王從云

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院 安徽馬鞍山 243041)

1 概述

江西某金礦原為露天開采，露天采坑閉坑前，開始坑采開拓工作，但企業(yè)經(jīng)多次資產(chǎn)整合，沒有及時(shí)開展深部探礦工作，隨著露天采坑閉坑，地下采礦也停產(chǎn)，直至2012年完成了原有礦權(quán)范內(nèi)深部探礦工作，并啟動(dòng)地下深部開采可行性研究。根據(jù)可行性研究報(bào)告采用地下開采方式，向上水平分層膠結(jié)充填采礦方法，采選規(guī)模為8萬t/a。礦床階段設(shè)計(jì)開采順序?yàn)椋涸谕凰絻?nèi)按照由上盤礦體到下盤礦體開采順序。中段開采順序?yàn)樽陨现卸蔚较轮卸巍Ｏ噜彽V體之間先開采上一層礦體而后開采下一層礦體。在同一中段水平上自側(cè)翼風(fēng)井向明斜井由遠(yuǎn)及近后退式回采；共設(shè)置-80 m、-125 m、-180 m 三個(gè)中段，首采中段為-125 m中段。隨著城市的外擴(kuò)，在緊靠露天采場(chǎng)南部邊坡已建有一座小學(xué)，邊坡坡頂眉線至教學(xué)樓最近距離僅20 m；因而如何保證露天邊坡和地表構(gòu)筑物安全，是該金礦地下恢復(fù)開采的關(guān)鍵。

在金屬礦床地下開采中，我們將未開挖的巖體或不受開挖影響的巖體稱為原巖體。原巖體受原生應(yīng)力場(chǎng)的作用，原生應(yīng)力場(chǎng)與上覆巖層的重量以及區(qū)域構(gòu)造力有關(guān)。巖體被開挖后，破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，巖體中的應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生了次生應(yīng)力場(chǎng)，使巷道或采場(chǎng)周圍的巖體發(fā)生變形、移動(dòng)和破壞，這種現(xiàn)象稱為地壓顯現(xiàn)。

礦山開采的巖石力學(xué)問題重點(diǎn)是采掘空間圍巖控制、地表沉陷控制及巖層運(yùn)動(dòng)與礦山壓力所伴生的災(zāi)害的控制，其工程特點(diǎn)是采場(chǎng)不斷推進(jìn)，巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷變化，圍巖中的應(yīng)力分析狀態(tài)不斷調(diào)整，因而開挖過程的研究實(shí)質(zhì)必須是動(dòng)態(tài)過程的研究。充分考慮巖體力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性及其在采動(dòng)影響下破裂失穩(wěn)過程的動(dòng)態(tài)研究，是我國(guó)目前采礦科學(xué)定量決策的必然要求和基礎(chǔ)；而數(shù)值模擬計(jì)算方法不僅能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性，也可很方便地分析各種邊值問題和施工過程，并對(duì)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。因此，巖石力學(xué)數(shù)值分析方法是解決巖土工程問題的有效工具之一。

2 數(shù)值模型建立

巖土工程定量分析的可靠性在很大程度上取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確建立和計(jì)算參數(shù)的精確選取。同樣數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠程度與巖體力學(xué)參數(shù)、原巖應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)類型、計(jì)算域的結(jié)構(gòu)效應(yīng)及其開挖、加載等約束條件有極為密切的關(guān)系?？梢姅?shù)值分析的可靠性在很大程度上決定于對(duì)工程地質(zhì)條件的掌握、正確的理解和合理的概化。根據(jù)該金礦露采邊坡和井下-80 m以上已存在采空區(qū)，以及-80 m以下礦體的賦存環(huán)境及賦存狀態(tài)、礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面分布狀況,深部礦體開采方式、首采中段、充填料的配比和強(qiáng)度，綜合考慮開采引起的應(yīng)力應(yīng)變可能造成露天邊坡的失穩(wěn)和地表建筑物，特別是小學(xué)教學(xué)樓的安全影響，選擇具有代表的10號(hào)地質(zhì)勘探線剖面，建立數(shù)值計(jì)算的地質(zhì)模型和數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)露天、井下工程地質(zhì)調(diào)查和巖石室內(nèi)試驗(yàn)綜合確定巖體參數(shù)，結(jié)合深部開采方法，全過程模型礦體開挖和充填，充分獲得空區(qū)、邊坡及地表的應(yīng)力應(yīng)變、沉降數(shù)值，綜合分析判斷深部開采對(duì)邊坡和地表建筑物的安全影響。

3 巖體參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)勘探資料、區(qū)域內(nèi)巖層分布圖及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究區(qū)段內(nèi)礦巖體賦存環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，圍巖種類較多，主要是砂巖類、灰?guī)r類、閃長(zhǎng)玢巖類等，各類巖體看成均質(zhì)連續(xù)的彈塑性體。巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1，同時(shí)全尾膠結(jié)充填料的力學(xué)參數(shù)因無試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參照類似工程進(jìn)行全尾砂膠結(jié)料配比試驗(yàn)，但其28天單軸抗壓強(qiáng)度不低于2 MPa。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

4 邊界條件和屈服條件的確定

由于已經(jīng)考慮了空區(qū)對(duì)圍巖的影響，故對(duì)模型無明顯影響的左、右邊界約束水平X向位移；底部邊界約束水平X、Y向位移；頂面(地面)為自由面。由于沒有初始地應(yīng)力的實(shí)際原位測(cè)試資料，根據(jù)數(shù)值分析的特點(diǎn)與目的，加之研究區(qū)內(nèi)采場(chǎng)頂板離地表較近，因此本次模擬計(jì)算中初始地應(yīng)力場(chǎng)僅按巖體自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，即垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算，水平應(yīng)力按泊松效應(yīng)計(jì)算。

