基于離散元的傾斜薄礦體開采對上部隔水層穩(wěn)定性的影響

郭延輝，李克鋼，王建國，楊志全，楊八九

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650201；2. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；3. 云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093)

隨著國家對礦產(chǎn)資源需求的不斷增加和開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來越多的礦山企業(yè)不得不轉(zhuǎn)向深部開采和那些開采條件極其復(fù)雜的礦山[1-2]。強(qiáng)富水金屬礦山作為開采技術(shù)條件極其復(fù)雜的一類礦山，越來越受到人們的關(guān)注，若礦體回采的方法或預(yù)留礦柱不合理，往往會(huì)破壞隔水層的穩(wěn)定性，從而引起采場及巷道涌水量大大增加，嚴(yán)重影響到礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)[3-4]。本文以某鉛鋅礦傾斜薄礦體開采對上部隔水層的穩(wěn)定性為研究對象，在現(xiàn)場調(diào)研和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用離散單元法2D-block，探討礦體開采對上部隔水層的穩(wěn)定性的影響，為礦山開采及隔水層的保護(hù)提供理論支撐，同時(shí)為類似工程條件下礦體的回采提供參考。

1 工程概況

某鉛鋅礦區(qū)地處保山—鎮(zhèn)康弧后盆地中部姚關(guān)—酒房復(fù)式向斜南緣，位于近南北向的勐興次級向斜構(gòu)造之東翼。礦區(qū)出露地層有第四系、侏羅系中統(tǒng)、三疊系中統(tǒng)、泥盆系中下統(tǒng)、志留系、奧陶系、寒武系公養(yǎng)河群變質(zhì)巖等。礦體主要賦存于志留系中統(tǒng)(S21) 生物碎屑灰?guī)r中，呈似層狀、透鏡狀、豆莢狀順層產(chǎn)出，產(chǎn)出狀態(tài)與圍巖一致。礦體走向近南北向，西傾，礦帶延伸近10 km，傾角29°～70°。巖性主要為砂巖，一般為千枚巖、層紋灰?guī)r、礦體、結(jié)晶灰?guī)r等。 研究區(qū)段礦體35°～60°，主要采用全面留礦法。

區(qū)域所屬的水文地質(zhì)單元為一完整的巖溶地下水均衡區(qū)，地下水主要以暗河形式由南而北排入怒江，次級水文地質(zhì)單元又可分為巖溶水區(qū)和裂隙水區(qū)。以泥盆系灰?guī)r與志留系千枚巖為界，西為巖溶水區(qū)，東為裂隙水區(qū)，鉛鋅礦床則處于怒江與勐興壩子之間的分水嶺以西斜坡地帶的裂隙水區(qū)內(nèi)。志留系(S)為礦區(qū)含礦巖系，也是與礦床充水有關(guān)的地層，根據(jù)巖層水文地質(zhì)特征可劃分為兩個(gè)含水層和兩個(gè)隔水層。含水層包括志留系中統(tǒng)上段(S22上含水層)和志留系下統(tǒng)(S1下含水層)兩個(gè)層位；隔水層包括志留系上統(tǒng)(S3)和中統(tǒng)下段(S21)兩個(gè)層位。上隔水層(S3)為灰色、灰黑色、紫色薄層狀千枚巖，稱為一般千枚巖，是礦區(qū)兩個(gè)含水層的隔水頂板，隔水性良好，對礦床地下水向勐興壩子排泄起隔水作用，隔水層厚度48～120 m。

2 宏觀巖體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值仿真所采用的的礦巖宏觀巖體力學(xué)參數(shù)，是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到各巖塊力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上，采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)折減而確定[5]，計(jì)算采用各巖性宏觀巖體力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

