復(fù)雜條件下不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落時空演化特征研究

任鳳玉 張 晶 何榮興 李廣輝 鄒開華

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819)

采空區(qū)圍巖冒落一直是采礦工程領(lǐng)域的研究熱點之一，其一方面威脅礦山生產(chǎn)安全，需采取必要的安全措施進行防護[1-3];另一方面可通過優(yōu)化采礦工藝等手段來處理礦山安全危害，如誘導(dǎo)冒落法[4-6]，借助相應(yīng)冒落控制工程誘導(dǎo)采空區(qū)頂板冒落[7]，并輔以一定的安全措施[8-9]，可保障礦山安全生產(chǎn)，同時創(chuàng)造較為可觀的經(jīng)濟效益，故針對采空區(qū)圍巖冒落的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前，針對空區(qū)圍巖冒落的研究成果主要集中在規(guī)則空區(qū)頂板巖層的斷裂、失穩(wěn)及垮冒等的動態(tài)演化過程，且空區(qū)圍巖巖性大多較為單一。復(fù)雜條件下不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落較為特殊，空區(qū)的不規(guī)則性，尤其是具有一定傾角的不規(guī)則空區(qū)，極易誘導(dǎo)空區(qū)圍巖橫向冒落，其冒落方向不再局限于頂板冒落?？諈^(qū)圍巖冒落的研究方法大致可分為理論模型、物理試驗與數(shù)值模擬3類。冒落拱力學(xué)模型[10-12]可得到采空區(qū)臨界冒落跨度與冒落高度的關(guān)系式，進而預(yù)測采空區(qū)圍巖冒落范圍，但不適用于研究不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落的時空演化特征。物理試驗[13-15]可較好地貼近現(xiàn)場實際，但該方法耗時較長，且成本較高。隨著數(shù)值模擬軟件的更新?lián)Q代，多數(shù)學(xué)者利用離散元數(shù)值模擬來研究空區(qū)圍巖冒落的動態(tài)演化特征。楊忠平等[16]以“8·28普灑特大崩滑災(zāi)害”為工程背景，基于UDEC研究了采動作用下巖溶坡體冒落帶與裂隙帶的時空發(fā)展規(guī)律;潘俊鋒等[17]利用3DEC研究了采空區(qū)上覆頂板巖層分段垮落形態(tài)及采動圍巖中的巖層塊體垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力的動態(tài)演化特征。楊志超[18]利用3DEC研究了采空區(qū)裂隙巖體在開采前后冒落帶的變化規(guī)律;朱鵬瑞等[19]基于3DEC離散元方法研究了單組結(jié)構(gòu)面以及多組結(jié)構(gòu)面對采空區(qū)穩(wěn)定、塌落及滑移的影響;LANNUZZO等[20]基于3DEC研究了拱形砌體結(jié)構(gòu)大規(guī)模失穩(wěn)破壞機制，并提出大范圍的位移依賴于破壞機制與結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)兩方面。以上研究成果主要考慮了空區(qū)圍巖性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面及采動應(yīng)力等影響因素，但空區(qū)圍巖性質(zhì)較為單一，且多為規(guī)則空區(qū)開挖，忽略了空區(qū)自身形態(tài)對圍巖冒落的影響。

為研究復(fù)雜條件下不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落的時空演化特征，以石人溝鐵礦不規(guī)則、埋深大、規(guī)模大、且位于主要生產(chǎn)區(qū)域的M2主空區(qū)為例，提出集三維探測、三維建模與三維數(shù)值模擬于一體的不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落范圍預(yù)測方法，基于不規(guī)則形態(tài)特征與復(fù)雜的周邊地質(zhì)環(huán)境，利用離散元軟件3DEC研究周邊空區(qū)開挖形成的采動應(yīng)力影響下的M2主空區(qū)圍巖時空演化特征，得到該空區(qū)圍巖最大冒落范圍，并據(jù)此劃分石人溝鐵礦各生產(chǎn)水平的安全隔離區(qū)，確保M2主空區(qū)安全治理及其周邊礦體安全生產(chǎn)。

