礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖移動力學(xué)性質(zhì)變化數(shù)值模擬分析

石興國,韓永生,趙 斌

(烏海市萬企景華煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

礦山各種采礦活動遺留的采空區(qū)是阻礙礦山安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害源之一[1]。采空區(qū)易發(fā)生靜失穩(wěn)、山體塌陷、地表塌陷、邊坡滑坡，不僅造成大量人員傷亡，而且易形成礦渣流，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。因此，獲取準(zhǔn)確的礦山基巖信息，開展安全可視化仿真研究，可為礦山基巖穩(wěn)定性的研究提供真實(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)，也利于保障礦山安全生產(chǎn)活動。

靜態(tài)圍巖穩(wěn)定性的分析方法很多，露天煤礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖巖體的物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上受巖體形成和改造的各種地質(zhì)過程的控制，往往表現(xiàn)出非均質(zhì)性、不連續(xù)性、各向異性和多相地質(zhì)性質(zhì)[4]。在宏觀尺度上，不僅需要對靠點(diǎn)附近巖石系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，還需從巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手更有效。研究圍巖系統(tǒng)因停站失穩(wěn)而引起的圍巖破壞及其演化[5]，該過程通過數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)值分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)ΦV區(qū)的巖體進(jìn)行定性分析，而且所用模型所包含的圍巖類型更加詳細(xì)準(zhǔn)確，因此被廣泛使用。本文在分析典型露天煤礦采空區(qū)的技術(shù)條件和巖石動力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，利用有限元數(shù)值模擬軟件計算橫向周邊巖石運(yùn)動和多次開挖擾動影響的變化，揭示了更多信息以及水平光采擾動采區(qū)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。

1 采空區(qū)側(cè)向圍巖移動數(shù)值模擬

1.1 模型建立

在礦石開采過程中用于直接采煤或有用礦物提取的工作區(qū)域通常稱為靜止表面。一般而言，直接頂板在煤層正上方具有一層或多層性質(zhì)相似的巖石，通常由頁巖、砂頁巖或粉砂巖組成，具有一定的穩(wěn)定性。有學(xué)者將巖心層定義為煤礦層中具有厚硬巖層的巖層[6]。

在礦石開采過程中，難免會從巖石或礦體中挖出一些道路、鉆孔或塌方。這本身就是一個動態(tài)過程，不可避免地會導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的重新分配。周圍巖石或礦體的狀態(tài)，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性取決于礦石開采模型的范圍和單元劃分。如果擁有太復(fù)雜的模型以及太多的單元，則無法達(dá)到所需的精度。一般而言，取3～5倍的開挖范圍即可[7]。

主要建模工具使用3DMine三維礦業(yè)工程軟件，構(gòu)建包含礦區(qū)地表、柱狀、礦石和圍巖的三維模型，保存為STL文件格式，并與Comsol Multiphysics建立數(shù)據(jù)傳輸連接.。最后通過Comsol Multiphysics 軟件實(shí)現(xiàn)礦石開采過程的數(shù)值模擬。露天煤礦采空區(qū)礦體及圍巖數(shù)值計算模型長1 200 m、寬1 000 m、高330 m，邊界固定。

這種模擬對解決方案來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為它涉及大量的空洞、道路和?？奎c(diǎn)等，并且考慮到引入塑性構(gòu)造模型或損壞構(gòu)造模型，在常規(guī)計算機(jī)上根本無法實(shí)現(xiàn)。因此，本文對巖體破壞的準(zhǔn)則，采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可表示為：

σ1>σB(-σ3≤0.5σc)

(1)

(2)

式中：σ1為第1主應(yīng)力(拉伸為正，壓縮為負(fù))；σ3為第3主應(yīng)力；σB為單軸抗拉強(qiáng)度；σc為單軸抗壓強(qiáng)度；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