強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系,并選取大變形計(jì)算模式。

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ

上式中:σ1,σ3分別是最大和最小主應(yīng)力,c,φ分別為巖體的粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs<0時(shí),巖體將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)材料達(dá)到屈服極限后，在穩(wěn)定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度，巖體將發(fā)生拉伸破壞。

5 模擬計(jì)算過程

5.1 計(jì)算步驟及初試應(yīng)力場(chǎng)的形成

數(shù)值計(jì)算采用模擬-50 m--80 m礦體的開采，然后再進(jìn)行空區(qū)的膠結(jié)充填。至于-80 m以下礦體的開采，首采中段為-125 m,數(shù)值模擬采用采高5 m，充填高度5 m、中段頂柱6 m的方式進(jìn)行，采充完本中段后再進(jìn)行-155 m中段的開采和充填，方法同上。由于10號(hào)線主要礦體Ⅰ、Ⅴ號(hào)礦體最大賦存標(biāo)高-132 m,共分為9個(gè)水平分層來進(jìn)行開采充填模擬。

模擬計(jì)算首先讓模型在自重應(yīng)力作用下平衡且達(dá)到穩(wěn)定,建立背景初始自重應(yīng)力場(chǎng)。在此條件下形成的初始自重應(yīng)力場(chǎng)最大、最小主應(yīng)力云圖。

然后清除歷史上自重(初始應(yīng)力)作用造成的位移,再按照實(shí)際開采的順序，每一循環(huán)模擬一次開采步驟，考慮到數(shù)值模擬計(jì)算的特點(diǎn)和目標(biāo)，本次計(jì)算中模擬開采步驟是同一個(gè)分層都是一次性開挖，再一次性充填至分層高度。其中計(jì)算程序模擬開采是在前一計(jì)算步驟應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，并施加開采釋放荷載，求解開采后的應(yīng)力場(chǎng)。

5.2 模擬計(jì)算結(jié)果

模擬計(jì)算得到了所分析計(jì)算區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、最大及最小主應(yīng)力場(chǎng)、設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移等，由于模擬結(jié)果圖件較多，因此以下僅顯示初始開挖和各中段部分分層開采和充填完成時(shí)模擬計(jì)算結(jié)果的部分典型圖件。

6 模擬計(jì)算結(jié)果分析

從應(yīng)力云圖可見，主應(yīng)力在采場(chǎng)四周均呈拱形分布，隨著采場(chǎng)大小的變化，在頂?shù)装骞战遣课挥幸欢ǖ膽?yīng)力集中,在采場(chǎng)兩側(cè)中部(圍巖)均存在一定的壓應(yīng)力集中，且開采深度越大集中越明顯，深部最大主應(yīng)力值出現(xiàn)在-125 m中段第一分層開采后，最大值為4 MPa，可能出現(xiàn)局部頂板巖石受壓破壞現(xiàn)象；最小主應(yīng)力為0，未出現(xiàn)巖石抗拉破壞現(xiàn)象，空區(qū)整體較穩(wěn)定。在進(jìn)行膠結(jié)充填后應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減小或消失，在開采和充填過程中地表和露天采場(chǎng)邊坡未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，有利于邊坡和地表建構(gòu)筑物的穩(wěn)定。

圖3 -80--50 m開采時(shí)10線地表測(cè)節(jié)點(diǎn)(南側(cè)邊坡)位移圖

圖6 第九分層開采時(shí)10線地表測(cè)節(jié)點(diǎn)(南側(cè)邊坡)位移圖

從位移云圖可見，在整個(gè)開采和充填過程中，X向(水平方向)位移值較小，在地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖形可知X向位移由邊坡角至邊坡頂方向逐漸減小，未出現(xiàn)明顯突變現(xiàn)象，X方向位移最大值為0.0065 m,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向最大值為0.00124 m。Y向(豎直方向)位移值比X方向大，在地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖形可知Y向位移由邊坡腳至邊坡頂方向逐漸減小，未出現(xiàn)明顯突變現(xiàn)象，Y方向位移最大值為-0.016 m,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y方向最大值為-0.00319 m?？傮w上位移分布較為均勻，未出現(xiàn)較大的位移差，有利于地表建構(gòu)筑物的穩(wěn)定。

根據(jù)深部開采的模擬過程，計(jì)算-80--50 m中段開采充填后、-125中段開采充填結(jié)束后地表(南部)位移和變形值如表2所示。

表2 10線建筑物位移及變形值

該線附近均為Ⅱ級(jí)建構(gòu)筑物，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算兩個(gè)開采充填階段的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜、曲率、水平變形均小于變形允許值。因此10線深部開采對(duì)附近地表建筑物影響很小，是在規(guī)范允許的范圍。

7 結(jié)束語(yǔ)

本次數(shù)值分析是在工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)巖體節(jié)理裂隙調(diào)查與統(tǒng)計(jì)、室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試及力學(xué)參數(shù)工程處理的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該金礦深部的采場(chǎng)圍巖及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來看，采用膠結(jié)充填法進(jìn)行深部開采不會(huì)引起露天邊坡的滑坡而導(dǎo)致地表建筑物的危害，但數(shù)值模擬分析是建立在一定的約束條件和假設(shè)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可能存在一定的差別，因此實(shí)際生產(chǎn)中要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。