鐘屹巖,董夢龍,荀 蔭,麻玉山

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100)

地下礦藏開采后會造成地下巖體結構的破壞,并形成大量地下采空區(qū)。地下采空區(qū)的存在會導致地面塌陷、道路毀壞,甚至會威脅人們的生命安全。同時,地下采空區(qū)也會對當?shù)毓こ痰慕ㄔO造成影響。因此,對地下采空區(qū)的支護治理在工程建設中尤為重要。

近年來,我國對采空區(qū)的治理愈發(fā)重視,如劉海林等[1]對金屬及非金屬地下礦山采空區(qū)的治理技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了總結及展望;康慶濤等[2]采用數(shù)值模擬方法對大地精礦房柱采空區(qū)下應力分布特征進行研究;文獻[3-6]中對地下采空區(qū)頂板及礦柱進行分析,通過研究頂板及礦柱對采空區(qū)的影響,對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行評價;文獻[7-8]中對房柱式采空區(qū)的穩(wěn)定性進行研究并使用三維數(shù)值模擬方法進行分析,根據(jù)采空區(qū)房柱影響穩(wěn)定區(qū)下底板應力波動范圍確定了模擬地層采空區(qū)房柱集中應力工程影響深度;劉駿等[9]通過三維數(shù)值模擬對采空區(qū)地面場地穩(wěn)定性進行分析及評價,結合監(jiān)測數(shù)據(jù)確定采空區(qū)地面場地的現(xiàn)狀穩(wěn)定性,然后在采空區(qū)地表施加擬建公路特大橋梁荷載,分析施加荷載后采空區(qū)覆巖的應力和位移變化,進一步分析采空區(qū)地面場地的穩(wěn)定性;楊忠民等[10]采用塊體離散元軟件3DEC進行數(shù)值模擬,對節(jié)理巖體中隧道開挖后圍巖的應力變形狀態(tài)進行研究;文獻[11-12]中通過對大采深采空區(qū)的離散元及有限差分方法的數(shù)值模擬計算,研究大采深綜放開采條件下地表移動變形過程中上覆巖層的演化機理。

根據(jù)蔣仁勇[13]對連云港新浦磷礦采空區(qū)治理工藝研究,收集連云港新浦磷礦采空區(qū)的地質(zhì)資料,使用ItascaD軟件進行三維地質(zhì)建模。同時基于三維離散元軟件3DEC,對新浦磷礦地下采空區(qū)三維地質(zhì)模型進行數(shù)值模擬分析,著重考慮了地下采空區(qū)在無支護以及70%、80%、90%注漿支護下的位移變形特征,為采空區(qū)后期的支護提供依據(jù),并對類似的采空區(qū)灌漿支護工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

新浦磷礦采空區(qū)位于連云港市區(qū)北部,屬連云港市海州區(qū)管轄。具體位置位于大浦河以東,科技一路以西,310國道以南區(qū)域。屬海積平原地貌,地勢低平,地面標高2～3 m,用地現(xiàn)狀為農(nóng)田、民房、工業(yè)廠房及荒地[4]。

根據(jù)收集的資料跟現(xiàn)場鉆孔揭露,采空區(qū)下伏基巖地層為東海群朐山組、海洲群錦屏組和云臺組,現(xiàn)由老到新分述如下:

(1) 東海群朐山組(Pt1dhq)分布于礦區(qū)西部,為花崗質(zhì)混合片麻巖,巖層走向10°～18°,傾向100°～108°,傾角34°～46°,礦區(qū)內(nèi)厚度大于16 m,未見底。

(2) 海州群錦屏組(Pt2haj)分布于礦區(qū)中部,磷礦體存于該組中。地層由老到新分為4段:第一段(Pt2-3haj1):主要為含磷大理巖、磷灰?guī)r、云母石英片巖、炭質(zhì)石英片巖、云母片巖、片麻巖,巖體走向10°～15°,傾向100°～105°,傾角38°～42°,厚度24～53 m,與上覆第二段呈整合接觸。第二段(Pt2-3haj2):以白云二長片麻巖為主,次為云母微斜長石片麻巖夾鈣質(zhì)云母片巖、云母大理巖,巖層走向10°～15°,傾向100°～105°,傾角36°～46°,厚度81～193 m,與上覆第三段呈整合接觸。第三段(Pt2-3haj3):以云母大理巖為主,次為白云質(zhì)大理巖。云母白云質(zhì)大理巖,夾云母磷灰?guī)r、細粒磷灰?guī)r、鈣質(zhì)云母片巖、白云二長片麻巖,為上含礦層位,與上覆第四段呈整合接觸,平均厚度102 m。

