某鉛鋅礦采空區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)優(yōu)化研究

王輝

（西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西西安 710055）

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)各項(xiàng)參數(shù)選取的合理與否直接決定著工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性。而參數(shù)選取一直是采礦工程界的一大難題。國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)參數(shù)選取一般采用室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)法、工程類比法、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)法等參數(shù)取值法。其中工程類比法依據(jù)與設(shè)計(jì)工程的巖石及地質(zhì)環(huán)境的相似性選取參數(shù)，此方法隨意性大、誤差大，取值的合理性也取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)法不僅費(fèi)用高昂，而且測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)；唯獨(dú)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)公式折減法，用時(shí)較短，且經(jīng)濟(jì)、便捷，但經(jīng)驗(yàn)公式折減法不僅參數(shù)取值和計(jì)算較繁瑣，而且所得折減系數(shù)的隨意性較大，影響數(shù)值模擬結(jié)果。關(guān)于此問題，諸多學(xué)者從不同角度對(duì)其作了相關(guān)研究。尚振華等[1]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入采空區(qū)破壞概率的概念，利用EXCEL的風(fēng)險(xiǎn)分析插件@Risk對(duì)FLAC3D網(wǎng)格單元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為大量巖石網(wǎng)格單元主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能分布服從韋布爾分布（Weibull）和對(duì)數(shù)正態(tài)分布的規(guī)律；張成良等[2]采用有限元對(duì)空區(qū)下部礦體開采過程中空區(qū)頂板圍巖的應(yīng)力、安全率、垂直最大位移、塑性區(qū)分布進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為塑性區(qū)有進(jìn)一步擴(kuò)大，地壓活動(dòng)有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)；宮鳳強(qiáng)等[3]利用改造的三維霍普金森動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)裝置，開展三維動(dòng)靜組合加載下砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)，認(rèn)為在三維動(dòng)靜組合加載下，砂巖會(huì)呈現(xiàn)出“單錐”壓剪破裂形式；趙延林等[4]采用基于突變理論的采空區(qū)重疊頂板穩(wěn)定性強(qiáng)度折減法對(duì)多層采空區(qū)重疊頂板進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出上層采空區(qū)重疊頂板不穩(wěn)定會(huì)促使下層采空區(qū)重疊頂板向不穩(wěn)定演化；李俊平等[5]提出了傾斜礦體開采的采空區(qū)處理與卸壓開采方法，并利用數(shù)值模擬軟件ANSYS和FLAC3D確定了此方法的施工參數(shù)。本文在巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值平方折減巖石參數(shù)得到巖體力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用FLAC3D模擬巖體內(nèi)摩擦角Φ、粘聚力C、彈性模量的力學(xué)參數(shù)正交折減后采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)比礦山開采現(xiàn)狀，從而確定巖石內(nèi)摩擦角、粘聚力、彈性模量的折減系數(shù)。

1 地質(zhì)概況

本文研究礦體上盤為千枚巖，下盤為灰?guī)r，礦體為鉛鋅礦。礦體隱伏于地下750 m以下。礦體總體走向?yàn)?35°，礦體南翼向南傾伏，傾角為63°～86°。根據(jù)某地勘院提供的地質(zhì)勘查報(bào)告，水文地質(zhì)及地震情況后進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，在礦體上盤、礦體及其下盤圍巖中隨機(jī)采集9組巖石樣品，計(jì)算各組參數(shù)的平均值，得到巖石力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2 巖體力學(xué)參數(shù)

2.1 建立模型

為研究巖石E、C、Φ的折減變化規(guī)律，根據(jù)采區(qū)實(shí)際情況，選取三線剖面建立礦體開采的數(shù)值計(jì)算模型，見圖1，不計(jì)地震、降雨及河流等力學(xué)特征，地表用自由邊界，其它5面用位移邊界。依據(jù)礦山實(shí)際的開采過程，數(shù)值模擬整個(gè)采礦過程的位移、力學(xué)分布。應(yīng)力分布圖中拉為“+”，壓為“-”，應(yīng)力單位 Pa，位移單位 m。

圖1 三線剖面數(shù)值計(jì)算模型

2.2 水平確定

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型可以發(fā)現(xiàn)，C值千枚巖嚴(yán)重偏大，灰?guī)r嚴(yán)重偏小，因此，千枚巖、鉛鋅礦和灰?guī)r折減系數(shù)分別取1/15、1/8、2/3；抗拉強(qiáng)度及Φ折減系數(shù)取1/2。E、Φ折減水平數(shù)分別取1、4/5、2/3、1/2；C千枚巖、C礦體折減水平數(shù)分別取 1/4、1/5、1/6、1/7；C灰?guī)r折減水平數(shù)分別取 0.6、0.7、0.8、0.9。各因素及折減水平數(shù)，見表2。

根據(jù)折減后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上盤千枚巖C值明顯降低，下盤灰?guī)r也有所提高。采空區(qū)模擬結(jié)果地壓分布趨向于平穩(wěn)，發(fā)生塌方的概率也明顯降低[6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)參數(shù)方差分析