1 不規(guī)則M 2主空區(qū)形成特點

石人溝鐵礦為鞍山式磁鐵礦床，-60 m以下水平應(yīng)用分段鑿巖階段空場嗣后充填法開采。-210 m階段為礦山采礦權(quán)范圍內(nèi)最后一個階段，開采M2礦體期間因下部民采空區(qū)突然冒透-210m水平10#穿脈，隨后空區(qū)冒落高度與寬度不斷增大，并很快冒落至-165 m水平。由冒落形成的主空區(qū)，簡稱為M2主空區(qū)(高度120 m，沿礦體走向最大寬度約102 m，垂直走向最大寬度約98 m)，該空區(qū)埋深大、規(guī)模大、不規(guī)則且位于主要生產(chǎn)區(qū)域，同時其北側(cè)還分布4個非法盜采誘發(fā)的隱伏空區(qū)。

空區(qū)三維激光探測結(jié)果(圖1)顯示，已探測的采空區(qū)大小不等，且均為不規(guī)則采空區(qū)，其中M2主空區(qū)的高度和寬度最大，且不規(guī)則程度較大，主要表現(xiàn)為上寬下窄，且局部起伏面較多。鄰近M2主空區(qū)的多個采空區(qū)主要分布在M2主空區(qū)北側(cè)，為以示區(qū)別，M2主空區(qū)的周邊空區(qū)以所處穿脈命名。高度較大的周邊空區(qū)主要集中分布在7-1#～8-1#穿脈之間，其中8#穿脈盲采空區(qū)的高度最大。在-224 m水平，M2主空區(qū)出露一向北延伸的采空區(qū)(即9#穿脈采空區(qū))。該空區(qū)的高度及寬度均相對較小，但該空區(qū)在-224 m水平與M2主空區(qū)貫通，勢必會引導(dǎo)M2主空區(qū)圍巖的冒落方向。

圖1 空區(qū)三維激光探測結(jié)果Fig.1 3D laser detection results of goaf

不規(guī)則M2主空區(qū)形成條件的復(fù)雜性及周邊空區(qū)空間分布的不規(guī)律性，嚴重制約了主空區(qū)的安全治理及其周邊礦體安全生產(chǎn)。因M2主空區(qū)圍巖冒落特征較難表述，在不清楚M2主空區(qū)圍巖冒落范圍的前提下，石人溝鐵礦初步劃定的安全隔離區(qū)廢置了大量采準巷道和中深孔穿孔工程，同時極大縮減了可回采礦量，使該礦產(chǎn)能無法有效銜接。故有必要研究M2主空區(qū)圍巖冒落范圍，重新劃定各生產(chǎn)水平的安全隔離區(qū)，保障周邊礦體安全生產(chǎn)。

2 不規(guī)則M 2主空區(qū)圍巖冒落時空演化特征

為保障M2主空區(qū)安全治理與周邊礦體安全生產(chǎn)，本研究提出了集三維探測、三維建模與三維數(shù)值模擬于一體的不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落范圍預(yù)測方法，其對應(yīng)的技術(shù)流程如圖2所示。首先，利用三維激光掃描技術(shù)探測空區(qū)形態(tài)與位置分布;其次，基于三維探測結(jié)果，在Rhino軟件中利用復(fù)雜地層條件和空區(qū)最大不規(guī)則斷面建立三維數(shù)值模型;再通過3DEC研究周邊空區(qū)開挖形成的采動應(yīng)力影響下的M2主空區(qū)圍巖時空演化特征，得到空區(qū)圍巖最大冒落范圍;最后以空區(qū)水平截面半徑和橫向最大冒落范圍之和確定安全隔離區(qū)半徑，保障空區(qū)安全治理與周邊礦體安全生產(chǎn)。

圖2 不規(guī)則空區(qū)冒落范圍預(yù)測技術(shù)流程Fig.2 Technical flow of the prediction of irregular caving goaf

2.1 數(shù)值模型及力學(xué)參數(shù)