(3) 云臺組下段第一層(Pt2-3hay1-1):分布于礦區(qū)東部,為白云斜長石片麻巖。巖層走向10°～18°,傾角100°～108°,傾角44°～45°,厚度大于168 m,未見底。

2 采空區(qū)破壞形式及支護方式

2.1 采空區(qū)破壞形式

連云港新浦磷礦地下采空區(qū)分布在-440～-120 m,每隔40 m為一層礦房。近年來在-280 m、-240 m、-200 m、-160 m礦區(qū)中段采用爆力搬運礦房法采礦,同時將頂?shù)字臑榇怪痹O計,在提高了開采率的同時,也增加了礦區(qū)塌陷的風險。

由于地下開采區(qū)的支護方式為房柱支護,在深度較大的地下,采空區(qū)的頂板不足以支撐上方巖體的壓力,從而產(chǎn)生變形進一步發(fā)生塌陷。采空區(qū)頂板的破壞模式主要有整體坍塌、筒冒型冒落和拱冒型冒落3種[3],如圖1所示。

圖1 采空區(qū)頂板破壞模式Fig.1 Failure mode diagram of goaf roof

當采空區(qū)面積達到一定范圍時,頂板沿空區(qū)壁切落直達地表,發(fā)生整體坍塌,其特征是冒落面積大,冒頂時間短,冒落形狀呈漏斗形,冒落后的地面出現(xiàn)縱橫交錯的張裂縫。當采場達到一定跨度時,會出現(xiàn)采場覆巖直達地表的筒狀冒落,其特點是冒落時間短,局限于單個采場內(nèi)。拱冒型,即頂板冒落后形成拱形空間,其特征是分層分次冒落,延續(xù)時間長,拱的四周頂板懸臂,中部冒落高度大,但空頂面積小。

礦房回采后,留下間斷的礦柱支撐空區(qū)頂板,隨著時間的推移,礦柱在上覆垂直荷載的作用下,可能發(fā)生失穩(wěn)破壞,從而引起頂板冒落。礦柱的破壞模式主要有3種[4],具體形式如圖2所示。

① 剪切破壞。這種破壞形式相當于巖石在壓力機上加載所產(chǎn)生的對頂錘破壞形式。它是由于礦柱所受的壓力超過其極限強度時,頂?shù)装迮c礦柱的受壓面上存在較大摩擦力而出現(xiàn)的一種特殊的剪切破壞形式。

② 拉張破壞。由于礦層厚、采高大、礦柱寬高比小,受載后將產(chǎn)生橫向變形,嚴重時出現(xiàn)片幫而破壞的一種形式。

③ 拉剪破壞。由于礦柱塑性變形大,塑性區(qū)寬,兩側塑性區(qū)貫通而破壞的一種形式。

2.2 采空區(qū)支護方式

2016年,連云港新浦磷礦-200 m礦區(qū)中段及-120 m礦區(qū)中段發(fā)生了兩次較大的塌陷事故,塌陷坑深度約為12 m。

為防止采空區(qū)塌陷危害進一步擴大,采用鉆孔灌漿的方式對地下采空區(qū)進行支護。通過對地下采空區(qū)進行灌漿,可以提高地下采空區(qū)整體強度,提高采空區(qū)內(nèi)部巖體完整性,對采空區(qū)的房柱及頂板起到加固支撐的作用。為比較地下采空區(qū)在不同灌漿率下的支護效果,建立三維模型并計算,分析不同灌漿率時地下采空區(qū)的變形情況。

3 采空區(qū)三維模型建立及計算結果分析

3.1 模型建立

模型建立選用ItascaD三維地質(zhì)建模軟件,三維模型坐標系選用笛卡爾坐標系,取正東方向為x軸正向,正北方向為y軸正向,豎直向上方向為z軸正向。模型東西方向長1 400 m,南北方向長1 200 m,面積為1.68 km2。

