基于三維離散元的地下采空區(qū)灌漿支護(hù)分析
——以連云港新浦磷礦為例

鐘屹巖,董夢龍,荀 蔭,麻玉山

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

地下礦藏開采后會造成地下巖體結(jié)構(gòu)的破壞,并形成大量地下采空區(qū)。地下采空區(qū)的存在會導(dǎo)致地面塌陷、道路毀壞,甚至?xí){人們的生命安全。同時,地下采空區(qū)也會對當(dāng)?shù)毓こ痰慕ㄔO(shè)造成影響。因此,對地下采空區(qū)的支護(hù)治理在工程建設(shè)中尤為重要。

近年來,我國對采空區(qū)的治理愈發(fā)重視,如劉海林等[1]對金屬及非金屬地下礦山采空區(qū)的治理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)及展望;康慶濤等[2]采用數(shù)值模擬方法對大地精礦房柱采空區(qū)下應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[3-6]中對地下采空區(qū)頂板及礦柱進(jìn)行分析,通過研究頂板及礦柱對采空區(qū)的影響,對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價;文獻(xiàn)[7-8]中對房柱式采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究并使用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析,根據(jù)采空區(qū)房柱影響穩(wěn)定區(qū)下底板應(yīng)力波動范圍確定了模擬地層采空區(qū)房柱集中應(yīng)力工程影響深度;劉駿等[9]通過三維數(shù)值模擬對采空區(qū)地面場地穩(wěn)定性進(jìn)行分析及評價,結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)確定采空區(qū)地面場地的現(xiàn)狀穩(wěn)定性,然后在采空區(qū)地表施加擬建公路特大橋梁荷載,分析施加荷載后采空區(qū)覆巖的應(yīng)力和位移變化,進(jìn)一步分析采空區(qū)地面場地的穩(wěn)定性;楊忠民等[10]采用塊體離散元軟件3DEC進(jìn)行數(shù)值模擬,對節(jié)理巖體中隧道開挖后圍巖的應(yīng)力變形狀態(tài)進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[11-12]中通過對大采深采空區(qū)的離散元及有限差分方法的數(shù)值模擬計算,研究大采深綜放開采條件下地表移動變形過程中上覆巖層的演化機(jī)理。

根據(jù)蔣仁勇[13]對連云港新浦磷礦采空區(qū)治理工藝研究,收集連云港新浦磷礦采空區(qū)的地質(zhì)資料,使用ItascaD軟件進(jìn)行三維地質(zhì)建模。同時基于三維離散元軟件3DEC,對新浦磷礦地下采空區(qū)三維地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析,著重考慮了地下采空區(qū)在無支護(hù)以及70%、80%、90%注漿支護(hù)下的位移變形特征,為采空區(qū)后期的支護(hù)提供依據(jù),并對類似的采空區(qū)灌漿支護(hù)工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

新浦磷礦采空區(qū)位于連云港市區(qū)北部,屬連云港市海州區(qū)管轄。具體位置位于大浦河以東,科技一路以西,310國道以南區(qū)域。屬海積平原地貌,地勢低平,地面標(biāo)高2～3 m,用地現(xiàn)狀為農(nóng)田、民房、工業(yè)廠房及荒地[4]。

根據(jù)收集的資料跟現(xiàn)場鉆孔揭露,采空區(qū)下伏基巖地層為東海群朐山組、海洲群錦屏組和云臺組,現(xiàn)由老到新分述如下:

(1) 東海群朐山組(Pt1dhq)分布于礦區(qū)西部,為花崗質(zhì)混合片麻巖,巖層走向10°～18°,傾向100°～108°,傾角34°～46°,礦區(qū)內(nèi)厚度大于16 m,未見底。

(2) 海州群錦屏組(Pt2haj)分布于礦區(qū)中部,磷礦體存于該組中。地層由老到新分為4段:第一段(Pt2-3haj1):主要為含磷大理巖、磷灰?guī)r、云母石英片巖、炭質(zhì)石英片巖、云母片巖、片麻巖,巖體走向10°～15°,傾向100°～105°,傾角38°～42°,厚度24～53 m,與上覆第二段呈整合接觸。第二段(Pt2-3haj2):以白云二長片麻巖為主,次為云母微斜長石片麻巖夾鈣質(zhì)云母片巖、云母大理巖,巖層走向10°～15°,傾向100°～105°,傾角36°～46°,厚度81～193 m,與上覆第三段呈整合接觸。第三段(Pt2-3haj3):以云母大理巖為主,次為白云質(zhì)大理巖。云母白云質(zhì)大理巖,夾云母磷灰?guī)r、細(xì)粒磷灰?guī)r、鈣質(zhì)云母片巖、白云二長片麻巖,為上含礦層位,與上覆第四段呈整合接觸,平均厚度102 m。

