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    考虑地下水因素的矿山顶板安全厚度数值模拟研究*

    时间:2022-12-10 09:45:08 来源:柠檬阅读网 本文已影响 柠檬阅读网手机站

    刘大金 ,闻磊,石召龙

    (1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050000;
    2.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 050043;
    3.石家庄铁道大学 工程力学系,河北 石家庄 050043)

    在地下矿体开采过程中,为实现矿产资源的安全开采,需要充分考虑矿体在回采过程中顶板岩层的预留厚度。矿体顶板受到下部矿体开采的影响,使地表容易出现塌陷坑或大幅度的不均匀沉降等不良现象,甚至会对地下水环境造成影响。因此,确保基岩顶板具有足够的厚度来保证回采后矿体围岩的整体稳定性至关重要。

    目前针对矿山顶板稳定性以及矿山顶板安全厚度的计算方法研究取得了一定进展。王悦青等[1]采用FLAC3D 软件模拟了某铜矿回采过程中的不同工况,发现开采深度是地压活动与采空区顶板、断层相互关系中的重要影响因素。徐恒等[2]利用尖点突变理论研究了采空区顶板失稳破坏的力学机制。曹定洋等[3]采用薄板模型以及尖点突变理论分析了某镍矿采场顶板稳定性的核心因素。胡洪旺等[4]采用Ressiner 厚板理论等其他弹性力学理论推导了顶板挠曲线及最大主应力公式。姜立春等[5]通过对某矿山的监测,结合相关力学理论研究了层状岩体顶板的破坏特征。张遂等[6]基于室内试验采用数值模拟方法分析了不同边界条件下矿体顶板的破坏规律。宋卫东等[7]基于矿山的位移观测点数据,揭示了无底柱分段崩落法开采时的顶板破坏及地表变形规律。谭宝会等[8]提出了“下部充填体散体冒落+上部充填体及覆岩整体陷落”的复合破坏模式,并结合数值模拟分析了矿山间柱失稳机理。池秀文等[9]采用能量释放理论针对多层矿体回采时的顶板稳定性问题进行了研究。巨未来等[10]利用流变力学理论结合Ressiner 厚板理论推导出了矿山顶板位移随时间的变化趋势。蒋斌松等[11]结合傅立叶积分变换方法,采用弹性地基梁计算模型对某矿山石灰岩质顶板稳定性进行了分析。冯吉成等[12]依据矿山现场实测数据,结合理论研究、数值模拟等方法针对某矿山巷道顶板软硬互层岩体结构稳定性进行了研究,提出了相应加固方法。

    目前,这些研究普遍采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法,充分考虑矿山岩体结构、岩体力学性质等因素对采场顶板稳定性进行分析,但结合地下水影响因素分析矿体顶板稳定性的研究较少。

    本文充分考虑地下水对矿山顶板围岩稳定性的影响,采用FLAC3D软件模拟矿区回采时围岩的地下水渗流场、位移场、应力场、塑性区分布等特征,最终获得采场顶板最小安全厚度。

    1.1 岩体力学参数选取

    矿山现场采取岩土体样本,采用室内试验的方法获取相关岩土体物理力学参数,结合Hoek-Brown得到围岩体力学指标,具体步骤如下。

    (1)通过室内试验并结合矿山以往岩石试验资料,获得每个岩组的力学参数。

    (2)根据室内岩组力学参数,依据每个工程地质分区特征,结合野外钻孔波速测试及钻孔岩土体特征定性描述,准确划分岩体级别。

    (3)依据室内试验、钻孔岩心描述、波速测试等资料,采用RMR 评分体系,按照工程地质分区对每个岩组进行岩体评分,以Hoek-Brown 准则为基础,结合岩体质量分级结果,综合确定围岩体力学参数。

    参照工程地质分区,依据上述方法获得本矿区每个岩组的岩体力学参数,见表1。按照矿山设计开采方案,充填体参数见表2。工程地质岩组为:第四系松散岩砂卵砾石亚岩组(I-1),第四系松散岩砂土黏性土亚岩组(I-2),强风化带亚岩组(Ⅱ-1),弱风化带亚岩组(Ⅱ-2),矿体完整性较好亚岩组(Ⅲ-1),矿体完整性较差亚岩组(Ⅲ-2),变质辉长辉绿岩岩组(Ⅳ),矿体围岩完整性较好亚岩组(V-1),矿体围岩完整性较差亚岩组(V-2),破碎带及蚀变岩岩组(Ⅵ)。

