巖體結(jié)構(gòu)影響下覆巖冒落及地表巖移特征研究*

張東杰，王健多，鄭有偉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，采礦由淺部不斷向深部發(fā)展.對于低品位的金屬礦山而言，崩落法是應(yīng)用最廣泛的地下開采技術(shù)之一，該方法不可避免會造成地表塌陷，對礦區(qū)周圍環(huán)境與礦場設(shè)施構(gòu)成嚴重威脅[1-3].覆巖冒落與巖移發(fā)展形式與巖體結(jié)構(gòu)(節(jié)理或斷層)密切相關(guān)，涉及一系列巖層運動[4,5].借助現(xiàn)有的理論及監(jiān)測技術(shù)對巖體冒落及巖移機理進行研究具有一定的局限性，導(dǎo)致巖體內(nèi)部裂紋的擴展，應(yīng)力分布和斷裂引起應(yīng)力再分布無法直觀表示，同時缺乏有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)影響下冒落與巖移機制的定量評估.通過使用先進的數(shù)值工具[6,7]，可以對巖體結(jié)構(gòu)影響下覆巖冒落及巖移發(fā)展過程進行系統(tǒng)的研究，以更好地了解地表巖移發(fā)展機制.采用數(shù)值方法重點研究巖體結(jié)構(gòu)影響下覆巖裂紋擴展、應(yīng)力分布規(guī)律及地表巖移特征，這對于礦山開采中巖移的準確預(yù)測與防控，有效保護井下作業(yè)人員安全、地表工業(yè)設(shè)施及礦區(qū)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義.

1 數(shù)值模型建立

覆巖冒落過程屬于拉伸和壓剪2種破壞狀態(tài)的宏觀力學(xué)響應(yīng)，通過局部破壞(裂隙萌生、沿結(jié)構(gòu)面的擴展、巖橋破壞等)積累起來，最終傳導(dǎo)至地表，造成大規(guī)模巖移及塌陷的發(fā)生，如圖1所示.這一過程中，覆巖內(nèi)部裂紋的擴展形式及應(yīng)力演化特征很難現(xiàn)場測量，而巖體的冒落形式又取決于這2種要素.數(shù)值分析方法雖然對其不太可能做到完全精確分析，但可以利用該手段對其特征進行探索研究.

圖1 崩落法采礦地表塌陷情況圖(a)邊壁片落；(b)簡狀塌陷

基于加拿大薩德伯里卓越開采創(chuàng)新中心提出的巖體力學(xué)模型[8]，如圖2所示，研究崩落法開采中巖體內(nèi)部裂紋擴展與應(yīng)力演化規(guī)律，并進一步分析巖體結(jié)構(gòu)影響下地表巖移特征.在圖2所示的模型中，采礦環(huán)境被認為是斑巖型礦床，并且有2個主要斷層，北斷層(傾角79°)與南斷層(傾角90°).

圖2 CEMI提供的巖體力學(xué)模型圖

研究采用RFPA 2D軟件[9-11]模擬覆巖破壞的過程，模型離散區(qū)域大小為600 m×200 m，這是最主要的敏感區(qū)域，模型離散成1個有120 000個單元的網(wǎng)格.模型頂部設(shè)置為自由面，模型右邊、左邊和下邊界約束法向位移.研究中，通過逐步移除160 m深度的礦體(5 m×160 m)模擬開采過程.在開采區(qū)域上方布置7個測點，其中1～4測點間距為10 m，4～7測點間距為30 m，以準靜態(tài)方式求解模型以達到平衡狀態(tài)，對于所有計算假定為平面應(yīng)變問題如圖3所示.在模型中隨機生成節(jié)理，節(jié)理的平均長度約為30 m，平均間距約為20 m.在RFPA2D中，節(jié)理被假定為具有較低強度和剛度的“弱材料”，節(jié)理間為貫通區(qū)域認為是巖橋.研究選擇威布爾參數(shù)m=3.5來描述巖體的異質(zhì)材料性質(zhì)[12].巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1.

圖3 數(shù)值分析模型圖

主要分析過程為：(1)在160 m深度位置以10 m增量增加，總開挖長度160 m，研究巖體內(nèi)部裂紋擴展及應(yīng)力演化規(guī)律，節(jié)理隨機分布；(2)研究節(jié)理取向?qū)Φ乇韼r移發(fā)展的影響，利用斷裂角來定義整個地表巖移輪廓，此時假定斷層是相鄰礦體之間的完美結(jié)合面；(3)進一步研究斷層位置及傾角對地表巖移發(fā)展的影響，節(jié)理隨機分布.