(3) 云臺組下段第一層(Pt2-3hay1-1):分布于礦區(qū)東部,為白云斜長石片麻巖。巖層走向10°～18°,傾角100°～108°,傾角44°～45°,厚度大于168 m,未見底。

2 采空區(qū)破壞形式及支護(hù)方式

2.1 采空區(qū)破壞形式

連云港新浦磷礦地下采空區(qū)分布在-440～-120 m,每隔40 m為一層礦房。近年來在-280 m、-240 m、-200 m、-160 m礦區(qū)中段采用爆力搬運礦房法采礦,同時將頂?shù)字臑榇怪痹O(shè)計,在提高了開采率的同時,也增加了礦區(qū)塌陷的風(fēng)險。

由于地下開采區(qū)的支護(hù)方式為房柱支護(hù),在深度較大的地下,采空區(qū)的頂板不足以支撐上方巖體的壓力,從而產(chǎn)生變形進(jìn)一步發(fā)生塌陷。采空區(qū)頂板的破壞模式主要有整體坍塌、筒冒型冒落和拱冒型冒落3種[3],如圖1所示。

圖1 采空區(qū)頂板破壞模式Fig.1 Failure mode diagram of goaf roof

當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定范圍時,頂板沿空區(qū)壁切落直達(dá)地表,發(fā)生整體坍塌,其特征是冒落面積大,冒頂時間短,冒落形狀呈漏斗形,冒落后的地面出現(xiàn)縱橫交錯的張裂縫。當(dāng)采場達(dá)到一定跨度時,會出現(xiàn)采場覆巖直達(dá)地表的筒狀冒落,其特點是冒落時間短,局限于單個采場內(nèi)。拱冒型,即頂板冒落后形成拱形空間,其特征是分層分次冒落,延續(xù)時間長,拱的四周頂板懸臂,中部冒落高度大,但空頂面積小。

礦房回采后,留下間斷的礦柱支撐空區(qū)頂板,隨著時間的推移,礦柱在上覆垂直荷載的作用下,可能發(fā)生失穩(wěn)破壞,從而引起頂板冒落。礦柱的破壞模式主要有3種[4],具體形式如圖2所示。

① 剪切破壞。這種破壞形式相當(dāng)于巖石在壓力機(jī)上加載所產(chǎn)生的對頂錘破壞形式。它是由于礦柱所受的壓力超過其極限強(qiáng)度時,頂?shù)装迮c礦柱的受壓面上存在較大摩擦力而出現(xiàn)的一種特殊的剪切破壞形式。

② 拉張破壞。由于礦層厚、采高大、礦柱寬高比小,受載后將產(chǎn)生橫向變形,嚴(yán)重時出現(xiàn)片幫而破壞的一種形式。

③ 拉剪破壞。由于礦柱塑性變形大,塑性區(qū)寬,兩側(cè)塑性區(qū)貫通而破壞的一種形式。

2.2 采空區(qū)支護(hù)方式

2016年,連云港新浦磷礦-200 m礦區(qū)中段及-120 m礦區(qū)中段發(fā)生了兩次較大的塌陷事故,塌陷坑深度約為12 m。

為防止采空區(qū)塌陷危害進(jìn)一步擴(kuò)大,采用鉆孔灌漿的方式對地下采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)。通過對地下采空區(qū)進(jìn)行灌漿,可以提高地下采空區(qū)整體強(qiáng)度,提高采空區(qū)內(nèi)部巖體完整性,對采空區(qū)的房柱及頂板起到加固支撐的作用。為比較地下采空區(qū)在不同灌漿率下的支護(hù)效果,建立三維模型并計算,分析不同灌漿率時地下采空區(qū)的變形情況。

3 采空區(qū)三維模型建立及計算結(jié)果分析

3.1 模型建立

模型建立選用ItascaD三維地質(zhì)建模軟件,三維模型坐標(biāo)系選用笛卡爾坐標(biāo)系,取正東方向為x軸正向,正北方向為y軸正向,豎直向上方向為z軸正向。模型東西方向長1 400 m,南北方向長1 200 m,面積為1.68 km2。

