充填開采覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究

李洪波，周 聰，李瑞峰

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

1 引言

我國(guó)各種有色金屬的開采量均在世界前列。隨著有色金屬礦井開采年限的增加，很多有色金屬礦面臨著資源枯竭危機(jī)，進(jìn)入殘采階段或者進(jìn)入衰退期。對(duì)于這些有衰退現(xiàn)象的礦井，大部分礦井不得不采用傳統(tǒng)技術(shù)無法開采的“三下”（建筑物下，鐵路下，水體下）壓物的問題。為解決三下采有色金屬所帶來的的問題，充填開采逐漸普及起來。一般將矸石作為充填材料。近年來充填開采的研究，在控制地表移動(dòng)及礦層上覆巖層的變形中起到了很大的保護(hù)作用，對(duì)提高有色金屬資源的經(jīng)濟(jì)效益起到了重要意義。然而，目前關(guān)于上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的研究較少，本文針對(duì)這一特點(diǎn)，主要研究了以下兩點(diǎn)：

（1）通過改變巖塊的力學(xué)參數(shù)，研究某有色金屬礦地區(qū)，巖塊的力學(xué)參數(shù)對(duì)地表下沉的影響，從而對(duì)參數(shù)調(diào)整提拱較為準(zhǔn)確的意見。并對(duì)上覆巖石移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)比了同一水平覆巖移動(dòng)和不同水平覆巖移動(dòng)的區(qū)別。

（2）本文針對(duì)某有色金屬礦的1312工作面和1316工作面利用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對(duì)比了垮落開采和充填開采對(duì)某有色金屬礦地表的影響，從下沉值、水平移動(dòng)值、水平變形、傾斜變形等多個(gè)角度闡述了充填開采給巖層控制帶來的巨大改變。并研究垮落開采和充填開采的動(dòng)態(tài)變化，分析了兩種開采方法在動(dòng)態(tài)過程中的區(qū)別和特點(diǎn)。

2 巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)地表下沉的影響

通過改變巖體的物理參數(shù)，觀察地表下沉情況。本節(jié)的模型依據(jù)某有色金屬礦實(shí)際情況建立，具體模型如下：以礦層傾向?yàn)閤方向，走向?yàn)閥方向，重力方向?yàn)閦軸建立直角坐標(biāo)系xyz，其中傾向?qū)挾葹?520m，走向長(zhǎng)度為1680m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分走向部分為240m，傾向部分為140m，具體模型本文省略。所有巖層的本構(gòu)模型均選擇摩爾-庫倫模型。實(shí)驗(yàn)室所獲巖體物理參數(shù)如表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)調(diào)整

3.1 礦區(qū)工作面簡(jiǎn)介

以某有色金屬礦某工作面采礦條件模型為例，該工作面平均采挖礦層厚為3.01m，地面標(biāo)高為+36.5～+37.2m，工作面標(biāo)高為-500～-555m，工作面采用前進(jìn)式即采即充的充填方法。為了獲取可靠、準(zhǔn)確的地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在1312、1316充填工作面上建立3條地表移動(dòng)觀測(cè)線2條不規(guī)則的觀測(cè)線（如圖1）：A線、B線垂直于充填工作面推進(jìn)方向布設(shè)，C線沿工作面推進(jìn)方向布設(shè)，D、E線為不規(guī)則觀測(cè)線。

圖1 觀測(cè)線分布圖

3.2 數(shù)值模型巖樣物理參數(shù)校準(zhǔn)

為了準(zhǔn)確高效地反演出模型參數(shù)，本文采用不同的方案擬合出的結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值作比較，對(duì)巖體的抗拉強(qiáng)度等參數(shù)利用均勻設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行初始參數(shù)計(jì)算。建立的模型基本情況如上文，其中傾向?qū)挾扰c走向長(zhǎng)度均為2000m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分為800m×800m，具體模型如圖2所示。

圖2 某礦的實(shí)際模型

本文在對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析時(shí)，采用均勻正交設(shè)計(jì)的方法。該方法優(yōu)點(diǎn)為可研究多種因素相互作用的結(jié)果。該方法可利用正交性原理，有選擇性挑選出典型的具有代表性的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而比較全面的反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)又能大大的減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。該方法初步解決了由于選擇初值不合理和由實(shí)測(cè)數(shù)值計(jì)算工作面參數(shù)失敗的問題。各因素水平及正交實(shí)驗(yàn)表如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬與計(jì)算結(jié)果得出：該地區(qū)的垮落下沉系數(shù)在0.8～0.9之間，所以地表的最大下沉數(shù)值應(yīng)該在2.5m左右。通過正交實(shí)驗(yàn)，得出了第7組正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的結(jié)論。由第7組巖層參數(shù)與實(shí)際巖層參數(shù)更為吻合?？迓浞ㄏ拢敯宓南鲁林翟?.5m左右，符合實(shí)際情況。

