粗榆金礦地下開采覆巖運移規(guī)律數(shù)值模擬

關(guān)守安， 李 皓， 金長宇， 劉 冬

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.遼寧省安全科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110004；3.汕頭大學(xué) 工學(xué)院， 廣東 汕頭 515063； 4.汕頭大學(xué) 智能制造技術(shù)教育部重點實驗室， 廣東 汕頭 515063)

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，為社會的發(fā)展提供最基本的原材料，是人類社會發(fā)展和文明進(jìn)步的重要組成部分.礦產(chǎn)資源開發(fā)分為露天開采和地下開采，地下開采占全部開采的 80%以上，其開采深度一般為數(shù)百米，而且隨著對礦石需求增長、采礦技術(shù)的發(fā)展，開采深度會越來越深[1]，與此同時，地下開采帶來的巖層移動和地表塌陷問題也日趨嚴(yán)重.因此，礦山資源開采導(dǎo)致的巖層移動成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的熱點研究問題.

為了研究地下礦山開采對覆巖運移規(guī)律的影響，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了大量研究.Greco[2]于1996年便提出了基于Knothe時間函數(shù)的地表移動變形預(yù)測模型.隨后，一些學(xué)者對不同采礦方法下覆巖運移規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計分析[3-5].隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬法被廣泛運用到巖層移動和地表沉陷問題的研究中[6-8].可見，已有的研究成果側(cè)重理論分析與數(shù)值模擬，而數(shù)值模擬方法也多采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析手段，較少利用可以更真實模擬巖層移動的非連續(xù)力學(xué)以及隨機(jī)介質(zhì)的方法進(jìn)行分析.

本文基于粗榆金礦的急傾斜極薄礦體開采工程背景，利用多種不同數(shù)值模擬手段開展采礦工程中上部巖層運移規(guī)律研究，所得成果為急傾斜極薄礦體的礦山開采有效控制巖層移動問題提供重要指導(dǎo).

1 工程概況

粗榆金礦位于吉林省磐石市，屬于急傾斜極薄礦體，采用干式充填采礦方法.-325 m標(biāo)高以上為空區(qū)，品位低的采場留設(shè)礦石頂柱.形成的空區(qū)沿礦體走向及延深方向上不連續(xù)，最長空區(qū)走向長度約為360 m.區(qū)內(nèi)礦體厚度為極薄至薄礦體，所形成的空區(qū)在一定深度及暴露面積下通常穩(wěn)定性較好.在空區(qū)走向方向，無大的構(gòu)造弱面相交.

由于原明豎井和盲豎井都在圈定的巖石移動帶之內(nèi)，原選廠和職工宿舍等基礎(chǔ)設(shè)施也需廢棄，變更計劃后在新明豎井處計劃建一選礦廠，按照原本圈定的巖石移動帶，選廠離移動帶不足20 m，不符合安全規(guī)定.

由于我國金屬礦山設(shè)計規(guī)范關(guān)于地表移動帶的規(guī)定一直沿用前蘇聯(lián)礦山設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致很多金屬礦進(jìn)入深部開采后，地表巖石移動界限范圍巨大，致使設(shè)計的地表巖石移動范圍與我國諸多大型礦山在深部開采中的實際情況相悖.如果依然按照這一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖石移動帶的確定會導(dǎo)致多余征地，甚至地下礦體無法開采等問題，造成土地資源與礦產(chǎn)資源的浪費.為此，本文利用巖石力學(xué)分析方法對粗榆金礦地下礦體開采過程的巖移問題進(jìn)行詳細(xì)分析，通過不同的計算方法劃定巖移界限，為粗榆金礦地下開采提供理論指導(dǎo).

2 現(xiàn)場節(jié)理調(diào)查

巖體是由結(jié)構(gòu)面和巖塊構(gòu)成的復(fù)合體，因此結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要.本文利用CAE立體圖像采集儀對1#～4#測點進(jìn)行了節(jié)理裂隙統(tǒng)計，為圍巖穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù).

1#測點合成后的巖體三維殼體如圖1所示.該測點范圍巖體所揭露節(jié)理的極點圖和玫瑰花圖如圖2所示.

