不同采場(chǎng)鑿巖硐室跨度與巖性關(guān)系研究*

廖 勝，杜 偉

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法［1-2］是一種高效、安全、低成本的采礦方法，但是在開采過(guò)程中，由于開采跨度的不同會(huì)對(duì)采場(chǎng)周圍地壓顯現(xiàn)造成一定的影響。探究這種影響可為我們?cè)诘V山開采過(guò)程中選取合理的開采跨度提供很大的幫助。

目前針對(duì)這種情況已有一些研究成果。陳天云等通過(guò)FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)分段采場(chǎng)不同開采跨度下的采場(chǎng)位移與變形特征、頂板最大主應(yīng)力、頂板垂直應(yīng)力分布、采場(chǎng)塑性區(qū)分布等數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了合理的開采跨度［3］；高謙等根據(jù)邊界單元法的不連續(xù)位移法，模擬了礦區(qū)內(nèi)不同采空區(qū)頂板跨度時(shí)，頂板及圍巖內(nèi)的應(yīng)力及頂板的安全系數(shù)［4］；倪勇等利用彈性力學(xué)關(guān)于薄板彎曲的小撓度問(wèn)題理論分析頂板的穩(wěn)定性，再基于顆粒流方法分析不同頂板厚度下的安全開采跨度［5］；閆奇等結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)回采過(guò)程中動(dòng)靜組合作用下的鑿巖硐室穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析頂板、支撐條柱、間柱的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)變化規(guī)律［6］；李東等運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)三種礦房跨度分別進(jìn)行開挖模擬，對(duì)頂板關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，對(duì)開挖后的采場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析［7］；張海波等采用“隔一采一”的開采方式模擬分析了不同采場(chǎng)跨度條件下巖體的應(yīng)力分布、塑性分布及位移變化情況［8］；王維德等采用嗣后膠結(jié)充填房柱法對(duì)不同跨度下回采巷道暴露面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析［9］；翟德元等利用房柱式開采在對(duì)礦房跨度進(jìn)行確定時(shí)考慮了安全系數(shù)法［10］。

上述研究成果還存在一些不足：（1）只研究了礦房跨度對(duì)頂板穩(wěn)定性的關(guān)系，未提及對(duì)礦柱等穩(wěn)定性的關(guān)系；（2）跨度選取較大，未考慮到小跨度影響的變化過(guò)程，選取區(qū)域不夠大，單元?jiǎng)澐州^少，使結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一些誤差；（3）采用了不連續(xù)位移法，研究結(jié)果不夠生動(dòng)形象。本文在已有的研究基礎(chǔ)上選取合適的基本力學(xué)參數(shù)，通過(guò)FLAC3D建立恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果研究小跨度下不同開采跨度與硐室頂板及礦柱等穩(wěn)定性的關(guān)系。

2 模型建立

安徽合肥某鐵礦屬一類大型鐵礦、硫鐵礦與硬石膏共生的礦床，開采礦體位于20聯(lián)巷以北高階段采場(chǎng)，賦存標(biāo)高為：-455~-540m，共5個(gè)水平工作面，從下至上分別為：-540m水平、-515m水平、-494m水平、-470m水平、-455m水平，設(shè)計(jì)埋深465m?？紤]到高效、安全、低成本，主要采用垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法進(jìn)行采礦，垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畹V房長(zhǎng)×高=90m×85m。

考慮到模型的復(fù)雜性與計(jì)算結(jié)果的精確度，根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化的同時(shí)，采用加密單元辦法對(duì)礦柱、礦房及其周邊巖體進(jìn)行了單元加密處理，以盡可能提高計(jì)算精度。考慮邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取如圖1（a）所示375m×200m×240m的長(zhǎng)方體輪廓。模型底面高程為-615m(XOY平面在高程為-615m的水平面上)，頂面高程為-375m，Z軸垂直向，離散后的計(jì)算模型四面體單元數(shù)為510892個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)85431個(gè)。如圖1（b）所示為離散后計(jì)算模型三維立體圖。

