謝晉誼,者亞雷

(1.中礦建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325899;2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

采用空?qǐng)龇▽?duì)地下礦進(jìn)行開(kāi)采時(shí),由于采場(chǎng)以敞空形式存在,頂板冒落及覆巖大位移是其開(kāi)采過(guò)程中面臨的突出問(wèn)題[1-3].隨著開(kāi)采的進(jìn)行,上覆巖層在自身重力以及洞室開(kāi)挖后重新分布的構(gòu)造應(yīng)力作用下將會(huì)發(fā)生變形,當(dāng)采場(chǎng)無(wú)支護(hù)的空間尺寸超過(guò)一定規(guī)模時(shí),上覆巖層將不能維持自身的穩(wěn)定,頂板垮塌冒落[4].頂板大面積的垮落會(huì)誘發(fā)大量覆巖裂隙不可逆的擴(kuò)展及周圍巖體不均勻變形,導(dǎo)致一系列地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[5].圍巖大變形不僅會(huì)導(dǎo)致地表水沿裂隙不斷下滲,溶蝕圍巖使巖體強(qiáng)度降低,并且地表支撐物的受力及位移發(fā)生改變,根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,地表標(biāo)高將產(chǎn)生損失以補(bǔ)償?shù)叵驴臻g的變形,繼而也會(huì)引發(fā)地表下沉、構(gòu)筑物破壞等[6-9].因此,開(kāi)展空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采條件下,對(duì)上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律及應(yīng)力分布情況分析的研究是十分必要的.

本文依據(jù)某銅礦的地質(zhì)特征及礦體產(chǎn)狀,通過(guò)采用室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)及FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算兩種技術(shù)手段,研究空?qǐng)龇▽?duì)礦體開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層的應(yīng)力應(yīng)變特征,揭示采場(chǎng)的穩(wěn)定性以及地表的沉降變形規(guī)律.

1 礦體開(kāi)挖及監(jiān)測(cè)方案

為了研究礦體開(kāi)挖對(duì)地表可能產(chǎn)生的最大影響程度,選取礦體距離地表最近的典型剖面建立相似模型及數(shù)值模型.礦山地層劃分情況及礦體賦存特征如圖1所示,數(shù)據(jù)采集所布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、線位置如圖2所示.礦體頂部距離地表約60 m,礦體從標(biāo)高1 800 m向標(biāo)高1 700 m開(kāi)采,礦山實(shí)際分段高度20 m,對(duì)應(yīng)相似模型中的高度為0.1 m,數(shù)值模型按1∶1模擬礦山原型尺寸.試驗(yàn)時(shí)從上往下逐分段依次開(kāi)挖,每個(gè)開(kāi)挖階段均對(duì)相似模型和數(shù)值模型中的位移監(jiān)測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并對(duì)相似模型中頂板的垮落情況進(jìn)行觀察記錄.

圖1 礦體賦存地層

圖2 測(cè)線布置

2 相似模型構(gòu)建分析

室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)是研究地下開(kāi)采采場(chǎng)覆巖變形較為直觀的方法,基于礦山開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)客觀條件,以遵循相似理論為原則,對(duì)礦山實(shí)際的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一定比例的縮小,通過(guò)配比與原型物理力學(xué)參數(shù)相似的材料,構(gòu)建與實(shí)際開(kāi)采條件相似的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)礦山實(shí)際工程問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)研究.相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)可構(gòu)建的模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為2.5 m×0.3 m×1.5 m,本次試驗(yàn)幾何相似比確定為200,時(shí)間相似常數(shù)為14,容重相似常數(shù)為1.35,力學(xué)相似常數(shù)為270,變形相似常數(shù)為1.本次研究主要考慮礦巖體的容重、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等主要力學(xué)參數(shù)的相似性,根據(jù)相似常數(shù),理論計(jì)算相似材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 相似材料力學(xué)參數(shù)理論計(jì)算值

2.1 采場(chǎng)上覆巖層變形分析

為便于測(cè)量各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),全站儀坐標(biāo)系原點(diǎn)定義為(1 000,1 000,1 000),該坐標(biāo)系與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際坐標(biāo)和模型中模擬的標(biāo)高無(wú)直接關(guān)系,主要是利用該坐標(biāo)系作為參照測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),礦巖體變形量為各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移量,通過(guò)相似常數(shù)再換算為實(shí)際值.將開(kāi)挖前與開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及位移矢量繪制到三維空間中進(jìn)行圍巖變形規(guī)律分析,開(kāi)挖前測(cè)點(diǎn)原始坐標(biāo)如圖3所示.

圖3 未開(kāi)挖前測(cè)點(diǎn)原始坐標(biāo)

當(dāng)開(kāi)采第1,2分段后,上覆巖層所布置的3條位移監(jiān)測(cè)線移動(dòng)變形量較小,基本與測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)重合,說(shuō)明此時(shí)采場(chǎng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài),頂板能夠維持自身穩(wěn)定未出現(xiàn)明顯的彎曲變形.沿傾向繼續(xù)向下開(kāi)挖第3,4分段的礦體,空區(qū)上方的位移監(jiān)測(cè)線上布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與原始坐標(biāo)相比發(fā)生明顯的錯(cuò)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡表現(xiàn)為指向空區(qū)方向移動(dòng),開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)線與原始監(jiān)測(cè)線坐標(biāo)對(duì)比圖及矢量圖見(jiàn)圖4和圖5.這是由于頂板圍巖受自身重力及開(kāi)挖后重新分布的構(gòu)造應(yīng)力影響,隨著開(kāi)采的進(jìn)行,采空區(qū)暴露面積逐漸增大,此時(shí)頂板不能維持自身的穩(wěn)定,發(fā)生變形破壞.當(dāng)開(kāi)采至第4分段時(shí),不僅近采空區(qū)的監(jiān)測(cè)線發(fā)生較大的變形位移,而且距離地表較近的覆蓋層監(jiān)測(cè)線位移也達(dá)到0.2～0.6 m,將直接影響地表的生產(chǎn)安全.開(kāi)挖第5分段后,各條測(cè)線位移變形量增大,加劇地表安全隱患.