依據(jù)收集的資料跟現(xiàn)場鉆孔揭露,三維地質(zhì)模型共6類地層,由于底層巖體距離地下采空區(qū)距離較遠,對采空區(qū)數(shù)值模擬計算結果影響較小,故所建立的地層為采空區(qū)周圍的5層地層。采空區(qū)地下礦房按高度不同分層分布,由-440～-120 m每隔40 m高度為一層礦房。隨著深度的增加,地下礦房的數(shù)量及大小呈減小的趨勢。地層模型如圖3所示。

圖3 地層模型Fig.3 Stratigraphic model diagram

選取4個典型位置設置監(jiān)測點(見圖4),第1個監(jiān)測點位于-120 m礦房底部正上方,地下-90 m處,位移坐標為(416,517,-90)。第2個監(jiān)測點位于-120 m礦房底部正上方,地下-10 m處,位移坐標為(416,517,-10)。第3個監(jiān)測點位于-240 m礦房底部正上方,地下-210 m處,位移坐標為(580,537,-210)。第4個監(jiān)測點位于-360 m礦房底部正上方,地下-330 m處,位移坐標為(741,565,-330)。

圖4 監(jiān)測點位置Fig.4 Location map of monitoring points

3.2 巖體及結構面參數(shù)

巖性是影響地下采空區(qū)變形的重要因素。同時,在三維數(shù)值模擬中,巖體參數(shù)的選取決定了模擬結果的準確性和有效性。通過收集到的采空區(qū)巖體巖性資料,在室內(nèi)巖石試驗的基礎上,結合礦區(qū)實際情況以及相應的試算結果,確定選用的地層巖體參數(shù)及結構面參數(shù)分別如表1和表2所列。

表1 地層巖體參數(shù)

表2 結構面參數(shù)

3.3 計算結果分析

依據(jù)上述建立出的三維模型圖以及巖體和結構面參數(shù),通過3DEC軟件進行計算。為模擬注漿前采空區(qū)的變形情況,各模型均先在未支護的條件下迭代6 000步,然后在空礦房條件、注漿充填率70%、注漿充填率80%、注漿充填率90%條件下迭代到12 000步。

(1) 未支護條件下結果分析 計算獲得未支護條件下迭代6 000步時的位移結果如圖5所示。

由圖5可知,地下礦房上部的位移量較大,而下層基巖的位移量較小。在緊鄰礦房上部向地表延伸的過程中,總位移逐漸減小,即礦房上部附近產(chǎn)生的位移最大,約為2.36 m,且最大位移值位于-160 m深度礦房的位置,與實際礦區(qū)內(nèi)發(fā)生塌陷的位置一致。

圖5 未支護條件迭代6 000步位移三維圖及剖面圖Fig.5 Iterated 6000-step displacement diagram without supported condition

當未支護迭代6 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結果如圖6所示,編號2、3、4、5的結果曲線分別代表1、2、3、4號監(jiān)測點位移,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,最終位移結果不同。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.12 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.7 m。圖6還表明采空區(qū)模型計算過程中一直在發(fā)生沉降位移,未達到平衡。

圖6 未支護條件迭代6 000步位移監(jiān)測圖Fig.6 Iterative 6 000-step displacement monitoring diagram without suppored condition

(2) 空礦房條件下結果分析 計算得到采空區(qū)未充填時迭代12 000步的位移圖,如圖7所示。

圖7 空礦房條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.7 Iterative 12 000-step displacement diagram under the empty mine room condition

由圖7可知,迭代至12 000步后,采空區(qū)的位移主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達11 m。地表處發(fā)生位移的形狀呈現(xiàn)出橢圓形,位移數(shù)值從中間向兩邊逐漸減小,地表處最大位移約8 m,發(fā)生在-160 m礦房上方。由于該次模擬并未采用灌漿支護,相較于運行6 000步的模型,接近礦房上層的部位最大位移值增大了接近8 m,說明在未進行支護的條件下,采空區(qū)塌陷情況會更加嚴重。

當空礦房迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結果如圖8所示。由圖8可知,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,都達到了穩(wěn)定狀態(tài)。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為7.8 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為6.3 m。圖8還表明采空區(qū)模型計算過程中一直在發(fā)生沉降位移,直至模型達到平衡。

圖8 空礦房條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.8 Iterative 12000-step displacement monitoring diagram under the empty mine room condition