圖1 計(jì)算模型

在計(jì)算模型中， 軸邊界限制 方向移動(dòng)； 軸邊界限制 方向的移動(dòng)； 軸（鉛垂方向即深度方向）下邊界限制 方向移動(dòng)，上邊界考慮上覆巖體自重作用，施加12MPa壓應(yīng)力外荷載，模型垂直方向應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型初始應(yīng)力場(chǎng)等值云圖

3 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法是指用垂直或接近垂直的深孔和柱狀藥包爆破進(jìn)行階段落礦然后等回采結(jié)束后一次完成充填工作的礦房采礦法。如圖3所示從下至上按15m一步進(jìn)行分階段分步開采，最后一次充填。

圖3 開采示意圖

文章設(shè)計(jì)礦房采高85m、礦房寬15m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，分段高度依次為25m（-540~-515m水平）、21m（-515~ -494m水平）、24m（-494~-470m水平）、20m（-470~ -450m水平）。硐室采高4.15m，硐室寬6m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，條柱采高4.15m，條柱寬3m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，炮孔采高85m，中間礦房寬15m，左右礦柱寬均為3m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度。為模擬不同開采順序和開采方式，設(shè)計(jì)了如表1所示的三種開采方案。方案1形成了包含應(yīng)力平衡在內(nèi)的32個(gè)模擬工況，其中工況1~6為-455到-450中間礦房硐室15m分步開采，工況7~12為中間礦房-540到-515分段分步開采（塹溝），工況13~27為中間礦房15m分步-515、-494、-470分段開采，工況28~30為中間礦房75-90m分步-515、-494、-470分段開采，工況31為采空區(qū)整體嗣后充填。方案2的工況是在方案1的基礎(chǔ)上加上了左礦柱形成的，同理，方案3的工況是在方案2的基礎(chǔ)上加上了右礦柱形成的。

表1 模擬方案

本文在巖體力學(xué)參數(shù)選取上，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)如表2所示，礦巖、圍巖參數(shù)參照現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

表2 巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

為便于了解巖體空間關(guān)系，共設(shè)置了4個(gè)計(jì)算模型視圖，分別為y=62m剖面、y=92m剖面、y=122m剖面和y=137m剖面，反映了模型不同位置各工況應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布等關(guān)鍵參量的變化特征。

4 鑿巖硐室跨度充采擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)比分析

4.1 應(yīng)力特征對(duì)比分析

4.1.1 最大主應(yīng)力

圖4分別是方案1~3工況30在y=137m剖面的最大主應(yīng)力分布云圖，從圖可以看出：礦體開采后，采場(chǎng)周邊礦體及巖體的應(yīng)力釋放、次生應(yīng)力場(chǎng)重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象?？傮w上來(lái)說(shuō)在采空區(qū)頂板中央出現(xiàn)拉應(yīng)力，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幊霈F(xiàn)壓應(yīng)力，在采空區(qū)頂板處拉應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力位于采空區(qū)頂板和礦房?jī)蓭偷V體處，壓應(yīng)力主要集中于礦柱與頂?shù)装褰唤缣帯?/p>

圖4 工況30剖面最大主應(yīng)力分布云圖

如圖5所示為方案1~3工況30過(guò)程中的頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力曲線圖。對(duì)不同跨度最大主應(yīng)力曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

圖5 工況30頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力曲線圖

（1）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的最大主應(yīng)力值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，15m跨最大主應(yīng)力值先升高后下降并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，18m跨和21m跨最大主應(yīng)力值先下降后升高并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，說(shuō)明后續(xù)的開采活動(dòng)產(chǎn)生了明顯應(yīng)力擾動(dòng)。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力值有所增大，21m跨相對(duì)于18m跨增幅約9%，21m跨相對(duì)于15m跨增幅約45%，18m跨相對(duì)于15m跨增幅約40%。總體來(lái)說(shuō)礦柱受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全。

4.1.2 主應(yīng)力差

圖6所示為方案1~3工況30過(guò)程中的頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖。對(duì)不同跨度主應(yīng)力差曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