依據(jù)收集的資料跟現(xiàn)場鉆孔揭露,三維地質(zhì)模型共6類地層,由于底層巖體距離地下采空區(qū)距離較遠(yuǎn),對采空區(qū)數(shù)值模擬計算結(jié)果影響較小,故所建立的地層為采空區(qū)周圍的5層地層。采空區(qū)地下礦房按高度不同分層分布,由-440～-120 m每隔40 m高度為一層礦房。隨著深度的增加,地下礦房的數(shù)量及大小呈減小的趨勢。地層模型如圖3所示。

圖3 地層模型Fig.3 Stratigraphic model diagram

選取4個典型位置設(shè)置監(jiān)測點(見圖4),第1個監(jiān)測點位于-120 m礦房底部正上方,地下-90 m處,位移坐標(biāo)為(416,517,-90)。第2個監(jiān)測點位于-120 m礦房底部正上方,地下-10 m處,位移坐標(biāo)為(416,517,-10)。第3個監(jiān)測點位于-240 m礦房底部正上方,地下-210 m處,位移坐標(biāo)為(580,537,-210)。第4個監(jiān)測點位于-360 m礦房底部正上方,地下-330 m處,位移坐標(biāo)為(741,565,-330)。

圖4 監(jiān)測點位置Fig.4 Location map of monitoring points

3.2 巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

巖性是影響地下采空區(qū)變形的重要因素。同時,在三維數(shù)值模擬中,巖體參數(shù)的選取決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。通過收集到的采空區(qū)巖體巖性資料,在室內(nèi)巖石試驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合礦區(qū)實際情況以及相應(yīng)的試算結(jié)果,確定選用的地層巖體參數(shù)及結(jié)構(gòu)面參數(shù)分別如表1和表2所列。

表1 地層巖體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

依據(jù)上述建立出的三維模型圖以及巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù),通過3DEC軟件進(jìn)行計算。為模擬注漿前采空區(qū)的變形情況,各模型均先在未支護(hù)的條件下迭代6 000步,然后在空礦房條件、注漿充填率70%、注漿充填率80%、注漿充填率90%條件下迭代到12 000步。

(1) 未支護(hù)條件下結(jié)果分析 計算獲得未支護(hù)條件下迭代6 000步時的位移結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,地下礦房上部的位移量較大,而下層基巖的位移量較小。在緊鄰礦房上部向地表延伸的過程中,總位移逐漸減小,即礦房上部附近產(chǎn)生的位移最大,約為2.36 m,且最大位移值位于-160 m深度礦房的位置,與實際礦區(qū)內(nèi)發(fā)生塌陷的位置一致。

圖5 未支護(hù)條件迭代6 000步位移三維圖及剖面圖Fig.5 Iterated 6000-step displacement diagram without supported condition

當(dāng)未支護(hù)迭代6 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結(jié)果如圖6所示,編號2、3、4、5的結(jié)果曲線分別代表1、2、3、4號監(jiān)測點位移,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,最終位移結(jié)果不同。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.12 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.7 m。圖6還表明采空區(qū)模型計算過程中一直在發(fā)生沉降位移,未達(dá)到平衡。

圖6 未支護(hù)條件迭代6 000步位移監(jiān)測圖Fig.6 Iterative 6 000-step displacement monitoring diagram without suppored condition

(2) 空礦房條件下結(jié)果分析 計算得到采空區(qū)未充填時迭代12 000步的位移圖,如圖7所示。

圖7 空礦房條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.7 Iterative 12 000-step displacement diagram under the empty mine room condition

由圖7可知,迭代至12 000步后,采空區(qū)的位移主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達(dá)11 m。地表處發(fā)生位移的形狀呈現(xiàn)出橢圓形,位移數(shù)值從中間向兩邊逐漸減小,地表處最大位移約8 m,發(fā)生在-160 m礦房上方。由于該次模擬并未采用灌漿支護(hù),相較于運行6 000步的模型,接近礦房上層的部位最大位移值增大了接近8 m,說明在未進(jìn)行支護(hù)的條件下,采空區(qū)塌陷情況會更加嚴(yán)重。

當(dāng)空礦房迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,都達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為7.8 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為6.3 m。圖8還表明采空區(qū)模型計算過程中一直在發(fā)生沉降位移,直至模型達(dá)到平衡。