3.3 某有色金屬礦實(shí)際模型的建立

根據(jù)上節(jié)中獲取的工作面實(shí)際巖體物理參數(shù)，建立非充分采動(dòng)工作面模型如下：模型建立坐標(biāo)系基情況如上文所示。其中傾向?qū)挾葹?520m，走向長(zhǎng)度為1680m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分為240m＊140m，采用即采即充開采，具體模型如圖2所示。所有巖層的本構(gòu)模型均選擇摩爾-庫倫模型。經(jīng)計(jì)算可知地表的最大下沉值在125mm左右，頂板的垮落高度在600mm左右，充填體的充實(shí)率在80%左右，符合實(shí)際情況值。取模型地表距邊界60左右沿傾向的10個(gè)點(diǎn)，與B觀測(cè)線中的B20-B30的10個(gè)點(diǎn)做數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比圖如3所示。

圖3 B20-B30實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比圖

發(fā)現(xiàn)地表的下沉曲線較為相似，最大值也較為相近。證明上節(jié)進(jìn)行的參數(shù)反演是較為準(zhǔn)確的。

4 固體充填巖層移動(dòng)規(guī)律

4.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)前章節(jié)得到的各巖塊物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合工作面1312和工作面1316建立如下工作面。模型大小為1520m×1680m，開采深度為573m，有礦層實(shí)際采厚為3m，礦層為水平礦層，建立模型如圖2。礦層參數(shù)采用上一章的調(diào)參得到的巖體力學(xué)參數(shù)表1。

4.2 覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律研究

4.2.1 垮落開采和充填開采結(jié)果分析

（1）地表下沉對(duì)比

圖4 垮落法與充填法地表下沉對(duì)比

提取地表走向主斷面上的最大下沉值與水平移動(dòng)值進(jìn)行比較，如表3所示。

表3 充填開采和垮落開采的表土主斷面數(shù)據(jù)對(duì)比

從以上數(shù)據(jù)得知，充填開采與垮落開采最大下沉值分別為0.13和0.62；充填開采與垮落開采最大水平移動(dòng)值分別為0.07和0.23。由以上數(shù)據(jù)此可知垮落開采的下沉值和水平移動(dòng)值都比充填開采要大。從減小的幅度可以看出，充填開采的下沉值減小了73%，水平移動(dòng)值減小了70%。

（2）頂板下沉對(duì)比

可以明顯看出充填法開采和垮落法開采對(duì)于頂板的管理效果是十分有別的，在頂板的正下方，垮落開采的頂板可以下沉2.8m左右，而充填開采的頂板下沉僅為0.5m左右。由于頂板的下沉量占地表總體下沉量的70%～80%之間，這就直接導(dǎo)致了地表下沉值和水平移動(dòng)值的區(qū)別。

圖5 垮落法與充填法開采頂板下沉圖

（3）水平變形和傾斜變形

從表4數(shù)據(jù)可知，充填開采中最大下水平變形和最大傾斜變形為0.42m和0.43m，而垮落開采的最大水平變形和最大傾斜變形分別為1.38和1.48。再次說明充填開采對(duì)地表的控制效果更好。

表4 水平變形和傾斜變形對(duì)比

4.2.2 垮落開采和充填開采動(dòng)態(tài)分析

在上一節(jié)中對(duì)充填開采與跨落開采做了數(shù)值模擬分析，并對(duì)二者的結(jié)果做了比較，為了解充填開采與傳統(tǒng)垮落開采上覆巖層的動(dòng)態(tài)變形過程，現(xiàn)對(duì)原模型進(jìn)行分步充填開挖，及工作面推進(jìn)60m，推進(jìn)120m，推進(jìn)180m，推進(jìn)240m時(shí)分別提取地表主斷面的下沉值，將其綜合比較。先將充填開采與傳統(tǒng)垮落開采的下沉過程進(jìn)行對(duì)比分析如下：

（1）下沉值對(duì)比

圖6 充填開采不同推進(jìn)距離地表下沉圖

圖7 垮落開采不同推進(jìn)距離地表下沉圖

表5 動(dòng)態(tài)下沉值數(shù)據(jù)對(duì)比

（2）水平移動(dòng)

圖8 充填開采不同推進(jìn)距離地表水平移動(dòng)值

圖9 垮落開采不同推進(jìn)距離地表水平移動(dòng)值

表6 動(dòng)態(tài)移動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)比充填開采與傳統(tǒng)垮落開采每一推進(jìn)距離的最大下沉值可知，隨工作面推進(jìn)距離的增大，充填開采與傳統(tǒng)垮落開采下沉的最大值都在增加。但是，充填開采的下沉值是一直都比垮落開采小的，從上兩數(shù)據(jù)表的橫向上比較可知，充填開采的最大下沉值，工作面推進(jìn)同樣的距離后，地表的最大下沉值變化幅度是不同的，明顯可以看出，充填開采沒開挖60m的距離后，最大下沉值的變化幅度變小了，而垮落開采變化的幅度基本沒有變化。