考慮M2主空區(qū)及其周邊空區(qū)不規(guī)則程度較大，空區(qū)模型以主空區(qū)最大斷面(圖1(b))為依據(jù)，按垂直于礦體走向的最大寬度進行拉伸。如圖3(a)和圖3(b)所示，數(shù)值模型尺寸(長×寬×高)為560 m×600 m×553 m，長度方向(x軸)為垂直礦體走向方向，寬度方向(y軸)為沿礦體走向方向，斷層產(chǎn)狀傾向為115°，傾角為 14°。0 m水平以上的礦體為露天轉(zhuǎn)地下遺留礦體;0～-60 m水平的礦帶因淺孔留礦法遺留大量采空區(qū)，且目前因采場封堵無法對該區(qū)域進行空區(qū)信息收集，數(shù)值模擬時，將其簡化為低于充填體力學(xué)性質(zhì)的松散巖體，命名為老窿空區(qū);介于兩條礦體之間的巖層稱為礦巖夾層;-60～-165 m水平的礦體已應(yīng)用分段空場嗣后充填采礦法開采，命名為充填體。

數(shù)值模型中巖體的力學(xué)模型采用莫爾-庫倫模型，結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型采用庫侖-滑移模型。模型進行數(shù)值計算的邊界條件為位移邊界條件:①模型左右邊界固定約束在x=0和y=560 m，限制y方向的速度;②前后邊界固定約束在y=-170m和y=430m，限制y方向速度;③底部邊界固定約束在z=-400 m為固定邊界;④頂部邊界為自由面，不施加約束。

巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示，礦體、上盤圍巖、下盤圍巖、礦巖夾層及充填體根據(jù)地質(zhì)條件、現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗獲取，老窿空區(qū)根據(jù)空區(qū)調(diào)查資料和模擬經(jīng)驗取值。如圖3(c)所示，結(jié)構(gòu)面可分為礦巖交界面和斷層兩類，其力學(xué)參數(shù)均結(jié)合礦山相關(guān)資料與模擬經(jīng)驗取值，數(shù)值模型中包含了結(jié)構(gòu)面彈性剛度及摩擦特性等，符合巖體的基本特征。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass physical and mechanical parameters

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of structural plane

圖3 基于Rhino構(gòu)建的3DEC數(shù)值模型Fig.3 3DEC numerical model established by Rhino

石人溝鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為簡單，周邊水系不發(fā)育，斷裂構(gòu)造多屬壓性斷裂，未形成地下水的良好循環(huán)通道，因此模型計算時不考慮孔隙水壓力?？諈^(qū)圍巖某一點的運動軌跡主要為水平方向的移動量與豎直方向的下沉量，水平方向的移動與水平構(gòu)造應(yīng)力方位大小等因素密切相關(guān)，其移動規(guī)律較為復(fù)雜多變，故本研究數(shù)值模型僅考慮自重應(yīng)力和采動應(yīng)力。模型在自重應(yīng)力作用下達到初始應(yīng)力平衡后進行開挖，空區(qū)開挖順序為:①M2主空區(qū)→②9#穿脈采空區(qū)→③8#穿脈采空區(qū)→④8#穿脈盲采空區(qū)→⑤7#穿脈采空區(qū)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不規(guī)則M2主空區(qū)規(guī)模較大，且同時貫穿多種巖層，按不同截面選取的數(shù)值模擬結(jié)果略有不同。為觀察按空區(qū)開挖順序得到的M2主空區(qū)圍巖的冒落及裂隙擴展情況，選擇法向方向為(1，0，0)且過坐標點(250，0，280)的截面(圖4)進行討論。由圖4可知:M2主空區(qū)冒落位置主要集中在頂板和北側(cè)圍巖，表明該空區(qū)將沿高度(z軸)和寬度(y軸)兩個方向同時擴大。

圖4 M 2主空區(qū)圍巖沿礦體走向方向的冒落及裂隙擴展Fig.4 Caving and fracture propagation of surrounding rock along orebody strike direction of M 2 main goaf

