充填法轉(zhuǎn)崩落法回采首采分段時(shí)上部巖體破壞、運(yùn)移規(guī)律

賈 達(dá)，陳星明，孫宇超，莫 超

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

近些年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)在厚松散層、薄基巖條件下，采場(chǎng)上部巖體的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布情況、大采高及綜放采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律、工作面超前支承壓力分布規(guī)律、上部巖體采動(dòng)破斷演化規(guī)律和頂煤活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果[1]，下向分層膠結(jié)充填法轉(zhuǎn)崩落法首采分段礦石回采中，上部巖體受到采場(chǎng)的影響原巖應(yīng)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致上部巖體發(fā)生不同程度的彎曲變形，表現(xiàn)為巖層的垮落和下沉[2]，對(duì)巖體性質(zhì)差的上部巖體穩(wěn)定性有著極為重要的影響。目前，我國(guó)對(duì)回采過(guò)程中地下礦山采空區(qū)上部巖體破壞、運(yùn)移特征的研究主要集中在煤礦上，對(duì)于金屬礦山回采過(guò)程中上部巖體的破壞、運(yùn)移規(guī)律研究較少。在下向分層膠結(jié)充填采礦法改為無(wú)底柱分段崩落采礦法開(kāi)采中，首采分段上部存在膠結(jié)充填體，因?yàn)槌涮铙w的存在造成上部巖體的破壞規(guī)律變得復(fù)雜，利用 FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，探究在回采過(guò)程中，隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)上覆巖層垂直位移情況、上部充填體最大主應(yīng)力分布和塑性區(qū)發(fā)育狀況，揭示在首采分段回采過(guò)程中采空區(qū)上部巖體破壞、運(yùn)移規(guī)律，為控制采場(chǎng)的沖擊地壓提供了依據(jù)。

1 工程背景

復(fù)雜地質(zhì)條件下地下礦山開(kāi)采導(dǎo)致的重大安全事故層出不窮，嚴(yán)重的制約我國(guó)礦山行業(yè)安全高效的發(fā)展，其中，工作面回采頂板事故發(fā)生的概率最高[3]。因此，研究清楚回采過(guò)程中上部巖體移動(dòng)規(guī)律是迫在眉睫的問(wèn)題。以某礦山1595水平4#～6#回采進(jìn)路充填法改為崩落法作為參考，首采分段上部存在30 m厚膠結(jié)充填體，因?yàn)槌涮铙w的力學(xué)性質(zhì)和天然巖體存在差別，造成上部巖體的破壞規(guī)律變得復(fù)雜。目前，我國(guó)對(duì)礦山采空區(qū)上部巖體破壞、運(yùn)移規(guī)律的相關(guān)研究非常零散，缺乏系統(tǒng)性，對(duì)充填法轉(zhuǎn)崩落法回采首采分段過(guò)程中上部巖體地破壞、運(yùn)移規(guī)律研究更比較罕見(jiàn)。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D軟件介紹

FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的拓展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析[4]。通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)(大變形模式)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)[5]。FLAC3D在探討回采過(guò)程中采空區(qū)上部巖體垂直位移情況、塑性區(qū)發(fā)育和最大主應(yīng)力分布特征和具有較高的參考價(jià)值。

2.2 模擬方案

采用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)下向分層膠結(jié)充填采礦法改為無(wú)底柱分段崩落法首釆分段回采上部巖體的移動(dòng)情況進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)模型的開(kāi)采長(zhǎng)度為100 m，采用 Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型，將巖層物理力學(xué)參數(shù)對(duì)各巖層分別賦值。在回采過(guò)程中，為體現(xiàn)上部巖體塑性區(qū)發(fā)育狀況、采場(chǎng)最大主應(yīng)力分布特征和上部巖體垂直位移情況，回采過(guò)程采用分步開(kāi)挖，并在工作面每推進(jìn)10 m 進(jìn)行一次運(yùn)算，分10步開(kāi)挖完畢。

2.3 巖層物理力學(xué)參數(shù)選取

以某礦山1595水平4#～6#回采進(jìn)路充填法改為崩落法作為參考，在回采過(guò)程中應(yīng)用FLAC3D模擬上部覆巖、中部充填體和下部礦體，巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