圖1 1#測點巖體三維殼體

圖2 1#測點范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息

根據(jù)數(shù)據(jù)聚類結(jié)果，對測點范圍內(nèi)節(jié)理的產(chǎn)狀以及平均節(jié)理間距進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示.

表1 節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)查結(jié)果

3 巖體力學(xué)參數(shù)確定

通過現(xiàn)場實際考察，在X4礦脈的+126 m和+99 m中段、-181 m中段的上下盤以及X3礦脈-473 m開拓系統(tǒng)內(nèi)開展了礦巖體的現(xiàn)場采樣工作.該采樣工作盡可能靠近采場，保證后續(xù)計算的評價工作能夠反映采場圍巖的破壞情況.

通過對標(biāo)準(zhǔn)礦巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)測試工作，得到表2所示的礦巖石力學(xué)參數(shù).

表2 礦巖石力學(xué)參數(shù)

結(jié)合前期地質(zhì)資料、節(jié)理三維掃描與室內(nèi)力學(xué)試驗的結(jié)果，確定了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中的評價指標(biāo)，計算得到了礦巖體力學(xué)參數(shù)，分別如表3、表4所示.

表3 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則所需指標(biāo)

表4 礦巖體力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值計算分析

4.1 邊界條件

數(shù)值計算的邊界條件采用位移控制，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演得到，具體方法見文獻(xiàn)[9],得到的數(shù)值計算的位移邊界條件和重力修正系數(shù)，見表5.

表5 反演得到的位移邊界條件和重力修正系數(shù)

4.2 基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計算

考慮到粗榆金礦以淺部硬巖為主，因此FLAC3D計算中主要采用了摩爾-庫倫本構(gòu)模型.建立大型的三維精細(xì)數(shù)值模型分析粗榆金礦開采過程中的地表沉陷問題，其中礦體的開采最深水平是-473 m，礦體的上覆巖層厚度達(dá)到400 m左右，模型的大小為883 m×700 m×1 290 m(長×寬×高).計算范圍的坐標(biāo)為x方向在665.6～1 548 m，y方向在492.8～1 191 m，z方向在-789.4～500 m，模型的計算原點坐標(biāo)對應(yīng)大地坐標(biāo)為(42 502 229.48，4 773 992.64，0).計算單元為1 116 185個，節(jié)點為186 557個，其中模型計算參數(shù)參見表4與表6.

表6 碎石充填體計算參數(shù)

根據(jù)礦體埋深、厚度、地質(zhì)條件以及礦巖體的變形、應(yīng)力大小，選取了某個典型斷面進(jìn)行分析，典型斷面的位置如圖3所示.

圖3 典型斷面位置

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，統(tǒng)計下行開采過程中不同水平的最大豎直位移，如圖4所示.當(dāng)開采深度≤-325 m時，隨著開采深度的增加，各水平的最大豎直位移逐漸增大；當(dāng)開采深度>-325 m時，隨著開采深度的增加，最大位移量增長緩慢，最終趨于穩(wěn)定.當(dāng)開采至-473 m水平時，礦區(qū)地表的最大豎直位移為2.58 mm.圖5給出了-5 m巖層隨開采深度的傾斜量變化曲線，由圖可知，地表的最大傾斜量為0.015 mm/m.根據(jù)我國《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，I類建筑物(如豎井)的傾斜量應(yīng)小于±3 mm/m.因此，可認(rèn)為粗榆金礦的地下開采活動對地表沉降變形影響較小，不會導(dǎo)致明顯的沉陷問題.

圖4 不同水平最大豎直位移變化曲線(FLAC3D計算)

圖5 -5 m巖層傾斜量變化曲線(FLAC3D計算)

4.3 基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計算

為了分析粗榆金礦下行回采過程中圍巖與礦體的非連續(xù)力學(xué)行為，本文采用3DEC進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

根據(jù)表1中節(jié)理產(chǎn)狀的測試結(jié)果，對圖3中典型斷面進(jìn)行節(jié)理切割，建立準(zhǔn)三維模型，模型水平向長度為883 m，模型上下高度為1 248 m，厚度為8 m，如圖6所示.基于文獻(xiàn)[10]中經(jīng)驗公式，確定了粗榆金礦結(jié)構(gòu)面參數(shù)的取值，如表7所示.其中礦巖體參數(shù)見表4.

