空場法開采圍巖變形相似模擬與數(shù)值模擬

謝晉誼,者亞雷

(1.中礦建設(shè)集團有限公司,浙江 溫州 325899;2.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

采用空場法對地下礦進行開采時,由于采場以敞空形式存在,頂板冒落及覆巖大位移是其開采過程中面臨的突出問題[1-3].隨著開采的進行,上覆巖層在自身重力以及洞室開挖后重新分布的構(gòu)造應(yīng)力作用下將會發(fā)生變形,當采場無支護的空間尺寸超過一定規(guī)模時,上覆巖層將不能維持自身的穩(wěn)定,頂板垮塌冒落[4].頂板大面積的垮落會誘發(fā)大量覆巖裂隙不可逆的擴展及周圍巖體不均勻變形,導致一系列地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[5].圍巖大變形不僅會導致地表水沿裂隙不斷下滲,溶蝕圍巖使巖體強度降低,并且地表支撐物的受力及位移發(fā)生改變,根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,地表標高將產(chǎn)生損失以補償?shù)叵驴臻g的變形,繼而也會引發(fā)地表下沉、構(gòu)筑物破壞等[6-9].因此,開展空場法開采條件下,對上覆巖層的移動變形規(guī)律及應(yīng)力分布情況分析的研究是十分必要的.

本文依據(jù)某銅礦的地質(zhì)特征及礦體產(chǎn)狀,通過采用室內(nèi)相似模擬試驗及FLAC3D數(shù)值模擬計算兩種技術(shù)手段,研究空場法對礦體開采過程中上覆巖層的應(yīng)力應(yīng)變特征,揭示采場的穩(wěn)定性以及地表的沉降變形規(guī)律.

1 礦體開挖及監(jiān)測方案

為了研究礦體開挖對地表可能產(chǎn)生的最大影響程度,選取礦體距離地表最近的典型剖面建立相似模型及數(shù)值模型.礦山地層劃分情況及礦體賦存特征如圖1所示,數(shù)據(jù)采集所布置的監(jiān)測點、線位置如圖2所示.礦體頂部距離地表約60 m,礦體從標高1 800 m向標高1 700 m開采,礦山實際分段高度20 m,對應(yīng)相似模型中的高度為0.1 m,數(shù)值模型按1∶1模擬礦山原型尺寸.試驗時從上往下逐分段依次開挖,每個開挖階段均對相似模型和數(shù)值模型中的位移監(jiān)測線進行數(shù)據(jù)采集,并對相似模型中頂板的垮落情況進行觀察記錄.

圖1 礦體賦存地層

圖2 測線布置

2 相似模型構(gòu)建分析

室內(nèi)相似模擬試驗是研究地下開采采場覆巖變形較為直觀的方法,基于礦山開采現(xiàn)場客觀條件,以遵循相似理論為原則,對礦山實際的幾何參數(shù)和力學參數(shù)進行一定比例的縮小,通過配比與原型物理力學參數(shù)相似的材料,構(gòu)建與實際開采條件相似的試驗?zāi)Ｐ蛯ΦV山實際工程問題開展相關(guān)研究.相似模擬試驗平臺可構(gòu)建的模型尺寸長×寬×高為2.5 m×0.3 m×1.5 m,本次試驗幾何相似比確定為200,時間相似常數(shù)為14,容重相似常數(shù)為1.35,力學相似常數(shù)為270,變形相似常數(shù)為1.本次研究主要考慮礦巖體的容重、單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比等主要力學參數(shù)的相似性,根據(jù)相似常數(shù),理論計算相似材料的力學參數(shù)如表1所示.

表1 相似材料力學參數(shù)理論計算值

2.1 采場上覆巖層變形分析

為便于測量各測點坐標,全站儀坐標系原點定義為(1 000,1 000,1 000),該坐標系與實驗?zāi)Ｐ蛯嶋H坐標和模型中模擬的標高無直接關(guān)系,主要是利用該坐標系作為參照測得各測點的坐標,礦巖體變形量為各測點的相對位移量,通過相似常數(shù)再換算為實際值.將開挖前與開挖過程中監(jiān)測線上測點的坐標以及位移矢量繪制到三維空間中進行圍巖變形規(guī)律分析,開挖前測點原始坐標如圖3所示.

