基于不同工作面長度對覆巖移動(dòng)破壞的數(shù)值模擬

王創(chuàng)業(yè)，張 琪，李俊鵬，劉 偉

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

礦床的工作面長度是影響上覆巖層應(yīng)力和移動(dòng)變化的主要因素之一，遭到破壞的覆巖應(yīng)力需要向新的平衡發(fā)展[1-3]，近些年相關(guān)專家圍繞工作面長度對覆巖破壞和移動(dòng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4-5]研究表明：覆巖內(nèi)部應(yīng)力隨著工作面長度的增大而呈指數(shù)性增大，液壓支架的載荷也顯著增加，就目前現(xiàn)代化的采礦工藝來看，布置長距離的工作面有利于減少巷道回采的工作量，提高回采效率，是現(xiàn)代化礦床開采的需要，如今已經(jīng)受到越來越多企業(yè)的重視。本文以內(nèi)蒙古北山盤陀山鎢礦南部礦段為研究背景，通過FLAC3D有限差分軟件分析不同工作面長度對礦床上部覆巖及地表的移動(dòng)和破壞的影響[6-9]，旨在有效的保障礦區(qū)安全生產(chǎn)、提高工作面生產(chǎn)效率和保護(hù)地表環(huán)境。

1 工程概況及數(shù)值模型

盤陀山鎢礦床位于塔里木板塊與哈薩克斯坦板塊縫合帶南側(cè)，內(nèi)蒙古北山地區(qū)緣內(nèi)接觸帶及巖體中部，隆起帶中出露地層為中元古界長城系古硐井群，為一套淺海相陸源碎屑巖組合，主要由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、花崗砂巖等組成，主要分為北部、中北部、中東部及南部4個(gè)鎢礦段，其中南部礦床呈緩傾斜板狀，傾角小于10°，主要產(chǎn)于石英細(xì)脈帶中，礦床距地表標(biāo)高為180～220m，平均厚度為3m，礦體走向長度為55～535m，傾向長度為20～300m，研究內(nèi)容及模型采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，本構(gòu)模型采用庫倫摩爾準(zhǔn)則，建立走向長度為500m，傾向長度為250m，厚度為180m的模型。x為傾向方向，y為礦層推進(jìn)方向，z為巖層方向，在距離頂板不同高度的上覆巖層和地表分別布置測點(diǎn)，監(jiān)測其應(yīng)力和位移的變化。對模型的底面和四周面的x、y、z面進(jìn)行約束，上表面為自由面，采用FLAC3D分別對礦層工作面長度為90m、120m、150m、180m工作面推進(jìn)長度為300m的采空區(qū)進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析開采不同工作面長度對上覆巖層應(yīng)力和移動(dòng)變化的影響。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters

2 模擬結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

上覆巖層在自重應(yīng)力的作用下裂斷、破壞和下沉并產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)，巖塊間重新咬合相互擠壓鉸接形成砌體梁并對上部巖體提供支撐和保護(hù)的作用，上覆巖層的應(yīng)力變化程度直接影響著巖層的破壞程度，對工作面、巷道的安全和回采效率具有非常重要的影響，所以隨時(shí)掌握巖層間的應(yīng)力變化進(jìn)而判斷地表沉陷和巖層移動(dòng)的影響具有重大意義。

盤陀山鎢礦上覆巖層巖質(zhì)堅(jiān)硬，通過公式（1）和公式（2）分別算出垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶距工作面頂板的距離。

式中：Hd為礦層頂板上部垮落帶高度，m；Hk為礦層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為采高，m。

為了更好地了解礦層開采對上覆巖層移動(dòng)破壞的應(yīng)力變化，在覆巖的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶中沿著工作面推進(jìn)方向分別布置監(jiān)測點(diǎn)，得到syy方向的應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)距離礦層頂板不同高度syy方向水平應(yīng)力曲線，選取在距離頂板13m、65m、100m的上覆巖層所布置的測點(diǎn)，利用測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3、測點(diǎn)4的差值的平均值來表示覆巖內(nèi)部應(yīng)力變化的情況，進(jìn)而得出覆巖內(nèi)部擾動(dòng)破壞情況。

圖1（a）為距離工作面頂板13m的syy方向水平應(yīng)力曲線，從圖中看出應(yīng)力在工作面推進(jìn)的過程中發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，由于四周礦層對上覆巖層的支撐保護(hù)作用，在工作面開切眼至推進(jìn)到停采線處應(yīng)力最大產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，中部頂板巖層下沉應(yīng)力變化明顯。

圖1（b）（c）為距離工作面頂板65m和100m的syy方向水平應(yīng)力曲線，曲線呈鋸齒狀而且波動(dòng)非常大，在開切眼與工作面停采線處的應(yīng)力集中現(xiàn)象相比于距離頂板13m處有所增高，當(dāng)開采深度相同時(shí)，隨著工作面長度的變化，回采對上覆巖層的擾動(dòng)呈現(xiàn)出不同的特征，在距離頂板的距離相同時(shí)，隨著工作面長度的增加應(yīng)力變化的波動(dòng)程度也在增大，巖層內(nèi)部受擾動(dòng)影響強(qiáng)烈。

