白羊礦段采空區(qū)離散元穩(wěn)定性分析

田勝科

(蒙自礦冶有限責任公司，云南 蒙自 661100)

0 引 言

蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)白羊礦段采空區(qū)歷史悠久，形態(tài)復雜，為了避免復產后出現(xiàn)采空區(qū)災害，開展地壓控制及采空區(qū)穩(wěn)定性研究工作，有針對性的對原有空區(qū)采取必要的處理措施，同時為深部區(qū)段開采的地壓控制、礦床開采順序、頂板巖體的受控崩落以及地表沉降等方面提供建議，為后續(xù)生產中充分回收礦產資源及人員和設備的安全提供依據。

1 計算模型建立

該次所采用的計算模型，考慮蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)白羊礦段礦體的實際賦存條件、采空區(qū)與上部山體相互影響關系、頂板冒落程度，建立了礦體、圍巖和地表地形逼真的計算模型，所建模型見圖1。

圖1 白羊礦段離散元模型建立示意圖Fig.1 Modeling of the discrete element in Baiyang block

根據礦山礦體幾何形態(tài)、各巖性情況和山體的位置，模擬礦體回采后上部圍巖的冒落情況及是否會影響到地表。該次所采用的計算模型，考慮白羊礦段實際情況及所要解決的問題，建立所需要的計算模型，礦段內選取了一個代表性剖面進行模擬，模型采用與礦巖體傾角一致的單元，白羊礦段由于模擬范圍較大，采空區(qū)位置、斷層及離采空區(qū)較近的單元大小為3 m×3 m的結構單元，遠離采空區(qū)的單元大小為6 m×6 m的結構單元，計算模型單元劃分為37 647個，模擬單元劃分合理，不影響計算運行速度。

計算分析內容：第1步為巖體原始應力狀態(tài)再現(xiàn)；第2步開挖1 600 m以上礦體；第3步開挖1 600 m以下礦體。離散元可以給出圍巖冒落相應下沉變形和速度分布特征圖。

針對現(xiàn)有空區(qū)，對礦權范圍內的地表展開了詳細調查，建筑物附近未發(fā)現(xiàn)因采礦形成的裂縫、塌陷等地質隱患，房屋未見變形。該次離散元模型計算采用的各巖層和結構面力學參數(shù)指標，見表1。

表1 離散元分析采用的力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of the discrete element analysis

2 模擬結果分析

模擬第1步，將力學模型施加應力場和邊界約束，該步驟無任何開挖充填過程，巖體在應力作用下下被壓實固結，在整個模型中形成初始應力場，見圖2、圖3?；謴偷降V山巖體原始應力狀態(tài)，為后續(xù)開挖及分析奠定基礎。離散單元中最大不平衡力隨著計算時步的增加而逐漸趨于極小值，說明計算是收斂的，同時也表明體系最終達到了力平衡狀態(tài)。

圖2 原始模型模擬結果主應力分布圖Fig.2 Main stress distribution of the original modeling

圖3 原始模型模擬結果位移分布圖Fig.3 Displacement distribution of the original modeling

模擬第2步是在原始未開挖狀態(tài)基礎上將1 600 m以上礦體開采，從模擬結果位移及速度分布圖見圖4-6，白羊礦段1 600 m以上礦體開挖后，位移、速度方向均朝向采空區(qū)方向發(fā)展，符合開挖空區(qū)圍巖力學響應特征規(guī)律。礦體開采后大部分采空區(qū)相對穩(wěn)定，頂板有掉塊顯現(xiàn)；部分采空區(qū)由于暴露面積相對較大，上盤圍巖出現(xiàn)了一定冒落和垮塌，從塊體放大圖6可見，最大冒落高度約為21 m左右，且冒落范圍以外沒有出現(xiàn)明顯開裂和離層現(xiàn)象，說明白羊礦段1 600 m以上礦體開采后部分采空區(qū)頂板會發(fā)生一定的冒落和垮塌，但達到一定范圍后，空區(qū)會處于相對平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會繼續(xù)冒落。由于白羊礦段采空區(qū)冒落位置距地表位置>350 m，在不考慮其它擾動的前提下，白羊礦段1 600 m以上礦體開采對地表產生影響較小。