(3) 注漿充填率70%條件下結果分析 計算得到采空區(qū)注漿率70%時迭代12 000步的位移圖,如圖9所示。

由圖9可知,迭代至12 000步至模型達到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移依舊主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達3.28 m,與空礦房條件下迭代計算至6 000步后的總位移相比,僅增加8 cm。與空礦房條件下迭代計算至12 000步后的總位移相比,位移增加量明顯減少。

圖9 注漿70%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.9 Iteration 12000-step displacement diagram under 70% grouting condition

當注漿70%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結果如圖10所示。由圖10可知,4個監(jiān)測點都達到了穩(wěn)定狀態(tài),在6 000步時進行注漿充填之后,4個監(jiān)測點的位移曲線的斜率明顯變小,并很快達到了穩(wěn)定,最終位移也較6 000步時增加很小。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.2 m,相較于空礦房模型,位移減少5.6 m。2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.8 m,相較于空礦房模型,位移減少4.5 m。灌漿對礦房的支護效果很明顯。

圖10 注漿70%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.10 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 70% grouting condition

(4) 注漿充填率80%條件下結果分析 計算得到采空區(qū)注漿率80%時迭代12 000步的位移,如圖11所示。

由圖11可知,迭代至12 000步至模型達到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達3.25 m,比注漿充填率為70%時產(chǎn)生的最大位移減少了約3 cm。當注漿80%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結果如圖12所示。與灌漿率70%類似,在運行6 000步后進行灌漿支護,模型的位移增大速率迅速減小,且很快達到平衡。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.1 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約1.7 m。相較于灌漿率70%時,位移減少0.1 m,位移變化不大。

圖11 注漿80%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.11 Iteration 12 000-step displacement diagram under 80% grouting condition

圖12 注漿80%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.12 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 80% grouting condition

(5) 注漿充填率90%條件下結果分析 計算得到采空區(qū)注漿率90%迭代12 000步時的位移,如圖13所示。

由圖13可知,迭代12 000步至模型達到穩(wěn)定后,采空區(qū)的位移依舊主要發(fā)生在被挖空的礦房上方,最大位移達3.24 m,與注漿充填率為80%時產(chǎn)生的最大位移僅僅相差0.01 m。

圖13 注漿90%條件迭代12 000步位移三維圖及剖面圖Fig.13 Iteration 12 000-step displacement map under 90% grouting condition

當注漿90%迭代12 000步時,4個位移監(jiān)測點的計算結果如圖14所示。由圖14可知,4個監(jiān)測點的曲線形狀大致相似,均達到了穩(wěn)定狀態(tài)。1號監(jiān)測點的最終位移最大,約為2.1 m,2號監(jiān)測點的最終位移最小,約為1.7 m。與灌漿率80%相比,監(jiān)測點的位移變化極小。

圖14 注漿90%條件迭代12 000步位移監(jiān)測圖Fig.14 Iterative 12 000-step displacement monitoring diagram of 90% grouting condition

利用3DEC軟件建立采空區(qū)模型,模擬計算連云港地下采空區(qū)在空礦房條件下計算至模型穩(wěn)定、空礦房條件下計算至6 000步以及注漿充填率分別為70%、80%和90%條件下計算至模型達到穩(wěn)定后的狀態(tài),最終得到相應的模型位移變形結果,如表3所列。

表3 礦房各充填條件下位移計算結果

4 結論

通過收集連云港新浦磷礦地下采空區(qū)數(shù)據(jù)資料,運用ItascaD軟件建立地下采空區(qū)三維地質(zhì)模型,并通過三維離散元軟件3DEC計算分析,獲得結果如下:

(1) 空礦房未注漿條件下模型的最終位移達到11 m,與已經(jīng)發(fā)生的采空區(qū)塌陷深度大致相同,說明新建模型在空礦房條件下與實際情況較為相似,有足夠的參考價值。

(2) 與空礦房未注漿條件下的模型對比,注漿70%、80%和90%條件下的模型最大位移量明顯減小,說明鉆孔灌漿對地下采空區(qū)的支護效果明顯。

(3) 對比4種不同注漿充填率的模型位移計算結果,注漿充填率越大,最終位移越小,加固效果越好;而灌漿率達到80%以后,模型最大位移量變化不到1 cm。從支護效果和經(jīng)濟效益的角度考慮,在對地下采空區(qū)進行灌漿支護時,灌漿率為80%即可達到較好的支護效果,且更經(jīng)濟。故建議對地下采空區(qū)進行灌漿支護時采用80%的灌漿率。