M2主空區(qū)開挖后(圖3(a))，在開挖擾動作用下，受結(jié)構(gòu)面、主空區(qū)形態(tài)及尺寸等因素影響，主空區(qū)圍巖裂隙相互貫通，貫通形成的巖塊在擠壓作用下未發(fā)生較大冒落。9#穿脈空區(qū)與M2主空區(qū)在-224 m水平處貫通，由圖4(b)可知，對主空區(qū)圍巖的冒落及裂隙發(fā)育影響較大，裂隙擴展邊界線以內(nèi)，裂隙相互貫穿形成裂縫，冒落巖塊基本脫離主空區(qū)圍巖。8#穿脈空區(qū)開挖后(圖4(c))，其開挖擾動對M2主空區(qū)圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)影響較大。在8#穿脈空區(qū)開挖的采動應(yīng)力作用下，伴隨原生裂隙擴展和新生裂隙發(fā)育，M2主空區(qū)頂板及北側(cè)圍巖出現(xiàn)大量巖塊冒落。由圖4(d)及圖3(e)可知，8#穿脈盲空區(qū)和7#穿脈空區(qū)開挖后，因兩者距離M2主空區(qū)較遠，其采動應(yīng)力對主空區(qū)圍巖影響較小，主空區(qū)冒落范圍及裂隙擴展邊界未發(fā)生明顯變化。

沿礦體走向方向M2主空區(qū)圍巖冒落規(guī)模最大的截面(圖 5)過點(280，0，280)，此處可見 9#穿脈空區(qū)與M2主空區(qū)貫通于-224 m水平，因空區(qū)的相互貫通極易引導(dǎo)圍巖冒落，使得M2主空區(qū)圍巖貫通處產(chǎn)生嚴重破壞。由圖5可知:M2主空區(qū)北側(cè)圍巖冒落范圍明顯大于南側(cè)圍巖，其與主空區(qū)下部圍巖的傾斜相關(guān)。主空區(qū)形態(tài)決定了北側(cè)圍巖屬于弱面，加之周邊空區(qū)全部分布在北側(cè)，更加劇了主空區(qū)北側(cè)圍巖的冒落，使得主空區(qū)沿礦體走向方向的跨度明顯增大。

圖5 M 2主空區(qū)側(cè)向圍巖最大冒落規(guī)模截面Fig.5 Section of maxim um caving scale of lateral surrounding rock in M 2 main goaf

M2主空區(qū)圍巖在開挖擾動作用下內(nèi)部應(yīng)力重新調(diào)整，受礦巖交界線及斷層的影響，調(diào)整后的應(yīng)力使周邊圍巖沿層面破壞或者超過自身強度而失穩(wěn)。M2主空區(qū)圍巖破壞后又形成新的應(yīng)力平衡，在不斷的應(yīng)力調(diào)整、空區(qū)開挖、圍巖失穩(wěn)的循環(huán)中，最終達到應(yīng)力平衡，使M2主空區(qū)周邊圍巖趨于穩(wěn)定。圖5顯示，在自重應(yīng)力和采動應(yīng)力影響下，M2主空區(qū)圍巖的冒落形態(tài)近似于拋物線拱形，在空區(qū)跨度不再變化的前提下，主空區(qū)圍巖可能趨近于此冒落拱形處于穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)統(tǒng)計，-165～-210 m之間各分段水平沿礦體走向方向M2主空區(qū)圍巖的最大冒落范圍如圖6所示。8#穿脈盲空區(qū)和7#穿脈空區(qū)開挖后不影響M2主空區(qū)圍巖冒落范圍。受開挖擾動及斷層影響，8#穿脈空區(qū)開挖結(jié)束后，-165～-210 m各分段水平沿礦體走向方向M2主空區(qū)圍巖的最大冒落范圍分別為48.31、41.23、36.75、45.32 m，其中-165 m水平M2主空區(qū)圍巖冒落范圍較大的原因與初始和最終的冒落拱形態(tài)相關(guān)，由圖5可知，-165 m水平冒落邊界實際位置位于其他分段水平之前。