當(dāng)巖石的某一特定應(yīng)力分量超過斷裂強(qiáng)度時，并不一定會造成損傷，不宜以對錯來評價巖石。因此，評價基巖的穩(wěn)定性，需要一個科學(xué)的指標(biāo)，本文令風(fēng)險因子為K，式(3)的參考值越大，越危險。

當(dāng)K≥1時，默認(rèn)為采場失穩(wěn)。

(3)

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

巖石結(jié)構(gòu)對擋塊周圍基巖穩(wěn)定性的影響是導(dǎo)致墜落事故發(fā)生的主要影響因素之一。如果層狀巖體中含有構(gòu)成薄弱構(gòu)造面、斷層和破碎區(qū)、楔形節(jié)理面或其他不利組合的區(qū)域，則止擋的安全性和穩(wěn)定性較差。如果巖石頂板的暴露面積過大，頂板中心的拉應(yīng)力較大，則難免發(fā)生巖石斷裂。

結(jié)構(gòu)面坡度、軌道長度和間距組成巖石結(jié)構(gòu)面的主要參數(shù)，概率函數(shù)決定參數(shù)值的生成。為了對露天煤礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖移動進(jìn)行數(shù)值模擬，概率函數(shù)的形狀和參數(shù)首先需要確定。巖體宏觀動力參數(shù)選取的合理性受數(shù)值計算結(jié)果的影響；由于受制于現(xiàn)場條件和技術(shù)，力學(xué)參數(shù)的測試難度很大。

通用工程以巖體試件試驗為基礎(chǔ)，綜合考慮巖體的結(jié)構(gòu)影響和工程實(shí)踐[8]；采用現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗和室內(nèi)試驗等方法，對巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正，確定巖石的力學(xué)參數(shù)[9]。結(jié)果表明，巖石的力學(xué)參數(shù)降低了三分之一；巖石試件的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rocks

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力場演變特點(diǎn)分析

圖1 顯示了露天開采后的初始應(yīng)力場。

圖1 初始應(yīng)力場分布云圖Fig.1 Initial stress field distribution nephogram

由圖1可以看出，在露天礦轉(zhuǎn)入地下開采之前，露天礦邊坡比較穩(wěn)定，基巖極限承載力的應(yīng)力集中合理；在自重的作用下，壓應(yīng)力是主要應(yīng)力。

z向(垂直)應(yīng)力分布均勻，從表面向下逐漸增大，應(yīng)力場呈平行條狀分布，過于連續(xù)。大多數(shù)巖體的水平應(yīng)力小于豎向應(yīng)力，巖體處于剪應(yīng)力狀態(tài)，但極易造成剪應(yīng)力破壞，使巖體的坡腳和圍巖失去作用。坡度開闊，在主體的支撐下發(fā)生大面積牽引邊坡失穩(wěn)。

研究表明，露天煤礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖壁容易出現(xiàn)圍巖碎屑，安全生產(chǎn)需要對支護(hù)進(jìn)行加固；在巖體中發(fā)現(xiàn)了頂板和板坯周圍的巖體應(yīng)力。 0.018 MPa的上板周圍容易發(fā)生拉裂，導(dǎo)致死角和底部壓應(yīng)力非常小，巖體自由表面的增加減少了巖石的約束底板周圍的質(zhì)量并引起底板的一定程度的抬高。

2.2 充填體在不同充填強(qiáng)度下對圍巖影響

在開采一定深度的礦體時，通常會在開采過程中填充某種物質(zhì)。回填對圍巖的各個方向位移都有影響，最為顯著的是對豎向位移的作用[10]。該模擬方法將充填前后圍巖的應(yīng)力和位移變化與各種傾斜充填體的強(qiáng)度進(jìn)行比較。

運(yùn)用于數(shù)值模擬，應(yīng)變值代表圍巖受力。正應(yīng)變值表示巖體處于張緊和松弛狀態(tài)；負(fù)應(yīng)變值意味著巖體處于壓力和塑性狀態(tài)。無論是處于松弛狀態(tài)下的巖體，還是處于塑性狀態(tài)下的巖體，其都有很差的穩(wěn)定性。法向應(yīng)力峰值與填充強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同充填強(qiáng)度條件下的豎直應(yīng)力峰值Fig.2 Peak vertical stress under different filling strength