圖8 空礦房條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.8 Iterative 12000-step displacement monitoring diagram under the empty mine room condition

(3) 注漿充填率70%條件下結(jié)果分析 計算得到采空區(qū)注漿率70%時迭代12 000步的位移圖,如圖9所示。

由圖9可知,迭代至12 000步至模型達(dá)到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移依舊主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達(dá)3.28 m,與空礦房條件下迭代計算至6 000步后的總位移相比,僅增加8 cm。與空礦房條件下迭代計算至12 000步后的總位移相比,位移增加量明顯減少。

圖9 注漿70%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.9 Iteration 12000-step displacement diagram under 70% grouting condition

當(dāng)注漿70%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,4個監(jiān)測點都達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),在6 000步時進(jìn)行注漿充填之后,4個監(jiān)測點的位移曲線的斜率明顯變小,并很快達(dá)到了穩(wěn)定,最終位移也較6 000步時增加很小。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.2 m,相較于空礦房模型,位移減少5.6 m。2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.8 m,相較于空礦房模型,位移減少4.5 m。灌漿對礦房的支護(hù)效果很明顯。

圖10 注漿70%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.10 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 70% grouting condition

(4) 注漿充填率80%條件下結(jié)果分析 計算得到采空區(qū)注漿率80%時迭代12 000步的位移,如圖11所示。

由圖11可知,迭代至12 000步至模型達(dá)到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達(dá)3.25 m,比注漿充填率為70%時產(chǎn)生的最大位移減少了約3 cm。當(dāng)注漿80%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結(jié)果如圖12所示。與灌漿率70%類似,在運行6 000步后進(jìn)行灌漿支護(hù),模型的位移增大速率迅速減小,且很快達(dá)到平衡。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.1 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約1.7 m。相較于灌漿率70%時,位移減少0.1 m,位移變化不大。

圖11 注漿80%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.11 Iteration 12 000-step displacement diagram under 80% grouting condition

圖12 注漿80%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.12 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 80% grouting condition

(5) 注漿充填率90%條件下結(jié)果分析 計算得到采空區(qū)注漿率90%迭代12 000步時的位移,如圖13所示。

由圖13可知,迭代12 000步至模型達(dá)到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移依舊主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達(dá)3.24 m,與注漿充填率為80%時產(chǎn)生的最大位移僅僅相差0.01 m。

圖13 注漿90%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.13 Iteration 12 000-step displacement map under 90% grouting condition

當(dāng)注漿90%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結(jié)果如圖14所示。由圖14可知,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.1 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.7 m。與灌漿率80%相比,監(jiān)測點的位移變化極小。

圖14 注漿90%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.14 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 90% grouting condition

利用3DEC軟件建立采空區(qū)模型,模擬計算連云港地下采空區(qū)在空礦房條件下計算至模型穩(wěn)定、空礦房條件下計算至6 000步以及注漿充填率分別為70%、80%和90%條件下計算至模型達(dá)到穩(wěn)定后的狀態(tài),最終得到相應(yīng)的模型位移變形結(jié)果,如表3所列。

表3 礦房各充填條件下位移計算結(jié)果

4 結(jié)論

通過收集連云港新浦磷礦地下采空區(qū)數(shù)據(jù)資料,運用ItascaD軟件建立地下采空區(qū)三維地質(zhì)模型,并通過三維離散元軟件3DEC計算分析,獲得結(jié)果如下:

(1) 空礦房未注漿條件下模型的最終位移達(dá)到11 m,與已經(jīng)發(fā)生的采空區(qū)塌陷深度大致相同,說明新建模型在空礦房條件下與實際情況較為相似,有足夠的參考價值。

(2) 與空礦房未注漿條件下的模型對比,注漿70%、80%和90%條件下的模型最大位移量明顯減小,說明鉆孔灌漿對地下采空區(qū)的支護(hù)效果明顯。

(3) 對比4種不同注漿充填率的模型位移計算結(jié)果,注漿充填率越大,最終位移越小,加固效果越好;而灌漿率達(dá)到80%以后,模型最大位移量變化不到1 cm。從支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮,在對地下采空區(qū)進(jìn)行灌漿支護(hù)時,灌漿率為80%即可達(dá)到較好的支護(hù)效果,且更經(jīng)濟(jì)。故建議對地下采空區(qū)進(jìn)行灌漿支護(hù)時采用80%的灌漿率。