2 覆巖冒落特征

不同開采跨度的覆巖冒落情況如圖4所示.可以清楚地觀察到巖體斷裂至塌落的整個發(fā)展過程，開采跨度50 m時，裂隙沿節(jié)理和巖橋貫通后，覆巖發(fā)生冒落，且冒落形狀呈現(xiàn)拱形；隨著開采跨度的增加，覆巖冒落加劇，在冒落帶上方的覆巖中裂隙沿著節(jié)理快速發(fā)展，冒落區(qū)上方主要為拉破壞，冒落區(qū)兩側(cè)主要為剪破壞；開采跨度達到160 m時，冒落發(fā)展至地表，形成明顯的塌陷區(qū)域，在礦塊中心沉降量最大，向兩側(cè)逐漸減小.整個過程中，巖體斷裂與破壞模式主要表現(xiàn)為沿著節(jié)理面和穿過完整巖橋發(fā)生的拉破壞與剪破壞，破壞范圍逐漸增加.

開采過程中，覆巖內(nèi)部應(yīng)力演化情況如圖5所示.陰影強度表示單元內(nèi)最大剪切應(yīng)力的相對大小.隨著開采跨度的增加，在新產(chǎn)生的裂隙頂點周圍出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中(較亮區(qū)域).該區(qū)域隨著裂隙的發(fā)展不斷向上延伸，在冒落區(qū)域上方形成了多個應(yīng)力拱，應(yīng)力拱上方覆巖保持穩(wěn)定，應(yīng)力拱下方為主要的冒落區(qū).隨著開采的持續(xù)，一旦應(yīng)力拱遭受破壞，該區(qū)域?qū)l(fā)生冒落，直到下一個應(yīng)力拱形成，冒落才趨于停止.

圖4 覆巖冒落情況圖(a)跨度50 m；(b)跨度80 m；(c)跨度120 m；(d)跨度160 m

不同監(jiān)測點的垂直位移變化情況如圖6所示.跨度達40 m時，測點1的垂直位移為0.06 m，說明此時測點所在位置的頂板并未垮落；跨度達70 m時，測點1與測點2位移明顯增加，最高達2.81 m，其余測點并未產(chǎn)生大的位移，說明此時測點1與2所在的頂板巖層垮落；跨度達110 m后，測點5所在頂板開始垮落，最大位移達3.58 m，頂端的2個測點6與7所在頂板在開挖130 m后垮落，最大位移達3.72 m.監(jiān)測結(jié)果表明，開采過程中，覆巖的冒落存在明顯的間斷性發(fā)展特征，并不是整體大范圍連續(xù)破壞，冒落過程概括為緩慢-快速冒落交替進行.開挖130 m后，頂板全部塌落，此時應(yīng)力拱不復(fù)存在，如圖5所示，說明只要存在完整的應(yīng)力拱，覆巖將不會冒透地表.

圖5 覆巖應(yīng)力演化情況圖(a)跨度50 m；(b)跨度80 m；(c)跨度120 m；(d)跨度160 m

圖6 監(jiān)測點垂直位移

3 地表巖移特征

3.1 節(jié)理的影響

緩傾斜和2個近似正交的急傾斜節(jié)理組合最有利于斷裂發(fā)展，為此研究重點討論節(jié)理取向?qū)Φ乇韼r移發(fā)展影響，提出了如下5組方案，見表2.方案A1，A2與A3旨在說明通過改變整體節(jié)理組的取向?qū)Φ乇韼r移發(fā)展的影響；方案A4與A5是基于A3，用于評估改變近水平節(jié)理組的取向和附加垂直節(jié)理組對地表巖移發(fā)展的影響.

表2 節(jié)理影響的建模方案表

開采跨度達到160 m時，不同方案的地表巖移情況見圖7.巖體冒透地表后，開采跨度的增加導(dǎo)致塌陷坑內(nèi)的碎裂巖石持續(xù)下降，進而減少了對塌陷坑壁的側(cè)向支撐，引發(fā)邊壁巖體沿著節(jié)理面向坑內(nèi)發(fā)生滑移與傾倒破壞，促使了巖移范圍的增加.為了量化節(jié)理取向?qū)Φ乇沓两堤卣鞯挠绊?，采? cm的位移閾值來表征巖體變形程度(MRS)，利用斷裂角(沉降>5 cm)來確定地表巖移范圍，采用對稱性指數(shù)(SI)來表征地表沉降對稱性關(guān)系，即開采跨度兩側(cè)最小斷裂角與最大斷裂角的比值.