由圖2可以清楚地看到，隨著回填土強(qiáng)度的增加，圍巖的峰值法向應(yīng)力趨于降低。由此可知，隨著回填土強(qiáng)度的增加，有助于提高圍巖的穩(wěn)定性。

圖3顯示了圍巖的垂直位移受不同充填強(qiáng)度的作用云圖。

圖3 不同充填體強(qiáng)度時豎直位移變化Fig.3 The vertical displacement changes with different strength of fillers

由圖3可以看出，隨著回填土強(qiáng)度的增加，圍巖的豎向位移趨于減?。豁?shù)装遑Q向位移也減小，可見位移也減小，這有助于提高圍巖的穩(wěn)定性。但在實(shí)際的作業(yè)面，當(dāng)增加填料強(qiáng)度時，成本和技術(shù)難度也隨之增加；因此，在充填實(shí)際礦區(qū)時，可根據(jù)礦區(qū)的強(qiáng)度選擇合適的填料強(qiáng)度。

2.3 采空區(qū)側(cè)向煤體應(yīng)力及位移

圖4和圖5為采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布和位移曲線。計算坐標(biāo)對應(yīng)模型，x為0～45 m，縱軸為應(yīng)力位移值。

圖4 采空區(qū)側(cè)向煤體應(yīng)力曲線Fig.4 Lateral coal body stress curve of the goaf

圖5 采空區(qū)側(cè)向煤體位移曲線Fig.5 Lateral coal body displacement curve of the goaf

由圖4和圖5可知，最大應(yīng)變超過1 m，應(yīng)力降低區(qū)域在0～5 m, 峰值應(yīng)力距煤壁約11.5 m。有30 m左右的煤壁內(nèi)部應(yīng)力集中影響范圍， 超過3的峰值應(yīng)力集中因子。應(yīng)力拱的高度范圍為模型基部至基頂以上巖層約40 m，寬約20 m的應(yīng)力拱底部，向上逐漸變細(xì)，內(nèi)部形成巖石結(jié)構(gòu),應(yīng)力拱保護(hù)下方煤巖體的程度。

隨著直接頂板加厚，煤層上方約20 m處的礫巖砂巖形成了基礎(chǔ)頂板的磚石梁結(jié)構(gòu)，頂板斷裂線從直接頂板底部延伸至基頂，并向底部傾斜。在上部結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，低應(yīng)力區(qū)為30 m，從煤壁邊緣低應(yīng)力區(qū)到波紋板內(nèi)部。

3 結(jié)語

本試驗研究露天煤礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖移動數(shù)值模擬，對巖石參數(shù)取值難等問題進(jìn)行深入研究。地應(yīng)力環(huán)境和開采擾動引起的圍巖復(fù)雜反應(yīng)基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)證分析和數(shù)值分析，對露天煤礦采空區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究。本文的主要結(jié)論是：

(1)在露天煤礦群采空區(qū)側(cè)向圍巖移動中，應(yīng)力集中的前后煤壁圍巖附近造成巖石破碎，使采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力大大降低。在采礦作業(yè)中，應(yīng)增強(qiáng)作業(yè)控制力度和數(shù)據(jù)支持，確保生產(chǎn)作業(yè)安全；

(2)充填強(qiáng)度增加、豎向應(yīng)力降低、圍巖垂向位移表明充填強(qiáng)度增加有利于圍巖的穩(wěn)定性；

(3)超載坍塌引起的應(yīng)力集中有一定的作用范圍，所以路邊支座的砌體位置應(yīng)保持在工作面后方一定的距離，避免動壓對道路穩(wěn)定性的影響。該距離允許側(cè)面支撐在光空間方面避免上方巖石坍塌時的沖擊程度。