圖3 未開挖前測點原始坐標

當開采第1,2分段后,上覆巖層所布置的3條位移監(jiān)測線移動變形量較小,基本與測點坐標重合,說明此時采場整體處于穩(wěn)定狀態(tài),頂板能夠維持自身穩(wěn)定未出現(xiàn)明顯的彎曲變形.沿傾向繼續(xù)向下開挖第3,4分段的礦體,空區(qū)上方的位移監(jiān)測線上布置的監(jiān)測點位置與原始坐標相比發(fā)生明顯的錯動,運動軌跡表現(xiàn)為指向空區(qū)方向移動,開挖后監(jiān)測線與原始監(jiān)測線坐標對比圖及矢量圖見圖4和圖5.這是由于頂板圍巖受自身重力及開挖后重新分布的構(gòu)造應(yīng)力影響,隨著開采的進行,采空區(qū)暴露面積逐漸增大,此時頂板不能維持自身的穩(wěn)定,發(fā)生變形破壞.當開采至第4分段時,不僅近采空區(qū)的監(jiān)測線發(fā)生較大的變形位移,而且距離地表較近的覆蓋層監(jiān)測線位移也達到0.2～0.6 m,將直接影響地表的生產(chǎn)安全.開挖第5分段后,各條測線位移變形量增大,加劇地表安全隱患.

圖4 礦體第4分段開采測點坐標對比

圖5 礦體第4分段開采測點位移矢量

2.2 模型開挖頂板冒落情況

礦體依次沿傾向進行開采,開挖過程如圖6所示.當開挖第1,2分段時,采場上覆巖層未發(fā)生冒落;開挖第3分段時,由于頂板跨度增大,導致頂板出現(xiàn)冒落,冒落高度換算成實際尺寸為12.5 m;開挖第4分段時,頂板發(fā)生大面積冒落并且向淺部巖層發(fā)展,冒落高度換算成實際尺寸為36.0 m;開挖第5分段時,頂板冒落面積繼續(xù)增大,冒落高度換算成實際尺寸為58.0 m,無法繼續(xù)開采.

圖6 相似模型各分段開采

3 數(shù)值模擬計算分析

為了使數(shù)值計算結(jié)果與室內(nèi)相似模擬試驗結(jié)果具有可比性,FLAC3D數(shù)值模型的研究范圍、礦體開采順序及分段高度與相似模型所對應(yīng)的原模型尺寸相同.

3.1 采場上覆巖層變形分析

數(shù)值模型礦體開挖至第5分段結(jié)束后,空區(qū)上方布置的3條測線橫剖面位移云圖如圖7所示.

圖7 礦體第5分段開采位移云圖

礦體開挖至各分段時,空區(qū)上方布置的3條測線上所產(chǎn)生的最大位移量趨勢圖如圖8所示.

圖8 礦體開挖測線最大位移趨勢

從位移云圖及位移趨勢圖可以看出:3號測線,也就是礦體直接頂板的位移量比1、2號測線遠離直接頂板的大,位移量最大值出現(xiàn)在1分段空區(qū)的正上方.開挖第1,2分段后,采場頂板及圍巖位移量很小,不足1 cm,說明此時礦體開采對圍巖擾動較小.當開挖至第4分段時,數(shù)值模擬位移量突然增大至0.52 m,與相似模擬結(jié)果開挖至第4分段位移范圍在0.2～0.6 m十分吻合.

3.2 采場上覆巖層應(yīng)力分析

隨著礦體的開挖,暴露的采空區(qū)頂板屬于瞬態(tài)卸載過程,可能由原來的受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài),進而產(chǎn)生拉應(yīng)力.雖然拉應(yīng)力與壓應(yīng)力相比受力范圍以及數(shù)值均較小,但是巖體的破壞往往是由于較不利的拉應(yīng)力所導致,而非較高的壓應(yīng)力.礦體開采時空區(qū)頂板圍巖拉應(yīng)力云圖如9所示.

圖9 礦體開采3～5分段拉應(yīng)力云圖

礦體開采至不同分段時,圍巖拉應(yīng)力區(qū)域如圖10所示.

圖10 圍巖拉應(yīng)力范圍

當?shù)V體開采至第3,4,5分段時,數(shù)值模擬應(yīng)力云圖中,采場中部頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力的圍巖高度分別為12.0,56.0,56.0 m;相似模型中礦體開采至第3,4,5分段時,頂板冒落高度分別為12.5,36.0,58.0 m.由此可知,數(shù)值模擬計算結(jié)果頂板可能發(fā)生由拉應(yīng)力而導致破壞的區(qū)域與相似模擬開挖后采場頂板冒落的范圍表現(xiàn)出較好的吻合性.

4 結(jié)論

1)數(shù)值模擬中頂板圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域,在室內(nèi)相似模型試驗中變現(xiàn)為垮塌冒落,說明礦體開挖后應(yīng)力重新分布,拉應(yīng)力的出現(xiàn)是導致頂板發(fā)生破壞的主要原因.

2)相似模擬試驗與數(shù)值模擬計算結(jié)果,兩者頂板冒落高度相差不多,開挖過程中上覆巖層變化規(guī)律特征具有很好的一致性,兩者相互印證,共同說明當該礦山采用空場法對礦體進行開采時,采場高度應(yīng)小于60 m才能保證采空區(qū)和地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定.