如圖7所示，開采跨度右側(cè)，斷裂角變化范圍為77°～82°，角度一般不超過急傾斜節(jié)理組的傾角，說明巖體的破壞形式由急傾斜節(jié)理控制，主要為沿著急傾斜節(jié)理的滑移破壞，由此限制了地表沉降范圍與巖體變形程度.開采跨度左側(cè)，沉降角變化差異較大，最低為方案A3中的72°，最高為A1中的83°.

圖7 節(jié)理影響的地表巖移情況(a)方案A1；(b)方案A2；(c)方案A3；(d)方案A4；(e)方案A5

如圖8所示，節(jié)理組旋轉(zhuǎn)20°(方案A3)，導(dǎo)致近垂直節(jié)理方向的巖體變形程度增加約15%，而對于方案A2，引起巖體變形程度增加約4%，節(jié)理組旋轉(zhuǎn)角度對地表沉降范圍的影響更加明顯.方案A4出現(xiàn)了第二個最低的斷裂角74°，巖體變形程度減少約7%(相對于A3)，說明在急傾斜節(jié)理組一定的條件下，通過降低近水平節(jié)理組的傾角，可以限制變形發(fā)展，但影響相對較小.通過比較方案A3與A5，附加的垂直節(jié)理使采礦跨度左側(cè)斷裂角增加5°，而跨度右側(cè)增加2°，巖體變形程度減小約4%(圖9)，即附加垂直節(jié)理組的存在減小了急傾斜節(jié)理與緩傾斜節(jié)理設(shè)置的重要性，在地表沉降發(fā)展中起主導(dǎo)作用.對稱性指數(shù)最高為方案A1中的0.987，最低為A3中的0.930.方案A1到A3的對稱性指數(shù)逐漸降低，說明覆巖沿急傾斜節(jié)理組的傾倒破壞大于滑移破壞程度.其中，方案A4與A5中的對稱性指數(shù)高于A3，說明減小近水平節(jié)理組的傾角可以限制巖體變形的發(fā)展速率，附加的垂直節(jié)理更有利于采礦跨度兩側(cè)地表沉降的對稱發(fā)展.

為了進一步研究地表巖移特征，這里采用地表位移大于5 cm的垂直位移和水平位移進行分析，如圖9所示.隨著節(jié)理組傾角的變化，地表沉降范圍變化明顯，方案A3中的地表垂直和水平位移最大，分別為37%，45%(相對于A1)，說明急傾斜與緩傾斜節(jié)理的組合方式對地表巖移發(fā)展影響最大.對于所有方案，地表水平位移變化的程度始終接近或大于垂直位移，說明整個開采過程中，近地表裂隙巖體的巖移發(fā)展以橫向擴展為主.

圖8 節(jié)理影響的巖體變形程度

3.2 斷層的影響

根據(jù)CEMI提供的巖體力學(xué)模型，存在2個主要斷層，在二維數(shù)值模型中，這2個斷層被定義為極弱界面.研究將重點說明通過改變北斷層的位置及傾角，來評價斷層對地表沉陷發(fā)展的影響，節(jié)理隨機分布.如圖10所示，方案B1與B2旨在說明斷層的存在對地表沉降發(fā)展的影響；方案B3與B4是基于方案B2，通過改變斷層的位置對地表沉降發(fā)展的影響，其中方案B3中北斷層后移50 m，方案B4中北斷層前移50 m；方案B5與B6是基于方案B4，通過改變斷層的傾角對地表沉降發(fā)展的影響，方案B5中斷層傾角為59°(減小20°)，方案B6中斷層傾角為99°(增加20°).

圖9 節(jié)理影響的地表巖移程度(a)垂直位移；(b)水平位移

圖10 斷層影響的建模方案(a)方案B1；(b)方案B2；(c)方案B3；(d)方案B4；(e)方案B5；(f)方案B6

斷層影響下不同方案的地表巖移情況如圖11所示，巖體變形程度如圖12所示.斷層的存在，使巖體斷裂發(fā)展主要集中在南北2斷層之間.相比于方案B1，方案B2中左側(cè)斷裂角高出約6°，右側(cè)高約4°，巖體變形程度減少4%，說明斷層對巖體斷裂及地表巖移的發(fā)展有重要影響，且影響程度大于節(jié)理存在的影響.當北斷層前移50 m(B3)，下盤巖體因開采卸荷，導(dǎo)致上盤邊壁巖體引發(fā)傾倒破壞，此時斷裂角為95°，比B2高出11°，對稱性指數(shù)僅為0.821，地表不對稱沉降特征明顯.當北斷層后移50 m(B4)，即北斷層位于開采影響區(qū)外，斷裂角減小7°，巖體變形程度增加3%，說明當斷層遠離開挖區(qū)域達到一定距離時，對地表巖移區(qū)域的影響程度將非常小，巖移發(fā)展由節(jié)理控制.