    表1 各岩组岩体力学参数值

    表2 井下充填体物理力学参数

    1.2 数值计算模型

    依据矿体空间分布特征、岩层结构面特征和矿山开采方案构建数值计算模型,模型范围为地表至-900 m 标高,x方向长1180 m,y方向长140 m。依据顶板按抗弯结构力学模型、矿体顶板按抗剪结构力学模型2 种解析法计算结果,该区域采场顶板按厚度35 m建立模型。建立的数值计算模型见图1,图1 中不同颜色代表不同的工程地质岩组。

    图1 数值计算模型

    每个工程地质模型经精细剖分后,模型网格分为24 698 个区和31 072 个节点,采用六面体单元划分模型。本构关系采用莫尔-库仑模型。典型剖分图见图2。

    图2 典型剖分图

    模拟矿山分步回采,获取了该区域内渗流速率图、位移等值线图、应力等值线图和塑性分布区图等。

    2.1 开挖状态下应力场分布特征

    开挖状态下应力场垂向分布特征见图3。由图3 可知,充填体底部周围出现了应力集中,z方向应力最大,达59.54 MPa。在顶板安全条件下开挖采场,顶板附近z方向应力最大值为20.00 MPa。其他区域应力由上至下越来越大,这是由于垂直方向的重力不断增大。在水岩耦合条件下,矿体底部采场间柱z方向应力最大值为41.74 MPa,主要集中在中间矿柱和充填体处,盘区间柱受力在30~35 MPa 之间,间柱与充填体比较稳定。

    图3 开挖状态下应力场垂向分布特征

    2.2 开挖状态下地下水渗流场分布特征

    本次模拟充分考虑地下水对地下围岩稳定性的影响,通过应力场与渗流场的藕合,计算出开挖状态下的渗流场矢量分布,如图4 所示。开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动,从图4 可发现,由于第四系底部黏土层、强风化带、弱风化带透水性弱,很大程度减弱了第四系水与基岩间的水力联系,阻止了孔隙水向采场渗流。

    图4 开挖状态下地下水渗流场分布特征

    2.3 开挖状态下位移场分布特征

    开挖面剖面沉降位移云图见图5。由图5 可知,矿体开挖面以上到地表面位移逐渐增大,位移均为负沉降位移,矿体顶面位移最大,往两侧逐渐减少,开挖面宽度左右一倍以上位移基本衰减为0,开挖面中线以上地面位移最大,达25.67 cm,而矿体开挖顶面最大位移仅有15 cm。

    图5 开挖面剖面沉降位移云图

    2.4 开挖状态下基岩塑性区分布

    开挖状态下基岩塑性区分布见图6。由图6 可知,断层不发育部位围岩出现了一定的塑性区,这是由于开挖硐室产生的重分布应力超过岩石本身强度,导致发生剪切破坏,可考虑采用钢模板固定间柱,使其处于三轴应力状态,从而提高其整体强度。

    图6 开挖状态下塑性区分布

    随着采场安全顶板厚度的增大,地表沉降逐步减小。根据计算可知,当顶板安全厚度不小于35 m时,地表沉降量均小于30 cm,对地面的危害较小,可以满足保护第四系含水层与地面建筑物的要求。

    本次研究考虑了地下水对矿山围岩应力及位移的影响,采用FLAC3D软件模拟了矿区回采时围岩的地下水渗流场、位移场、应力场、塑性区分布等特征,具体结论如下。

    (1)开挖扰动产生新生裂隙,致使部分孔隙水从顶板中渗流到采场,在疏干排水条件下,第四系、强风化带黏性土固结压密、渗流固结造成矿区地面位移大于开挖面顶部位移。后期开采过程中需注意施工方法和防水措施,加强矿坑顶板变形和渗水情况的监测。

    (2)当顶板安全厚度不小于35 m 时,地表沉降量小于允许值,对地面产生危害较小,可以满足保护第四系含水层与地面建筑物的要求。

    (3)地下矿产资源的开采不断改变地下初始应力场、渗流场等分布并达到新的平衡。若此过程一旦失控,则会发生地表塌陷、井下突水、井下泥石流或大规模地压活动等安全事件。对采空区进行高质量充填并充分接顶,能有效控制顶板及上覆岩层的变形。

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