3 傾斜薄礦體開采離散元模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型以礦區(qū)20#勘探線為例，根據(jù)該勘探線巖層分布的實(shí)際情況，構(gòu)建離散單元法模型。模型采用與礦巖體傾向、傾角一致的結(jié)構(gòu)單元，單元大小為：遠(yuǎn)離礦體的間接底板砂巖、間接頂板一般千枚巖采用5 m×5 m的結(jié)構(gòu)單元，礦體、直接頂?shù)装鍖蛹y灰?guī)r、頂板砂巖采用2 m×2 m的結(jié)構(gòu)單元，20#勘探線剖面計(jì)算模型單元?jiǎng)澐譃?4 768個(gè)。計(jì)算模型圖見圖1所示。

3.2 開采模擬采用彈塑性模型

3.2.1 地下開采卸荷模擬方法

礦體開采卸荷其本質(zhì)相當(dāng)于在初始應(yīng)力的作用下巖體中施加了一個(gè)反向拉應(yīng)力[6-7]，所以數(shù)值模擬仿真過程中，假如將巖體卸荷以前的應(yīng)力狀態(tài)視為初始應(yīng)力狀態(tài)，那么卸荷應(yīng)力可以看作為作用在同一巖體上的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力大小為σ0+Rt，σ0+Rt值看作是等效抗拉強(qiáng)度。也就是說卸荷問題本質(zhì)是由卸荷前的應(yīng)力、應(yīng)變場和卸荷應(yīng)力、應(yīng)變場相疊加。卸荷應(yīng)力分解如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型圖Fig.1 Computational model diagram

圖2 卸荷應(yīng)力分解圖Fig.2 Stress decompose of unloading

3.2.2 地下開采卸荷模擬采用彈塑性模型

計(jì)算模擬選用的屈服準(zhǔn)則為Drucker-Prager準(zhǔn)則[8]，是在Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，能夠比較地模擬分析巖體的破壞強(qiáng)度特性。該屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如下：

(1)

3.3 計(jì)算方案

數(shù)值模擬計(jì)算分為兩種情況：1)完全空場條件下不同開采深度上盤圍巖的破壞范圍；2)各中段之間預(yù)留6 m頂?shù)字蓤鰞?nèi)留3 m×3 m點(diǎn)柱，點(diǎn)柱之間跨度6 m，分析不同開挖深度對上盤圍巖的影響。分步開采計(jì)算步驟為：1)初始模型，不開挖；2)開采至600 m水平；3)開采至500 m水平；4)開采至400 m水平；5)開采至300 m水平。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 完全空場情況隔水層的穩(wěn)定性

計(jì)算模擬第一步，把外部荷載及邊界約束施加到所研究的區(qū)域中，形成初始應(yīng)力場。計(jì)算模擬第二步，將礦體開采至600 m水平后，礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層現(xiàn)象，上盤圍巖最大垮塌高度約為12 m。計(jì)算模擬第三步礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層的范圍明顯增加，上盤圍巖最大垮塌高度約為44 m。計(jì)算模擬第四步，礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層的范圍與開采至500 m相比沒有明顯變化，從剖面局部放大圖中可以看到上盤圍巖最大垮塌高度也沒有明顯變化，上盤圍巖最大垮塌高度仍為44 m左右。說明400 m水平以上礦體開采后，不足以影響上部隔水層的穩(wěn)定，頂板冒落范圍距隔水層約有20 m距離。計(jì)算模擬第五步，當(dāng)?shù)V體回采至300 m水平后，礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層的范圍比起開采至500 m、400 m水平又有了明顯增加，上盤圍巖最大垮塌高度約為74 m，此時(shí)垮塌范圍已超出隔水層大約10 m，隔水層局部已發(fā)生破壞。圖3為完全空場情況下回采至各水平后頂板位移分布圖。

圖3 完全空場情況下回采至各水平后頂板位移分布Fig.3 Distribution map of roof displacement after mining in all open spaces

