基于3DEC礦體開采罐籠井的穩(wěn)定性分析

胡琳琛 白杭州 馬 召 邱烈望

（1.新疆興宏泰股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

0 前言

隨著我國地下采礦技術(shù)的快速發(fā)展和礦山生產(chǎn)能力的逐年提高，礦區(qū)地下采空區(qū)規(guī)模急劇增大。一旦采空區(qū)發(fā)生大面積變形坍塌，將威脅豎井及相關(guān)設(shè)施安全。對于礦體開采過程中的穩(wěn)定性問題，目前已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，其研究方法主要是根據(jù)實際地質(zhì)情況和開采情況，采集測試相關(guān)巖體或巖石的物理力學(xué)參數(shù)，運用數(shù)值模擬的方法，從不同角度分析研究礦體開采時的構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，內(nèi)容包括巷道安全[1-2]、巖柱或礦柱安全和采空區(qū)安全[3-5]等。李謝平等[6]采用FLAC3D 建立包括地表、采空區(qū)、礦體和充填體在內(nèi)的完整礦巖模型來進(jìn)行礦床開采的數(shù)值模擬計算和分析，從整體上分析前期已形成的復(fù)雜采空區(qū)對后續(xù)礦體開采的影響，保證地表及采場的穩(wěn)定性。部分學(xué)者采用三維數(shù)值分析方法建立礦山三維模型，計算分析了采空區(qū)對礦山整體穩(wěn)定性的影響[7-9]。由于對處在當(dāng)罐籠井65°巖石移動角范圍內(nèi)的礦體開采時礦區(qū)穩(wěn)定性的研究較少，使判斷礦體開采時的穩(wěn)定性缺少依據(jù)，因此該文根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)狀建立三維數(shù)值模型，分析對65°巖石移動角范圍內(nèi)的礦體進(jìn)行開采時罐籠井的穩(wěn)定性。

1 工程概況

阿巴宮鐵礦位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰市南東約25km 處，屬阿勒泰市管轄。礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)88°24'45"～88°27'55"，北緯 47°43'40"～47°44'45"。礦區(qū)中心點坐標(biāo)為東經(jīng) 88°28'58"，北緯 47°42'33"。礦區(qū)范圍內(nèi)鐵礦帶長度約920m，寬度為20m～300m，走向NW-SE，傾向145°～150°，傾角65°～80°。礦區(qū)內(nèi)氣溫變化較大，北東部毗鄰蒙古高壓中心，為典型的大陸性氣候。其礦體延伸一般在300m 以上，最大延伸超過600m。規(guī)模較大的礦體集中分布在礦帶的東西兩端。綜合考慮礦體分布特點及礦體開采效率等因素，采區(qū)設(shè)計方案采用充填法進(jìn)行分層開采且每采區(qū)的形狀較為規(guī)則。礦區(qū)現(xiàn)已開采至高程+789m處，且采空區(qū)尚未進(jìn)行充填。部分礦體處在罐籠井65°巖石移動角范圍內(nèi)。

2 數(shù)值建模

2.1 理論基礎(chǔ)

3DEC 是以離散單元法作為基本理論、用于描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計算分析程序，在力學(xué)上增加了對接觸面的非連續(xù)力學(xué)行為的模擬，具備強大連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇內(nèi)的普遍性分析能力。同時離散單元法的核心思想賦予3DEC 在處理非連續(xù)介質(zhì)環(huán)節(jié)上的本質(zhì)優(yōu)勢，適合于離散介質(zhì)在荷載（力荷載、流體和溫度等）作用下的靜、動態(tài)響應(yīng)問題的分析，例如介質(zhì)運動、大變形或破壞行為和破壞過程研究，這些均已廣泛用于巖土工程、地質(zhì)工程、地震工程，建筑/結(jié)構(gòu)工程、礦業(yè)工程和軍事工程等行業(yè)，是巖體變形和破壞等力學(xué)分析必不可少的工具。每個計算單元間的相互作用力可以根據(jù)力-位移計算法則進(jìn)行求解，同時對個別單元的運動根據(jù)該單元體受到的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓定律進(jìn)行求解計算。3DEC 中提供了4 種基本的模型本構(gòu)關(guān)系，同時可以根據(jù)需求進(jìn)行本構(gòu)關(guān)系的自我定義，滿足基本的工程計算要求。從工程需求角度出發(fā)，工程數(shù)值計算的關(guān)鍵是如何對工程的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，然后選取合適的數(shù)值計算軟件進(jìn)行求解分析。根據(jù)工程計算需求，該文采用3DEC 計算軟件并采用摩爾-庫倫模型對分析區(qū)域進(jìn)行計算分析。