圖1 距離頂板不同高度應(yīng)力曲線Fig.1 Stress curve of different heights from the roof

表1 syy應(yīng)力差值Tab.1 syy stress difference

根據(jù)在距離頂板不同高度測得應(yīng)力差值，得出測點(diǎn)在離頂板不同距離應(yīng)力差值的平均值，結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的結(jié)果顯示：隨著礦層工作面長度的增加，應(yīng)力差值的均值是增大的，但是應(yīng)力差值增大的幅度在減小，這說明礦層開采隨著工作面長度的增加對地表的影響在增加，但是增加的幅度是降低的。由此繪制出工作面長度與應(yīng)力平均差值關(guān)系，如圖2所示。

圖2 距離頂板不同高度的應(yīng)力差值曲線Fig.2 Stress difference curve of different heights from the roof

通過Origin擬合曲線，用公式表達(dá)出工作面長度和應(yīng)力差值平均值的關(guān)系，見式（3）～式（5）。

式中：P為各層的平均應(yīng)力差值，Pa；L為工作面長度，m。

2.2 地表位移分析

地下工作面開采造成了上覆巖層及地表沉陷，引起地表植被、建筑物、耕地的移動(dòng)和破壞，通過整理出布置在沿走向方向的地表監(jiān)測點(diǎn)所得到的地表下沉值，可繪制出不同工作面長度對應(yīng)的地表最大下沉值如圖3。

圖3 不同工作面長度對應(yīng)的最大下沉值Fig.3 Maximum sinking value corresponding to different working face lengths

模擬結(jié)果表明：工作面長度是影響地表下沉的重要因素，隨著工作面長度的增加，地表最大下沉量增加的幅度呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)沉陷區(qū)越深時(shí)對植被和道路的影響范圍就越廣，地表積水增加了對工作面發(fā)生滲水的可能性。為了更好地了解其關(guān)系，現(xiàn)將其擬合，如式（6）所示。

式中：W為地表最大下沉量，mm；L為工作面長度，m。

曲率是地表移動(dòng)變形的主要指標(biāo)，對建筑、道路和植被的破壞影響較大，地表拉伸壓縮狀態(tài)對應(yīng)著曲率的正負(fù)值，而拉伸對地表植被的影響較大，這里研究地表的拉伸區(qū)狀態(tài)，所以可以通過曲率變化反映走向斷面上的彎曲程度，進(jìn)而研究地表的移動(dòng)變形情況。由于在工作面上方地表沉陷近似盆狀，選取下沉的一側(cè)為研究對象，根據(jù)公式得出在走向方向上，不同工作面長度距開切眼不同距離（280m，300m，320m，340m，360m）對應(yīng)的地表下沉的正曲率變化如表2，繪制出工作面長度與所得曲率平均值的關(guān)系如圖4。

研究結(jié)果表明：地表曲率變形的動(dòng)態(tài)發(fā)展對建筑物的影響也是一種動(dòng)態(tài)的影響過程，隨著工作面長度的增加曲率平均值增加，但是曲率增加的幅度在降低。通過工作面長度可以推斷出地表曲率的變化程度，分析出地表拉伸區(qū)的范圍，進(jìn)而合理的選擇栽種植被的品種和范圍，增加植被的覆蓋率，減少損失，同時(shí)對可能產(chǎn)生裂縫的地區(qū)要提前加強(qiáng)防治，避免地表水滲透影響工作面的生產(chǎn)效率及發(fā)生災(zāi)害，對于地表植物栽種、建筑物范圍的選擇及保護(hù)起到了重要作用。

表2 不同工作面長度走向曲率值對比表Tab.2 Curvature comparison chart corresponding to different working face lengths

圖4 工作面長度-曲率平均值關(guān)系曲線Fig.4 Curve of working surface length and mean curvature

3 結(jié)論

（1）在相同的地質(zhì)和開采條件下，隨著工作面長度的增加，應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象明顯，上覆巖層所受的擾動(dòng)和地表下沉量隨之增大的幅度在減小，通過覆巖應(yīng)力的變化的大小，預(yù)測覆巖移動(dòng)和破壞程度，對于降低工作面的損傷避免發(fā)生礦山災(zāi)害并提高生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)起到重要作用。

（2）建立工作面長度與地表下沉量和曲率的關(guān)系曲線，通過曲率的變化分析地表沉陷區(qū)的拉伸區(qū)和壓縮區(qū)的范圍，對合理選擇抗拉強(qiáng)度大的植被，提高植被覆蓋率保護(hù)生態(tài)環(huán)境，合理的布置建筑物、農(nóng)田的范圍提供了重要的參考價(jià)值，同時(shí)對預(yù)測地表裂縫并加強(qiáng)防治，避免地表水滲透降低生產(chǎn)效率具有重要的指導(dǎo)意義。

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