注：重力加速度設(shè)置為10 N·kg/m3。

2.4 模型的建立

以某礦山1595水平4#～6#回采進(jìn)路充填法改為崩落法作為參考，根據(jù)某礦地質(zhì)情況及工作面布置方式，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型上部為覆巖，中部為充填體，下部為礦體。為提高模擬準(zhǔn)確性，模型水平方向上應(yīng)建立3～5倍開(kāi)挖尺寸的圍巖。模型尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)200 m×225 m×120 m，即沿工作面推進(jìn)方向?yàn)?00 m，且兩端各留50 m圍巖，垂直工作面推進(jìn)方向?yàn)?25 m，豎直方向?yàn)?20 m。模型共劃分100 800個(gè)單元，107 502個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分如圖1(CCT：充填體、KT：礦體、KW：開(kāi)挖回采巷道、WY：圍巖、YHK：氧化礦)所示。

圖1 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 FLAC 3D numerical model

考慮邊界效應(yīng)，設(shè)置模型的邊界條件。

1)模型頂部邊界為自由面，其它邊界位移固定，使其邊界水平、垂直位移均為 0。

2)模型的頂部邊界為自由邊界，覆蓋巖層(第四系表土層)的質(zhì)量用應(yīng)力表示，經(jīng)計(jì)算須施加1.065 MPa的垂直應(yīng)力。

3)模型中材料屈服破壞準(zhǔn)則采用 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[6]。

4)不考慮時(shí)間效應(yīng)。

3 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 上部巖體位移分析

隨著回采工作面的不斷推進(jìn)必然導(dǎo)致采空區(qū)上部巖體應(yīng)力重新分配，在應(yīng)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中巖體以巖層移動(dòng)的方式釋放能量，從而形成新的平衡，圍巖才能夠形成新的穩(wěn)態(tài)[7]，隨著回采工作面的推進(jìn)、暴露面積的增大，必然引起上部巖體的位移變化，Z方向位移過(guò)大會(huì)發(fā)生大面積冒落影響采場(chǎng)的穩(wěn)定性，因此，非常有必要研究回采過(guò)程中上部巖體的位移規(guī)律。

1)隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板位移逐漸增大，通過(guò)監(jiān)測(cè)得知上部巖體垂直最大下沉點(diǎn)的位置向回采工作面走向中間位置靠攏，不同巖層下沉曲線的最大下沉量與距離采場(chǎng)工作面的高度成反比。

2)隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，開(kāi)采區(qū)域四周巖體位移方向均指向采空區(qū)，在采空區(qū)頂板形成位移拱線，越往上拱線越大，位移越小。

3.2 上部巖體最大主應(yīng)力分析

上部巖體的應(yīng)力變化程度直接影響著巖層的破壞程度，對(duì)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[8]?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過(guò)程中上部巖體最大主應(yīng)力部分云圖，如圖2所示。

圖2 回采過(guò)程中上部巖體最大主應(yīng)力分布圖Fig.2 The maximum principal stress distribution of upper rock mass during mining

1)隨著回采工作面推進(jìn)，采空區(qū)前后兩側(cè)應(yīng)力明顯在增加，在頂板充填體之上的氧化礦呈現(xiàn)壓應(yīng)力，在采空區(qū)上部充填體呈現(xiàn)比氧化礦大的壓應(yīng)力，而在未回采進(jìn)路上部的充填體呈現(xiàn)數(shù)值更大的壓應(yīng)力，在充填體和氧化礦交界處出現(xiàn)了壓應(yīng)力突變。最大主應(yīng)力峰值達(dá)到1.21 MPa，同時(shí)，隨著暴露面積增大，進(jìn)路上部的氧化礦出現(xiàn)了卸壓區(qū)。

2)當(dāng)回采工作面推進(jìn)約75 m時(shí)，采空區(qū)頂部的氧化礦出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中區(qū)，拉應(yīng)力大部分位于頂板中間區(qū)域。

