深井條帶開采中留設條帶長期穩(wěn)定性分析

張紀堂，翁麗媛，左世曉，胡軍偉，宋 陽，劉彬彬，董 岳＊

（1.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂 277700；2.山東科技大學，測繪科學與工程學院，山東 青島 266590）

山東某千米開采礦井，為有效地控制覆巖及地表變形，保護地表建（構）筑物，采用條帶開采法解放村下壓礦。由于深井留設條帶承擔的上覆巖層載荷較大，留設條帶的長期穩(wěn)定是深井條帶開采是否成功的關鍵指標，對深井留設條帶長期穩(wěn)定性的研究具有重大的意義[1，2]。

國內(nèi)外學者針對巖石蠕變特性提出西原模型、Burger模型、Maxwell模型等。研究表明：最有效地解決大埋深高地應力條件下礦巖的塑性變形，是基于Burgers模型組合而成的Mohr-Coulomb模型[3，4]。本文應用FLAC3D中的蠕變模型，模擬了千米深井留設條帶的蠕變特性，得到了千米深井留設條帶穩(wěn)定性的時序變化規(guī)律。

1 條帶開采工作面信息

山東某礦礦32采區(qū)因村莊壓礦采用條帶開采方案，該區(qū)域共布設6個條帶開采工作面，各工作面信息如表1所示，開采時間為2011年10月至2017年10月。

表1 32采區(qū)工作面概況

2 改進Burgers礦巖流變模型

改進Burgers模型中Kelvin體、Maxwell體和塑性體分別以上標K、M、P表示，該模型應變速度表示為：

其中，Maxwell體應變速度為：

Kelvin體應變速度為：

Mohr-Coulomb塑性體應變速度為：

體積特性為：

式中：K為體積模量，G為剪切模量，η為粘滯系數(shù)，Sij為偏應力，eij為偏應力分量，σ0、σ3分別為最小和最大主應力。

Mohr-Coulomb包括剪切準則和拉伸準則在內(nèi)的剪切屈服函數(shù)和潛在的剪切斷裂函數(shù)如下：

拉伸屈服函數(shù)與拉伸破壞勢函數(shù)為：

有限增量為：

上劃線表示在一個時步內(nèi)所取得的值。

式中，上標N和O分別描述為新值和舊值。

3 留設條帶長期穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

（1）蠕變模型。FLAC3D中的蠕變模式提供了8種蠕變本構模型，分別為：①經(jīng)典粘彈性模型model viscous：此模型采用經(jīng)典Maxwell蠕變模型，描述巖石彈性和黏性性質；②model burgers：此模型采用經(jīng)典Burgers蠕變模型，它可以反映巖石的粘彈性，但不能描述屈服狀態(tài)和加速蠕變的階段；③二分量冪定律模型model power：此模型廣泛用于采礦工程；④model wipp：一般用于研究核廢料處置；⑤model cvisc：第二個模型的變形形式，遵循Mohr-Coulomb準則，該模型可模擬材料進入屈服后的狀態(tài)；⑥model cpow：為第三個模型的擴展形式，遵循Mohr-Coulomb準則；⑦model pwipp：為第四個模型的變形形式；⑧model cwipp：為第四個模型的擴展模型，可模擬材料壓硬和剪縮行為。

本次數(shù)值模擬采用的是軟件內(nèi)置cvisc模型。

（2）數(shù)值模擬。根據(jù)山東礦區(qū)32個礦山的地質條件，建立了深部安全帶支架立柱蠕變的數(shù)值模擬模型，確定了該立柱的長期穩(wěn)定性。數(shù)值模型在X，Y和Z方向上的尺寸分別為1000m和500m，模型中的立柱尺寸設置為130m，在模型頂部施加12MPa的載荷，代替上覆地層的重量，并在側向施加荷載，側向應力為垂直應力的0.8倍。

（3）采深1000m留設條帶長期穩(wěn)定性分析。通過工作面開挖過程靜力及礦柱蠕變計算，獲得了留設條帶在3年內(nèi)的蠕變變形值，圖1、圖2分別為條帶開采3年后留設條帶蠕變垂直應力云圖與垂直變形云圖。

圖1 開采3年后留設條帶垂直應力分布

圖2 開采3年后留設條帶垂直變形

從時間角度看，留設條帶在開采結束初期，橫向變形值及垂直應力增幅較大。開采后二十個月，它趨于穩(wěn)定，這表明極點將在此后進入長期穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 留設條帶不同深度處隨時間變化的橫向變形（H=1000m）

（4）采深500m留設條帶長期穩(wěn)定性分析。為了研究采礦深度對皮帶支柱長期穩(wěn)定性的影響，改變了采礦深度，并按比例減小了巖石層的厚度?，F(xiàn)在，通過數(shù)值計算了500m深度的巖柱的長期穩(wěn)定性，在模型的頂部施加5.5MPa的載荷來代替覆巖的重量，垂直應力為剪切應力的0.8倍，模擬結果圖4、5所示。

圖4 留設條帶不同深度處隨時間變化的橫向變形（H=500m）

圖5 留設條帶不同深度處隨時間變化的垂直應力分布（H=500m）

4 結論

（1）采用FLAC3D軟件，對采深1000m留設條帶長期穩(wěn)定性進行了模擬計算，分析了采礦作業(yè)結束后36個月內(nèi)立柱的橫向變形和豎向應力分布。

（2）采深500m的留設條帶蠕變過程模擬表明，留設條帶的塑性區(qū)發(fā)育至留設條帶內(nèi)6m～7.5m處，留設條帶的蠕變在井底生產(chǎn)16個月后穩(wěn)定下來，并且留設條帶可以保持長期穩(wěn)定的狀態(tài)。