圖6 3DEC數(shù)值計算模型

表7 粗榆金礦結(jié)構(gòu)面參數(shù)的取值

圖7給出了下行開采過程中不同水平的最大豎直位移，其變化規(guī)律與FLAC3D計算結(jié)果基本一致，當(dāng)開采至-473 m水平時，礦區(qū)地表的最大豎直位移為3.54 mm.圖8給出了-5 m巖層隨開采深度的傾斜量變化曲線，由圖可知，地表的最大傾斜量為0.003 5 mm/m，小于±3 mm/m.分析-440～-473 m階段開挖完畢后的變形云圖(圖9)可以看出，礦體開采后在其頂部圍巖內(nèi)形成明顯的拱形承載結(jié)構(gòu)，受壓力拱作用影響，圍巖及地表變形均不明顯，所產(chǎn)生的變形主要集中在礦體上盤和頂部，呈筒形陷落形態(tài)，且向上盤傾斜.

圖7 不同水平最大豎直位移變化曲線(3DEC計算)

圖8 -5 m巖層傾斜量變化曲線(3DEC計算)

圖9 -440～-473 m階段開采完畢后位移云圖

4.4 基于隨機(jī)介質(zhì)方法的計算

利用東北大學(xué)自主開發(fā)的礦體開采地表沉降模擬系統(tǒng)[11-12]對粗榆金礦開采過程中巖層運移規(guī)律展開研究.該系統(tǒng)基于隨機(jī)介質(zhì)理論，可構(gòu)建不同地質(zhì)模型，制作不同形狀、大小和傾角(產(chǎn)狀)的采空區(qū)，并對沉降位移、沉降范圍以及時間進(jìn)行計算分析.

計算方法采用散體移動時空演化模型.將散體分成正方形模塊，用模塊之間從下向上隨機(jī)遞補(bǔ)運動，來模擬礦巖的運動過程.模塊之間的遞補(bǔ)通過“空位”向相反方向的隨機(jī)傳遞來實現(xiàn).每沉降1個模塊就在其原來位置產(chǎn)生1個“空位”，該“空位”由其上面相鄰9塊模塊按給定的概率和時間因素隨機(jī)遞補(bǔ)，在遞補(bǔ)模塊下移之后，其原來的位置又變?yōu)椤翱瘴弧?因此，隨機(jī)介質(zhì)方法更適合對急傾斜極薄礦體開采導(dǎo)致的巖層運移進(jìn)行模擬研究.

圖10為松散系數(shù)1.5時的模擬結(jié)果.由圖可知，粗榆金礦地表潛在沉陷區(qū)主要集中在礦體上盤區(qū)域，其上盤巖移角在88°左右，下盤巖移角接近90°.如圖11所示，計算結(jié)果較原設(shè)計資料(中上盤圍巖移動角75°，下盤圍巖移動角80°)巖移范圍大大縮小，其中下盤巖移界限向沉陷中心移動了215 m，上盤巖移界限向沉陷中心移動了195 m，沉陷區(qū)面積縮小了75%.綜合上述各項評價指標(biāo)，2#豎井、新建的選礦廠以及職工宿舍浴池均在巖移帶之外.

圖10 隨機(jī)介質(zhì)方法計算結(jié)果

圖11 移動帶的確定

5 結(jié) 論

1) 連續(xù)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計算顯示，粗榆金礦開采過程中，礦體上盤巖層沉降明顯，巖層傾斜量小于允許值.根據(jù)承壓拱理論，礦體上覆巖層穩(wěn)定性較好，礦體覆巖沉降變形區(qū)域形態(tài)呈筒形.

2) 隨機(jī)介質(zhì)方法計算得到的巖移范圍較原設(shè)計資料縮小75%.可判定目前二號豎井、新建的選礦廠以及職工宿舍浴池均在巖移帶之外.

3) 巖體破壞過程是由連續(xù)變形向非連續(xù)斷裂破壞轉(zhuǎn)變.本文通過三種計算方法表明：隨機(jī)介質(zhì)方法在模擬急傾斜極薄礦體開采導(dǎo)致的巖層運移中更具優(yōu)勢.