殘留礦體支撐采空區(qū)頂板的應(yīng)力;q0為采空區(qū)頂板承受的應(yīng)力。假設(shè)殘留礦體是等距分布的，作用在頂板上總的均布載荷q 由q0與頂板的自重載荷ρgh 疊加而成，即q =q0+ ρgh。

圖2 采空區(qū)頂板模型Fig.2 The model of goaf roof

圖3 H－K 體流變模型Fig.3 Rheological model of H-K

采用H－K 體流變模型，如圖3，模擬殘留礦體，其本構(gòu)關(guān)系為

式中，k1，k2為H－K 體彈性系數(shù);η1為黏性系數(shù)。

采空區(qū)殘留礦體軸向應(yīng)變和位移關(guān)系為

將H－K 體本構(gòu)關(guān)系式(3)以及應(yīng)變位移關(guān)系式(4)引入采空區(qū)頂板控制方程式(1)，可以得到

式中，ω' 為采空區(qū)頂板下沉撓度ω 對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。

2.2 井筒破壞機(jī)理

殘礦回采引起上覆巖層的移動(dòng)可能影響到巖體內(nèi)井筒井壁的變形破壞，在諸多變形破壞的形式中，以豎向變形［11］破壞最為常見，這與井筒為豎向線性建筑物的特點(diǎn)有關(guān)。由于井筒豎向比較長，在殘礦回采過程中，上覆巖層的移動(dòng)可能導(dǎo)致豎向附加力的累積;如果豎向附加力和井筒的自重之和大于井筒井壁的豎向承載能力，就會(huì)導(dǎo)致井筒井壁發(fā)生變形破壞。

假設(shè)井筒井壁與巖石接觸的區(qū)域摩擦系數(shù)和巖體水平側(cè)壓系數(shù)保持不變，則井筒井壁受上覆巖層移動(dòng)而產(chǎn)生的豎向附加力［12］為

式中，z 為巖層深度，m;A 為單位長井筒的表面積，m2/m;l 為采動(dòng)影響深度，m;C 為黏聚力，N/m2;μ 為靜摩擦系數(shù);λ 為巖體水平側(cè)壓系數(shù);γ 為上覆巖層平均容重，N/m3。

假設(shè)井筒的自重為R，井筒井壁的豎向承載力為P，如果

則井筒井壁發(fā)生變形破壞。

3 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

3.1 本構(gòu)模型破壞準(zhǔn)則

FLAC3D模擬軟件是一種三維顯式有限差分法程序，相對(duì)于有限元法，顯式有限差分算法對(duì)材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形都模擬的更加精確，對(duì)材料彈塑性分析、大變形分析具有較大的優(yōu)勢(shì)。本構(gòu)模型選用摩爾－庫倫巖土通用模型，該模型采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則［13］。

抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為

抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

3.2 初始力學(xué)參數(shù)確定

通過現(xiàn)場(chǎng)勘探取樣，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定礦體和圍巖的初始力學(xué)參數(shù)［14］。利用TAW －2000 單軸－三軸試驗(yàn)儀測(cè)定礦體和圍巖的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù);利用非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)定礦體和圍巖縱波速度和彈性模量。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

針對(duì)Ⅲ區(qū)二、三中段存在的較大面積空區(qū)，對(duì)朝不楞礦Ⅲ區(qū)進(jìn)行礦體建模;考慮礦區(qū)水文及工程地質(zhì)環(huán)境特征的影響，表層覆蓋層為2 層:一層為第四系風(fēng)化系，設(shè)計(jì)厚度40 m;另一層為第二系紅黏土，設(shè)計(jì)厚度10 m;建立模型的高度為210 m，沿全局坐標(biāo)x 方向長600 m，y 方向?qū)?00 m。為了放大殘礦回采對(duì)井筒的影響，將豎井1、豎井2 井筒沿x、y 坐標(biāo)分別向Ⅲ區(qū)做1 ～10 m 的靠近。

設(shè)置單元數(shù)為101 328 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為108 452個(gè)。如圖4 所示，模型的邊界條件為:模型底部采用3 個(gè)方向的固定值，模型兩側(cè)采用對(duì)應(yīng)水平方向的固定邊界，模型上部為自由邊界不進(jìn)行約束;重力的設(shè)置采用默認(rèn)的重力大小和方向。