圖6 M 2主空區(qū)側(cè)向圍巖最大冒落范圍Fig.6 Maximum caving range of the lateral surrounding rock of M 2 main goaf

3 安全隔離區(qū)劃定

對采空區(qū)上覆圍巖陷落危害的防治原則是圈定陷落范圍(可稱為安全隔離區(qū))并使之隔離，避免人員與設(shè)備遭遇陷落，安全隔離區(qū)可按各水平主空區(qū)圍巖橫向最大冒落范圍劃定。因-210 m水平以下不在采礦權(quán)范圍內(nèi)，只需針對-165～-210 m水平劃分安全隔離區(qū)。由M2主空區(qū)圍巖冒落時空演化特征可知，主空區(qū)圍巖在-165～-210 m各分段水平沿礦體走向方向的最大冒落范圍分別為 48.31、41.23、36.75、45.32 m。假設(shè)主空區(qū)上部最終冒落形態(tài)為橢球體，則在各水平的截面應(yīng)為圓形，所以安全隔離區(qū)應(yīng)為包含橫向最大冒落范圍的圓形區(qū)域，其半徑為各水平空區(qū)截面半徑與橫向最大冒落范圍之和，按此方法重新劃定的安全隔離區(qū)如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)水平的安全隔離區(qū)Fig.7 Safety isolation areas at the production levels

圖7所示的安全隔離區(qū)是為了保護空區(qū)邊壁穩(wěn)定性而設(shè)置的內(nèi)部不能開采的區(qū)域，隔離區(qū)北側(cè)礦體因周邊空區(qū)的隱伏性暫不開采，可待空區(qū)回填后開采，但隔離區(qū)南側(cè)礦體均可正常投入回采。

石人溝鐵礦在M2主空區(qū)形成初期，在未提前掌握M2主空區(qū)圍巖冒落規(guī)律的前提下，劃定的安全隔離區(qū)為:①-210 m水平所有區(qū)域;②-195 m水平11-2#穿脈以北M 1以及11-4#穿脈以北M 2所有區(qū)域;③-180 m水平9#～12#穿脈之間所有區(qū)域;④-165 m中段5#～13#穿脈之間所有區(qū)域。相較而言，本研究劃分的安全隔離區(qū)在各水平可采礦體范圍均有增加，如:①-210 m水平11#穿脈礦體以南均可開采;②-195 m水平10-4#穿脈以南礦體均可開采;③-180 m水平10-4#穿脈以南礦體均可開采;④-165 m中段10-2#穿脈以南礦體均可開采。增加可采礦量約 112.5 萬 t，且-180 m水平和-195 m水平部分采準巷道和中深孔穿孔工程均可利用，預(yù)計產(chǎn)能可達100萬t/a，相較原調(diào)整后的60萬t/a增效明顯，且井下回采工序可維持正常。

4 結(jié) 論

(1)不規(guī)則空區(qū)受限于巖性、斷層、節(jié)理、空區(qū)形態(tài)及周邊空區(qū)等復(fù)雜條件，其圍巖冒落特征難以進行深入分析。本研究提出了集三維探測、三維建模與三維數(shù)值模擬于一體的不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落范圍預(yù)測方法，可為類似不規(guī)則空區(qū)圍巖冒落特征分析提供一定的借鑒。

(2)石人溝鐵礦不規(guī)則M2主空區(qū)圍巖冒落時空演化分析顯示，M2主空區(qū)圍巖冒落活動在向上擴展的同時，也在沿礦體走向方向發(fā)展，北側(cè)圍巖受空區(qū)形態(tài)及周邊空區(qū)影響極易冒落，空區(qū)治理應(yīng)著重防治M2主空區(qū)側(cè)向圍巖的陷落危害。

(3)M2主空區(qū)的最大斷面位于沿礦體走向方向，基于此建立的3DEC數(shù)值模型，其數(shù)值計算結(jié)果可為M2主空區(qū)圍巖沿礦體走向方向的冒落特征分析提供依據(jù)，但不適用于研究M2主空區(qū)垂直走向方向的冒落特征，該部分將在后續(xù)工作中進行分析。