（3）充填開采巖層動(dòng)態(tài)分析

為更詳細(xì)的分析框?qū)由细矌r層的變換，在模型上取若干條測(cè)線進(jìn)行分析。如圖20所示測(cè)線1在礦層頂板3m水平處、測(cè)線2在頂板上方43m水平處、測(cè)線3在表土層水平處。縱向上布設(shè)測(cè)線4（開切眼處）和測(cè)線5（采空區(qū)中心）上距頂板3m、23m、43m、73m和143m處布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。

圖10 測(cè)線分布

同一水平覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。本節(jié)的主要做法是，在開挖到不同距離的階段，取測(cè)線1和測(cè)線2的地表下沉值，進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖11可知結(jié)論為：當(dāng)模擬條件與實(shí)際情況基本吻合時(shí)，測(cè)線1最大數(shù)值623mm，這主要原因是隨著采掘的進(jìn)行，礦矸石運(yùn)至采空區(qū)并充滿采空區(qū)，大大限制了頂板的下沉數(shù)值，從而直接阻止了上覆巖層下沉與水平移動(dòng)，間接控制了地表沉降與移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)的矸石受上覆巖層的擠壓時(shí)，矸石受擠壓的空間與上覆巖層沉降空間相等，所以上覆巖層的沉降空間受礦矸石的作用減小，相應(yīng)沉降速度也隨之減小。由圖12可知測(cè)線1與測(cè)線2各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)值差值基本均勻，即覆巖層與層之間沒有出現(xiàn)所謂的離層現(xiàn)象發(fā)生，這歸咎于采空區(qū)內(nèi)的矸石阻礙了上覆巖層的下沉，巖層內(nèi)部抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其內(nèi)部應(yīng)力，覆巖無垮落、斷裂、破碎的現(xiàn)象發(fā)生?；卷敻矌r隨著工作面推進(jìn)向法向方向彎曲、移動(dòng)。

圖11 測(cè)線1地表走向主斷面下沉圖

圖12 測(cè)線1與測(cè)線2地表走向主斷面下沉對(duì)比

不同水平覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。圖13為測(cè)線4上各點(diǎn)隨工作面推進(jìn)的下沉曲線。在該圖中整體覆巖表現(xiàn)出連續(xù)、漸進(jìn)沉降的特點(diǎn)。該圖中所示，在同一豎直面內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨掘進(jìn)面工作點(diǎn)與點(diǎn)之間距離較為平穩(wěn)，開始挖掘階段，各點(diǎn)的下沉幅度都較大，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層各點(diǎn)下沉速度在減小。在圖中，礦層開始推進(jìn)階段，各點(diǎn)的下沉較小，當(dāng)推進(jìn)到120m時(shí)候，采空區(qū)中心上方的各點(diǎn)有明顯的下沉變化。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，下方巖層與充填的矸石接觸漸漸飽和，下沉趨勢(shì)減小，隨著充填材料破碎再壓實(shí)再到破碎這一過程反復(fù)進(jìn)行，壓密過程漸漸達(dá)到平穩(wěn)。

圖13 測(cè)線4不同點(diǎn)隨著開挖距離動(dòng)態(tài)下沉

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用FLAC軟件對(duì)覆巖巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)地表下沉的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，建立了某礦實(shí)際采礦區(qū)工作面模型，對(duì)充填開采對(duì)覆巖及地表下沉影響進(jìn)行分析，總結(jié)了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)于某有色金屬礦的巖層各物理參數(shù)對(duì)地表變形的影響，做出了總結(jié)概括，不同物理參數(shù)對(duì)于地表下沉值有不同程度的影響，合理的選擇參數(shù)變化，才能更快速的得到符合實(shí)際情況的巖體物理力學(xué)參數(shù)。

（2）矸石充填開采圍巖力學(xué)參數(shù)環(huán)境隨之改變，隨著工作面的推進(jìn)，充填率的提高，采空區(qū)周圍主應(yīng)力顯著減小。矸石充填物料的壓實(shí)度與殘余壓縮率對(duì)圍巖活動(dòng)具有良好的控制影響作用。

（3）充填開采與垮落開采相比，無論是最終結(jié)果還是動(dòng)態(tài)開采過程，在地表下沉、水平移動(dòng)、水平變形和傾斜變形等多方面，充填開采都顯示出它對(duì)上覆巖層移動(dòng)更好的控制。在模擬計(jì)算矸石充填采空區(qū)時(shí)，工作面向前推進(jìn)，上覆巖層表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的特性，且覆巖層緩慢下沉，表明了充填開采對(duì)覆巖及地表沉降具有良好的控制作用。

（4）垮落法與充填法開采上覆巖層及周邊圍巖巖層的應(yīng)力變化特征有相同，但也存在一定差別，掘進(jìn)工作面壁兩側(cè)范圍與支撐壓力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垮落法開采。充填開采上覆巖層應(yīng)力保持完整規(guī)律一致性，不會(huì)出現(xiàn)劇烈沉降現(xiàn)象。