方差分析將位移變化指標(biāo)的波動(dòng)分解為因素水平變化引起的波動(dòng)和實(shí)驗(yàn)誤差引起的波動(dòng)。方差分析得出了正交表各列對(duì)指標(biāo)的影響顯著程度，分析結(jié)果見表3。根據(jù)方差值變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)影響位移變化的敏感度由高到低為：E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰?guī)r。

由表3可見，對(duì)折減后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析比較，彈性模量E變化顯著，且該指標(biāo)是影響采空區(qū)穩(wěn)定性的決定性因素。巖體內(nèi)摩擦角Φ由圍巖的性質(zhì)決定，在此發(fā)生明顯偏差主要是由于采空區(qū)對(duì)圍巖產(chǎn)生了擾動(dòng)應(yīng)力及重力作用，改變了原巖應(yīng)力分布。粘聚力C受到爆破作用、重力作用在垂直方位上由上而下依次減小，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響較小。

表2 試驗(yàn)因素及水平

表3 力學(xué)參數(shù)方差分析

3.2 力學(xué)參數(shù)極差分析

依據(jù)不同水平圍巖平均位移變化量，繪制各因素水平位移變化趨勢(shì)（見表4）。因計(jì)算結(jié)果較為繁瑣，在此省去計(jì)算過程，通過各因素水平位移變化數(shù)值直觀得表示各因素的變化規(guī)律。

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，隨彈性模量E值增大，水平位移變化明細(xì)變大，其變化浮動(dòng)明顯大于其他各因素，表示位移對(duì)這個(gè)參數(shù)的變化非常敏感[7]。根據(jù)極差值變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)影響位移變化的敏感度由高到低為：E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰?guī)r。

表4 力學(xué)參數(shù)各因素水平位移變化

通過建立數(shù)值模型，再進(jìn)行相應(yīng)的極差分析與方差分析，對(duì)折減系數(shù)的取值進(jìn)行多次驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)影響位移變化的敏感度基本一致，說明折減系數(shù)的取值合理、準(zhǔn)確。

4 力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)分析

4.1 E折減系數(shù)

為驗(yàn)證理論計(jì)算的E折減系數(shù)是否合理，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查選取6#采場(chǎng)為實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)，通過在頂板、間柱等位置安設(shè)位移應(yīng)變儀、應(yīng)力儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。共布置16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過1個(gè)月時(shí)間的觀測(cè)，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、應(yīng)力變化值，見表5。

表5 E變化的頂板最大位移及應(yīng)力分布

當(dāng)取折減系數(shù)為1時(shí)，頂板位移不超過300 mm。對(duì)比頂板應(yīng)力及位移分布，發(fā)現(xiàn)E折減系數(shù)為1時(shí)，其他系數(shù)不能太小，否則頂板位移會(huì)超過300 mm，頂板表面出現(xiàn)受拉狀態(tài)。從硬巖礦山頂板應(yīng)力及變形分布看，這種頂板在開采或礦柱回收中會(huì)出現(xiàn)頂板大面積冒落，這與該礦的實(shí)際開采情況不相符。因此，E折減系數(shù)取1，其他參數(shù)折減系數(shù)取值不宜過小。

4.2 Φ、C 折減系數(shù)

通過數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)學(xué)分析彈性模量E對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響力遠(yuǎn)大于摩擦角Φ，而粘聚力C在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中變化都不顯著，在此將Φ、C兩項(xiàng)因素共同考慮。在1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，對(duì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移、應(yīng)變監(jiān)測(cè)得到相關(guān)數(shù)據(jù)，見表6。

表6 Φ、C變化的頂板最大位移及應(yīng)力分布

由表6可知，彈性模量E引起的頂板位移、應(yīng)力變化明顯大于摩擦角Φ和粘聚力C引起的頂板位移、應(yīng)力變化。當(dāng)E折減系數(shù)為1時(shí)，C、Φ的折減系數(shù)不能太小，若頂板圍巖位移超過300 mm，則圍巖表面呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，在開采或礦柱回收過程中可能會(huì)出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。因此Φ、C折減系數(shù)的取值受彈性模量E影響較大，其取值不宜過小[8]。

兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)共同驗(yàn)證彈性模量E、巖體內(nèi)摩擦角Φ、粘聚力C的取值相互影響，且當(dāng)主影響因素彈性模量E取值一定時(shí)，巖體內(nèi)摩擦角Φ、粘聚力C的取值不宜過小，否則可能出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文從彈性模量E、巖體內(nèi)摩擦角Φ、粘聚力C三個(gè)方面綜合分析了巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)變化情況，通過計(jì)算確定上盤為千枚巖，下盤灰?guī)r，礦體E、Φ、密度、μ、抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)取1時(shí)，C千枚巖、C礦體、C灰?guī)r的折減系數(shù)分別取 1/5、1/4、4/5。通過數(shù)值模擬及采空區(qū)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各巖石力學(xué)參數(shù)的變化引起應(yīng)力重新分布，敏感性程度順序由高到低依次為E、Φ、C千枚巖、C礦體、C灰?guī)r，說明對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素的重要性，作為后期指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)施工的重要依據(jù)。

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