圖4 白羊礦段1 600 m以上礦體開采后模擬結果位移分布圖Fig.4 Displacement distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

圖5 白羊礦段1 600 m以上礦體開采后模擬結果速度分布圖Fig.5 Velocity distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

圖6 白羊礦段塊體放大圖Fig.6 Enlarged chunk in Baiyang block

模擬第3步是在第2步開挖的基礎上將白羊礦段1 600 m以下礦體開挖形成采空區(qū)，從模擬結果位移及速度分布圖7-9可見，1 600 m以下礦體開采后，大部分采空區(qū)沒有發(fā)生明顯變化，部分區(qū)域由于采空區(qū)暴露面積較大且上下對應，上盤圍巖出現(xiàn)了繼續(xù)冒落和垮塌現(xiàn)象，從塊體放大圖9可見，2個較大采空區(qū)的最大冒落高度分別為24 m、36 m，且冒落范圍以外沒有出現(xiàn)明顯開裂和離層現(xiàn)象，說明白羊礦段1 600 m以下礦體開采后部分采空區(qū)頂板會發(fā)生一定的冒落和垮塌，但達到一定范圍后，空區(qū)會處于相對平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會繼續(xù)冒落。由于白羊礦段出現(xiàn)采空區(qū)冒落的位置距地表較深(>350 m)，在不考慮其它擾動的前提下，白羊礦段1 600 m下部礦體開采也對地表產生影響較小。

圖7 白羊礦段1 600 m以下礦體開采后模擬結果位移分布圖Fig.7 Displacement distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

圖8 白羊礦段1 600 m以下礦體開采后模擬結果速度分布圖Fig.8 Velocity distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

圖9 白羊礦段塊體放大圖Fig.9 Enlarged chunk in Baiyang block

3 結 語

通過離散元軟件對白羊礦段不同開采深度上盤圍巖的冒落情況及對地表影響程度的模擬分析，可以得出以下結論：

(1)地下開采改變了圍巖周邊應力環(huán)境，對空區(qū)頂板上覆巖層產生了較大的開采擾動，離散元法模擬計算過程揭示了頂板冒落、垮塌和圍巖破壞擾動范圍等開采響應特征，模擬結果圖直觀形象，符合頂板巖層開挖卸荷力學響應規(guī)律，研究手段合理可行，對該礦山穩(wěn)定性評價比較科學。

(2)根據以上模擬分析揭示的巖層變形垮塌規(guī)律，白羊礦段現(xiàn)有采空區(qū)大部分處于穩(wěn)定狀態(tài)，少量采空區(qū)由于暴露面積較大且上下對應，上盤圍巖出現(xiàn)了繼續(xù)冒落和垮塌現(xiàn)象，從模擬分析情況看，采空區(qū)的最大冒落高度在24～36 m之間，主要集中在F3斷層附近，且冒落范圍外未出現(xiàn)明顯擾動開裂現(xiàn)象，說明該礦段會有局部采空區(qū)發(fā)生頂板冒落和垮塌的情景，但達到一定范圍后，空區(qū)會處于相對平衡狀態(tài)，在不受外力作用的情況下，不會繼續(xù)冒落；從分析結果看，白羊礦段出現(xiàn)采空區(qū)冒落的位置距地表較大(>350 m)，還有一定距離，在不考慮其它擾動的前提下，白羊礦段現(xiàn)有采空區(qū)對地表產生影響較小，同時還要做好現(xiàn)有采空區(qū)的充填治理。

(3)白羊礦段的礦體回采后地表沉降值無明顯變化，影響范圍也沒有擴張，說明白羊礦段回采對地表穩(wěn)定性幾乎無影響。

(4)根據現(xiàn)場調查結果，礦區(qū)內由于局部空區(qū)頂板暴露面積過大，空區(qū)連片使得頂板發(fā)生垮塌，但原空區(qū)周邊圍巖均較穩(wěn)定，未發(fā)生垮塌，說明垮塌范圍有限，局限于采場內，且由于大部分采場內留有礦柱，所以垮塌區(qū)周邊的圍巖整體是穩(wěn)定的，與離散元模擬分析一致。