3.4.2 預(yù)留頂?shù)字㈤g柱情況下隔水層的穩(wěn)定性

本方案是在各中段之間預(yù)留6 m頂?shù)字?，采場?nèi)留3 m×3 m點(diǎn)柱，點(diǎn)柱之間跨度6 m，分析不同開采階段對頂板及上部隔水層的影響。模擬第一步，不進(jìn)行任何開挖活動(dòng)，把外部荷載及邊界約束施加到所研究的區(qū)域中，形成初始應(yīng)力場。將礦體開采至600 m水平，上盤圍巖最大垮塌高度約為6 m。礦體開采至500 m水平， 礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層的范圍有所增加，上盤圍巖最大垮塌高度約為12 m，與空場條件下的44 m有較大區(qū)別，說明預(yù)留頂?shù)字?、點(diǎn)柱對抑制頂板冒落有明顯的作用。模擬第四步，是在第三步的基礎(chǔ)上將礦體開采至400 m水平，上盤圍巖最大垮塌高度仍為12 m左右，離隔水層大約還有50 m距離，因此，在預(yù)留頂?shù)字Ⅻc(diǎn)柱的情況下，礦體開采至400 m不會(huì)對隔水層造成破壞。模擬第五步將礦體開采至300 m水平，礦體上盤圍巖出現(xiàn)垮塌及離層的范圍有所增加，上盤圍巖出現(xiàn)離層的位置與開采至400 m水平相比大約增加了6 m，最大垮塌高度約為18 m，與空場條件下的離層74 m相比，離層的范圍僅為空場狀態(tài)下的四分之一，且隔水層與礦體的距離約為60 m左右，說明預(yù)留頂?shù)字?、點(diǎn)柱情況下，礦體開采后不會(huì)對隔水層造成破壞。圖4為兩種不同情況下回采至各水平后頂板最大垮塌高度對比圖。圖5為預(yù)留頂?shù)字烷g柱情況下回采至各水平后頂板位移分布圖。

圖4 兩種不同情況下回采至各水平后頂板最大垮塌高度對比圖Fig.4 Comparison of the maximum collapse height at two different conditions

4 結(jié)論

1)采用離散元法模擬礦體不同開采深度情況下，頂板及上覆巖層移動(dòng)破壞規(guī)律及其力學(xué)行為進(jìn)行科學(xué)分析，研究結(jié)論符合巖體力學(xué)的規(guī)律，在方法上是可行的。該方法形象直觀，能較好地模擬各步驟開挖情況下頂板及隔水層穩(wěn)定性及其破壞過程。

2)在完全空場條件下，礦體開采至600、500、400、300 m水平時(shí)上盤圍巖最大垮落范圍約為12、44、44、74 m，而隔水層距礦體的距離約為60 m，因此，在完全空場條件下，礦體開采至400 m時(shí)，冒落區(qū)頂板距隔水層有20 m。在當(dāng)?shù)V體開采至300 m時(shí)上盤圍巖最大垮落范圍約為74 m，頂板破壞范圍已超過隔水層14 m，所以在完全空場條件下，礦體開采至300 m時(shí)將會(huì)影響到隔水層的穩(wěn)定。

圖5 預(yù)留頂?shù)字烷g柱情況下回采至各水平后頂板位移分布圖Fig.5 Roof displacement distribution of reserved pillar and barrier pillar after mining to all levels

3)預(yù)留6 m頂?shù)字? m點(diǎn)柱情況下，礦體開采至600、500、400、300 m水平時(shí)上盤圍巖最大垮落范圍約為6、12、12、18 m，均不會(huì)影響到隔水層，說明預(yù)留頂?shù)字?、點(diǎn)柱對抑制頂板冒落有明顯的作用，表明在開采過程中預(yù)留頂?shù)字?、間柱以及點(diǎn)柱十分必要。預(yù)留6 m頂?shù)字? m點(diǎn)柱能夠確保上部隔水層的穩(wěn)定性。研究成果為礦區(qū)后續(xù)開采提供參考。