3)在采空區(qū)頂部形成一圈一圈的應(yīng)力線，由于充填體與天然巖體存在差別，造成在充填體和氧化礦交界處出現(xiàn)了最大主應(yīng)力突變。

4)頂部充填體在壓應(yīng)力和有臨空面的條件下，將導(dǎo)致頂部充填體發(fā)生冒落，隨著暴露面積的逐步增大，頂板壓應(yīng)力也在增大，與巖體的抗壓強(qiáng)度逐步接近，最終導(dǎo)致充填體破壞。

3.3 上部巖體塑性區(qū)分析

在回采工作面推進(jìn)過(guò)程中上部巖體會(huì)發(fā)生塑性破壞，隨著工作面的推進(jìn)采空區(qū)頂板上部巖體不同階段的塑性區(qū)部分云圖如圖3所示。

1)當(dāng)回采工作面推進(jìn)約20 m時(shí)，頂板充填體7 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)貫通的以剪切為主塑性破壞，塑性區(qū)發(fā)育的高度達(dá)到了充填體的四分之一，通過(guò)最大主應(yīng)力和抗壓強(qiáng)度比較，頂板充填體會(huì)發(fā)生零星冒落，應(yīng)在采空區(qū)做好警戒工作避免發(fā)生不必要的事故。

圖3 回采過(guò)程中上上部巖體塑性區(qū)分布圖Fig.3 Distribution map of plastic zone of upper rock mass during mining

2)頂板充填體破壞首先從采空區(qū)上部充填體中部開(kāi)始，成拱形向上發(fā)展。當(dāng)回采工作面推進(jìn)約40 m時(shí)，工作面正上方頂塑性破壞區(qū)發(fā)育到頂板上方12 m處，上部充填體拉剪塑性破壞，直接頂充填體上4 m范圍發(fā)生局部冒落，采空區(qū)頂板逐漸形成拱形，中間冒落量最大。

3)當(dāng)回采工作面推進(jìn)約60 m時(shí)，上部充填體呈現(xiàn)拉剪塑性破壞，工作面正上方頂板塑性破壞區(qū)發(fā)育到頂板上方25 m處，12 m厚的充填體都發(fā)生局部冒落，塑性區(qū)在回采方向上隨著工作面的推進(jìn)塑性區(qū)整體呈現(xiàn)“階梯形”發(fā)育。

4)當(dāng)采場(chǎng)掘進(jìn)約80 m和100 m時(shí)，采空區(qū)上巖體塑性區(qū)發(fā)育高度基本保持不變，塑性區(qū)在水平方向隨工作面掘進(jìn)不斷向前發(fā)展。

4 結(jié)論

1)隨著回采工作面推進(jìn)上部巖體最大下沉點(diǎn)的位置向回采工作面走向中間位置靠攏，不同巖層下沉曲線的最大下沉量與距離采場(chǎng)工作面的高度成反比。

2)隨著回采工作面推進(jìn)，采空區(qū)前后兩側(cè)應(yīng)力集中明顯在增大，在采空區(qū)上部充填體呈現(xiàn)的壓應(yīng)力大于未回采礦體上部充填體的壓應(yīng)力；在采空區(qū)頂部形成一圈一圈的應(yīng)力線，由于充填體與天然巖體存在差別，造成在充填體和氧化礦交界處出現(xiàn)了最大主應(yīng)力突變。

3)隨著回采工作面推進(jìn)，塑性區(qū)的發(fā)育高度在增加，當(dāng)回采到80 m以后，塑性區(qū)的發(fā)育高度趨于平緩；通過(guò)塑性區(qū)破壞、最大主應(yīng)力和位移分析，得知回采到20 m時(shí)，頂板充填體在零星冒落，回采到40 m時(shí)，發(fā)生大面積冒落；在回采方向上隨著工作面的推進(jìn)塑性區(qū)整體呈現(xiàn)“階梯形”發(fā)育。

4)FLAC3D數(shù)值模擬得出回采過(guò)程中上部巖體破壞、運(yùn)移規(guī)律,首采分段1595水平4#～6#進(jìn)路在回采過(guò)程中，充填體從零星冒落到局部冒落，不存在足夠大面積的塌方式冒落造成的采場(chǎng)沖擊，為控制采場(chǎng)的沖擊地壓提供了依據(jù)，同時(shí)可為同類礦山開(kāi)采提供借鑒。