圖11 斷層影響的地表巖移情況(a)方案B1；(b)方案B2；(c)方案B3；(d)方案B4；(e)方案B5；(f)方案B6

對于方案B5，在斷層的下盤測，巖體主要沿斷層面產(chǎn)生滑移破壞，不同于B3，斷層的存在并沒有對上盤巖體的移動起到明顯的限制作用，斷裂角由95°減小為86°，巖體變形程度增加5%，在上盤側(cè)可以觀擦到明顯增加的拉伸裂縫，表明隨著斷層傾角的減小，斷層對上盤巖體的弱化效應(yīng)增強，可導(dǎo)致上盤巖體發(fā)生大規(guī)模傾倒破壞，增加了地表巖移范圍.對于方案B6，原斷層的下盤變?yōu)樯媳P，發(fā)現(xiàn)上盤側(cè)巖體主要沿斷層面發(fā)生滑移破壞，斷裂角相對于B5僅減小3°，巖體變形程度減小4%，說明開采引起的破壞主要由斷層提供的弱化面控制，而斷層下盤巖體的破壞通過隨機分布的節(jié)理控制.

圖12 斷層影響的巖體變形程度

斷層影響下地表巖移程度見圖13.以方案B2為參照，當無斷層存在時(B1)，分別使主要水平位移與垂直位移的總體范圍增加約20%與14%，對于B3，巖移影響區(qū)域減小約15%，得到最小的總體沉降位移，這時地表的水平位移與垂直位移基本相同.以方案B3為基礎(chǔ)，當斷層傾角為59°時(B5)，分別使主要水平位移與垂直位移的總體范圍增加約7%與11%，說明當斷層傾角變緩，增加了斷層上盤巖體的弱化效應(yīng)，為上盤巖體沿斷層面的不穩(wěn)定發(fā)展提供了條件，這是引起地表總體沉降范圍增加的主要原因；當斷層傾角為99°時(B6)，分別使主要水平位移與垂直位的總體范圍增加約5%與9%.相對于方案B5，總體巖移范圍有所減小，說明當斷層上下盤發(fā)生改變，斷層下盤巖體在暴露中的移動受到限制，上盤破裂巖體段的被動支撐作用阻止了下盤巖體內(nèi)部不穩(wěn)定性的發(fā)展，使下盤巖體僅受到輕微的破壞，最終使整體巖移范圍較小.這里應(yīng)注意，當上盤支撐巖體被大量“移除”后，將進一步引起下盤巖體的破壞.

圖13 斷層影響的地表巖移程度圖(a)垂直位移；(b)水平位移

4 結(jié)論

(1)采礦過程中，覆巖內(nèi)部裂紋擴展是從隨機分布的節(jié)理開始并傳播到完整的巖橋中，覆巖冒落呈現(xiàn)快速-緩慢冒落間斷性發(fā)展特征，這歸因于應(yīng)力拱的周期性演化，應(yīng)力拱在巖體斷裂發(fā)展中起著關(guān)鍵作用.

(2)無斷層存在時，急傾斜節(jié)理控制著地表巖移的發(fā)展，傾角越緩，導(dǎo)致總體地表的巖移范圍越大.當多組節(jié)理組同時存在時，傾角最陡的節(jié)理組在地表沉降發(fā)展中占有主導(dǎo)作用，地表巖移發(fā)展總體上以橫向擴展為主.

(3)當斷層位于開采主要影響區(qū)域內(nèi)時，可削弱節(jié)理對地表巖移的影響，斷層與開挖區(qū)域相交的部分控制著主要地表巖移發(fā)展趨勢，緩傾斜斷層將增加而急傾斜斷層將減小上盤巖體的破壞程度，這主要歸因斷層上盤巖體的弱化效應(yīng)與傾倒破壞特征.

(4)掌握崩落法開采中受巖體結(jié)構(gòu)影響的覆巖斷裂及地表巖移特征，對于深入理解巖體斷裂演化規(guī)律與地表巖移機制具有重要作用，可以用于及時調(diào)整礦山開采設(shè)計和實施補救措施，為礦山安全開采、環(huán)境與工業(yè)設(shè)施的保護提供支撐.