2.2 模型建立

根據(jù)地表高程生成地表幾何模型，采用離散元3DEC建立三維數(shù)值模型，建立模型尺寸為500m×160m×395m（最大值），如圖1 所示。采用隨機生成塊體的方式對所建立模型進(jìn)行單元塊體的劃分，共劃分塊體30702 個。對建立的三維模型底部單元節(jié)點約束x方向、y方向、z方向3 個方向的位移，對四周邊界單元節(jié)點約束x方向、y方向的位移。巖石及礦體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 采空區(qū)與擬開采區(qū)位置關(guān)系

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

為了分析擬開采區(qū)域礦體開采對罐籠井的影響，在模型周圍設(shè)置監(jiān)測點，用于監(jiān)測在礦體開采過程中罐籠井周圍的位移變化。共設(shè)置23 個監(jiān)測點，監(jiān)測點布置及編號如圖2 所示。監(jiān)測點1 在近地表Z坐標(biāo)60m 處（Z方向），監(jiān)測點23 在Z坐標(biāo)-160m 處，各個監(jiān)測點之間的間隔為10m。

圖2 罐籠井側(cè)監(jiān)測點布置圖

3 模擬結(jié)果分析

已開采區(qū)礦體開采罐籠井側(cè)不同監(jiān)測點的水平位移見圖3（a）。由圖3（a）可知，當(dāng)?shù)V體開采至高程+889m 時，罐籠井側(cè)水平位移平均值為0.9mm。當(dāng)開采至高程+839m時，水平位移平均值為2.22mm，比上層礦體開采水平位移增長了1.32mm。當(dāng)開采至高程+789m 時，罐籠井側(cè)水平位移平均值為2.92mm，比上層開采增加了0.7mm。其中當(dāng)開采高程+889m 處礦體時，罐籠井側(cè)水平位移最大值為1.63mm。當(dāng)開采高程+839m 和+789m 處礦體時，罐籠井側(cè)水平位移值最大值發(fā)生在罐籠井中部，水平位移最大值分別為3.57mm 和4.44mm。由于平均水平位移值較小對巖體產(chǎn)生的擾動較小，因此對罐籠井的安全穩(wěn)定性影響較小。

擬開采區(qū)域礦體開采時各個監(jiān)測點的位移如圖3（b）所示。從圖3（b）可知，現(xiàn)階段罐籠井側(cè)平均水平位移最大值為4.44mm，且主要集中在罐籠井中部區(qū)域。當(dāng)?shù)V體開采至高程+739m 時，罐籠井側(cè)監(jiān)測點平均水平位移為4.70mm，與在高程+789m處礦體開采時的水平位移相比增加了1.78mm。當(dāng)開采至高程+689m 時，罐籠井側(cè)監(jiān)測點的平均水平位移為5.22mm，與在高程+739m處礦體開采時的平均水平位移相比增加了0.53mm。罐籠井側(cè)產(chǎn)生的最大水平位移為8.5mm 左右，位移值相對較大易使巖體產(chǎn)生裂隙，影響巖體的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而影響罐籠井結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

圖3 不同開采高程處礦體開采罐籠井側(cè)監(jiān)測點位移

不同開采高程處礦體開采產(chǎn)生的位移云圖如圖4 所示。由圖4 可知，礦體開采后在Y方向局域區(qū)域產(chǎn)生的水平位移具有較大值。隨著每層礦體的開采，罐籠井與礦體之間Y方向水平位移值不斷增加，Y方向的位移影響區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在高程+689m 礦體開采后，水平位移影響區(qū)域擴(kuò)展到罐籠井側(cè)。受開采擾動的影響，罐籠井側(cè)的局部最大水平位移值達(dá)到1.75cm，對罐籠井的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由此可見，對擬采區(qū)礦體進(jìn)行開采時應(yīng)實時監(jiān)測罐籠井的位移變化，確保其安全穩(wěn)定。

圖4 不同開采高程處礦體開采產(chǎn)生的位移云圖

4 結(jié)論

該文以阿勒泰市阿巴宮鐵礦礦區(qū)為例，采用離散元3DEC 軟件，根據(jù)礦區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)以及地表地形參數(shù)等建立數(shù)值計算模型，模擬分析礦區(qū)現(xiàn)狀以及當(dāng)下階段開采時罐籠井的穩(wěn)定性，研究不同監(jiān)測點的位移。具體結(jié)論如下：1）當(dāng)未進(jìn)行高程+739m 和+689m 處礦體開采時，罐籠井側(cè)產(chǎn)生的平均最大水平位移為4.44mm，主要集中在罐籠井中部區(qū)域，對罐籠井的影響較小。罐籠井處于穩(wěn)定階段；2）由擬開采區(qū)域礦體開采模擬分析結(jié)果可知，當(dāng)高程+689m處的礦體開采完成時，罐籠井監(jiān)測點的平均水平位移為5.22mm，水平位移變化主要集中在罐籠井的底部區(qū)域。與現(xiàn)狀的模擬開采相比，擬開采區(qū)域礦體開采后的罐籠井側(cè)監(jiān)測點平均水平位移增加了2.3mm，擬開采區(qū)域礦體開采對罐籠井的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。