圖4 Ⅲ區(qū)模型Fig.4 Model of area Ⅲ

Ⅲ區(qū)二、三中段回采后上覆巖層應(yīng)力和位移分布見圖5 ～圖8。

Ⅲ區(qū)二中段殘礦回采完成后，地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)有小部分拉應(yīng)力分布區(qū)，拉應(yīng)力最大值為0.13 MPa，移動(dòng)帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū)，壓應(yīng)力保持在0 ～1 MPa。Ⅲ區(qū)二中段回采后，地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)，x方向水平位移保持在0 ～0.4 mm，y 方向水平位移保持在0 ～0.3 mm，豎直方向位移保持在0 ～1.6 mm。

Ⅲ區(qū)三中段殘礦回采完成后，地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)有小部分拉應(yīng)力分布區(qū)，拉應(yīng)力最大值為0.12 MPa，移動(dòng)帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū)，壓應(yīng)力保持在0 ～1MPa。Ⅲ區(qū)三中段回采后，地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)，x 方向水平位移保持在0 ～0.33 mm，y 方向水平位移保持在0 ～0.3 mm，豎直方向位移保持在0 ～1 mm。

圖5 Ⅲ區(qū)二中段回采后上覆巖層應(yīng)力云圖Fig.5 The overlying strata stress nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖6 Ⅲ區(qū)二中段回采后上覆巖層位移云圖Fig.6 The overlying strata displacement nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

從圖9 可以看出殘礦回采完成后，上覆巖層單元體無塑性區(qū)，回采工程未造成上覆巖層塑性破壞。

Ⅲ區(qū)二、三中段回采后井筒應(yīng)力和位移分布見圖10 ～圖13。

Ⅲ區(qū)二中段回采完成后，豎井1 區(qū)域內(nèi)位移值為零;Ⅲ區(qū)三中段回采完成后，豎井1 區(qū)域內(nèi)位移最大值為0.2 mm。

從圖14 可以看出，豎井1 區(qū)域完全彈性，未發(fā)生破壞，右側(cè)灰色單元體表示為采空區(qū)C301 －1 等充填體曾發(fā)生過受拉破壞。

圖7 Ⅲ區(qū)三中段回采后上覆巖層應(yīng)力云圖Fig.7 The overlying strata stress nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖8 Ⅲ區(qū)三中段回采后上覆巖層位移云圖Fig.8 The overlying strata displacement nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖9 Ⅲ區(qū)回采后上覆巖層塑性狀態(tài)云圖Fig.9 The overlying strata plastic nephogram after mining of area Ⅲ

Ⅲ區(qū)二、三中段回采完成后，豎井1 區(qū)域均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值均為5.9 MPa。

圖10 Ⅲ區(qū)二中段回采后豎井1 應(yīng)力云圖Fig.10 The shaft 1 stress nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖11 Ⅲ區(qū)三中段回采后豎井1 應(yīng)力云圖Fig.11 The shaft 1 stress nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

5 結(jié) 論

(1)將巖石流變力學(xué)H －K 體模型引入采空區(qū)殘留礦體之中，對(duì)采空區(qū)頂板破壞機(jī)理進(jìn)行研究，建立了礦體采空區(qū)頂板流變力學(xué)模型，為殘礦回采提供了理論依據(jù)。

(2)通過數(shù)值模擬分析，Ⅲ區(qū)二、三中段殘礦回采完成后，地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)，出現(xiàn)小部分拉應(yīng)力分布區(qū)，拉應(yīng)力最大值分別為0.13 MPa 和0.12 MPa;移動(dòng)帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū)，壓應(yīng)力均保持在0 ～1MPa。回采完成后，Ⅲ區(qū)二中段豎直方向位移最大值為1.6 mm，Ⅲ區(qū)三中段豎直方向位移最大值為1 mm，并且上覆巖層未造成塑性破壞。

圖12 Ⅲ區(qū)二中段回采后豎井1 位移云圖Fig.12 The shaft 1 displacement nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖13 Ⅲ區(qū)三中段回采后豎井1 位移云圖Fig.13 The shaft 1 displacement nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖14 Ⅲ區(qū)回采后豎井1 塑性狀態(tài)云圖Fig.14 The shaft 1 plastic nephogram after mining of area Ⅲ

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，Ⅲ區(qū)二、三中段殘礦回采完成后，豎井1 區(qū)域均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值均為5.9 MPa。豎井1 區(qū)域內(nèi)最大位移值為0.2 mm，發(fā)生在Ⅲ區(qū)三中段回采完成后，并且井筒未造成塑性破壞。

(4)研究成果表明殘礦回采不會(huì)造成上覆巖層坍塌和井筒破壞，但在實(shí)際回采過程中，應(yīng)加強(qiáng)充填體的強(qiáng)度并且適當(dāng)保留部分殘留礦體，避免發(fā)生安全事故，確保淺埋大采空區(qū)殘礦回采上覆巖層和井筒的穩(wěn)定性。

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