圖6 工況30頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖

（1）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的主應(yīng)力差值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，15m跨和18m跨主應(yīng)力差值保持增大并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，21m跨主應(yīng)力差值先下降后升高并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，說(shuō)明后續(xù)的開采活動(dòng)產(chǎn)生了明顯應(yīng)力擾動(dòng)。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差值有所增大，21m跨相對(duì)于18m跨增幅約40%，21m跨相對(duì)于15m跨增幅約75%，18m跨相對(duì)于15m跨增幅約25%?？傮w來(lái)說(shuō)礦柱受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全。

4.2 位移特征對(duì)比分析

由沿礦體走向剖面的豎向位移云圖7可知：在礦體開采過(guò)程中，始終存在兩處明顯變形，即礦房頂板附近巖體產(chǎn)生較明顯的沉降，在底板附近突出巖體產(chǎn)生較明顯隆起，這是由于礦體開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放引起的回彈現(xiàn)象。同時(shí)在采場(chǎng)頂板以上與底板以下出現(xiàn)圍巖位移等值拱，越往上發(fā)展拱徑越大，位移越小，圍巖變形較小比較穩(wěn)定。

圖7 工況30剖面豎向位移分布云圖

圖8所示為方案1~3工況30過(guò)程中的頂板中心點(diǎn)最大沉降曲線圖。對(duì)不同跨度最大沉降曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

圖8 工況30頂板中心點(diǎn)最大沉降曲線圖

（1）礦體開采后，采場(chǎng)周邊巖體應(yīng)力釋放、應(yīng)力場(chǎng)二次重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生位移。不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來(lái)越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大，15m跨、18m跨和21m跨最大沉降值保持增大。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大沉降值有所增大，21m跨相對(duì)于18m跨增幅約6%，21m跨相對(duì)于15m跨增幅約14%，18m跨相對(duì)于15m跨增幅約7%。

4.3 塑性區(qū)分布云圖特征對(duì)比分析

YAI（破壞接近度）可以用來(lái)描述巖土體從進(jìn)入塑性狀態(tài)到最終破壞這一過(guò)程中的損傷程度，其量值與巖土體的損傷度呈現(xiàn)正相關(guān)，對(duì)于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好指導(dǎo)作用［11-12］。

圖9和圖10分別為方案1~3工況30沿y軸y=137m剖面破壞區(qū)分布云圖和塑性區(qū)分布云圖。對(duì)不同跨度的破壞區(qū)分布云圖和塑性區(qū)分布云圖進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

圖9 工況30剖面破壞區(qū)分布云圖

圖10 工況30剖面塑性區(qū)分布云圖

（1） 礦體的開采必然引起周邊巖體擾動(dòng)與破壞，開采過(guò)程中巖體受力比較復(fù)雜，各部分破壞形式各不相同，有拉伸破壞、剪切破壞以及兩種破壞形式共存等形式。塑性破壞區(qū)主要分布在采場(chǎng)頂板中央、采場(chǎng)隅角、斷層，及斷層與采場(chǎng)間巖橋等應(yīng)力集中區(qū)與構(gòu)造破碎帶等強(qiáng)度薄弱區(qū)。頂板中央破壞形式主要為拉剪破壞，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幹饕獮閴杭艉屠舻募羟衅茐?，斷層部分為局部開采擾動(dòng)破壞，及斷層與采場(chǎng)間巖橋的剪切破壞。

（2）不同跨度礦房在開采完成后，在礦房?jī)蓭偷V體和礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房?jī)蓭偷V體處塑性變形較大。

5 結(jié)論

本文通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)比分析了15m、18m、21m三個(gè)不同開采跨度在工況30過(guò)程中的頂板應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布情況，得出了如下結(jié)論：

（1）各跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的最大主應(yīng)力值和主應(yīng)力差值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，并且隨著跨度的增加，二者都有所增大?？傮w來(lái)說(shuō)礦柱主要受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全；

（2）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后，礦柱水平位移變化不明顯，但頂板中心點(diǎn)的巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來(lái)越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大。并且隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大沉降值有所增大；

（3）不同跨度礦房在開采完成后，在礦房?jī)蓭偷V體和礦柱處有大量塑性積累，塑性變形較大，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)；

（4）采場(chǎng)跨度增加，將導(dǎo)致頂板安全風(fēng)險(xiǎn)逐步增大。