圖4 礦體第4分段開(kāi)采測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

圖5 礦體第4分段開(kāi)采測(cè)點(diǎn)位移矢量

2.2 模型開(kāi)挖頂板冒落情況

礦體依次沿傾向進(jìn)行開(kāi)采,開(kāi)挖過(guò)程如圖6所示.當(dāng)開(kāi)挖第1,2分段時(shí),采場(chǎng)上覆巖層未發(fā)生冒落;開(kāi)挖第3分段時(shí),由于頂板跨度增大,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)冒落,冒落高度換算成實(shí)際尺寸為12.5 m;開(kāi)挖第4分段時(shí),頂板發(fā)生大面積冒落并且向淺部巖層發(fā)展,冒落高度換算成實(shí)際尺寸為36.0 m;開(kāi)挖第5分段時(shí),頂板冒落面積繼續(xù)增大,冒落高度換算成實(shí)際尺寸為58.0 m,無(wú)法繼續(xù)開(kāi)采.

圖6 相似模型各分段開(kāi)采

3 數(shù)值模擬計(jì)算分析

為了使數(shù)值計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)結(jié)果具有可比性,FLAC3D數(shù)值模型的研究范圍、礦體開(kāi)采順序及分段高度與相似模型所對(duì)應(yīng)的原模型尺寸相同.

3.1 采場(chǎng)上覆巖層變形分析

數(shù)值模型礦體開(kāi)挖至第5分段結(jié)束后,空區(qū)上方布置的3條測(cè)線橫剖面位移云圖如圖7所示.

圖7 礦體第5分段開(kāi)采位移云圖

礦體開(kāi)挖至各分段時(shí),空區(qū)上方布置的3條測(cè)線上所產(chǎn)生的最大位移量趨勢(shì)圖如圖8所示.

圖8 礦體開(kāi)挖測(cè)線最大位移趨勢(shì)

從位移云圖及位移趨勢(shì)圖可以看出:3號(hào)測(cè)線,也就是礦體直接頂板的位移量比1、2號(hào)測(cè)線遠(yuǎn)離直接頂板的大,位移量最大值出現(xiàn)在1分段空區(qū)的正上方.開(kāi)挖第1,2分段后,采場(chǎng)頂板及圍巖位移量很小,不足1 cm,說(shuō)明此時(shí)礦體開(kāi)采對(duì)圍巖擾動(dòng)較小.當(dāng)開(kāi)挖至第4分段時(shí),數(shù)值模擬位移量突然增大至0.52 m,與相似模擬結(jié)果開(kāi)挖至第4分段位移范圍在0.2～0.6 m十分吻合.

3.2 采場(chǎng)上覆巖層應(yīng)力分析

隨著礦體的開(kāi)挖,暴露的采空區(qū)頂板屬于瞬態(tài)卸載過(guò)程,可能由原來(lái)的受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài),進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力.雖然拉應(yīng)力與壓應(yīng)力相比受力范圍以及數(shù)值均較小,但是巖體的破壞往往是由于較不利的拉應(yīng)力所導(dǎo)致,而非較高的壓應(yīng)力.礦體開(kāi)采時(shí)空區(qū)頂板圍巖拉應(yīng)力云圖如9所示.

圖9 礦體開(kāi)采3～5分段拉應(yīng)力云圖

礦體開(kāi)采至不同分段時(shí),圍巖拉應(yīng)力區(qū)域如圖10所示.

圖10 圍巖拉應(yīng)力范圍

當(dāng)?shù)V體開(kāi)采至第3,4,5分段時(shí),數(shù)值模擬應(yīng)力云圖中,采場(chǎng)中部頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力的圍巖高度分別為12.0,56.0,56.0 m;相似模型中礦體開(kāi)采至第3,4,5分段時(shí),頂板冒落高度分別為12.5,36.0,58.0 m.由此可知,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果頂板可能發(fā)生由拉應(yīng)力而導(dǎo)致破壞的區(qū)域與相似模擬開(kāi)挖后采場(chǎng)頂板冒落的范圍表現(xiàn)出較好的吻合性.

4 結(jié)論

1)數(shù)值模擬中頂板圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域,在室內(nèi)相似模型試驗(yàn)中變現(xiàn)為垮塌冒落,說(shuō)明礦體開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布,拉應(yīng)力的出現(xiàn)是導(dǎo)致頂板發(fā)生破壞的主要原因.

2)相似模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,兩者頂板冒落高度相差不多,開(kāi)挖過(guò)程中上覆巖層變化規(guī)律特征具有很好的一致性,兩者相互印證,共同說(shuō)明當(dāng)該礦山采用空?qǐng)龇▽?duì)礦體進(jìn)行開(kāi)采時(shí),采場(chǎng)高度應(yīng)小于60 m才能保證采空區(qū)和地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定.