无底柱分段崩落法开采上覆岩层力学参数研究

陈清运，杨从兵，王水平，张电吉

(1.武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北 武汉 430074;2.磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北,武汉 430074;3.武钢集团矿业有限责任公司程潮铁矿,湖北 鄂州 436000;4.武钢集团矿业有限责任公司金山店铁矿,湖北 大冶 435116)

0 引 言

岩体是具有一定结构、赋存于一定地质环境中的地质体.岩体特性除受岩石力学性质、结构面力学性质和地质环境等因素影响外，还存在空间尺寸效应.岩体力学参数是进行岩土工程设计和稳定性分析的基础和关键，但是岩体力学参数不像岩石力学参数那样容易获取，确定受开采扰动的岩层力学参数就更难了.目前经常采用的方法有经验折减系数法、大型原位试验法、位移反分析法和岩体分类法等.

经验折减系数法是在对岩体节理性状定量描述的基础上，通过弱化岩石强度求取岩体强度，虽然方法简单，指标也易于获得，但是精度常常达不到岩土工程设计和稳定法分析的要求.大型岩体原位试验，包括原位承压板变形试验和剪切试验，用来研究岩体的变形特性、尺寸效应和软弱结构面力学性质等，但是试验费用高，次数有限.位移反分析法以工程开挖过程中围岩变形观测数据为基础，通过反演分析获得岩体力学参数和环境力学参数，因综合了工程岩体各方面的信息，具有重要的参考价值.岩体分类法估计岩体力学参数是目前发展最快应用也最广的方法，Bieniawski(1976，1989)提出了地质岩体质量指标(RMR)，并依此进行地质岩体分类，对不同的类别分别赋予不同的岩体力学参数值.Hoek和Brown(1980)，基于大量的试验数据，提出了岩体经验强度准则，建立了岩体的材料常数m、s、a与岩体质量指标之间的联系，提出了一套估计岩体力学参数的方法.随后，Hoek和Brown(1994、2004)提出了以地质强度指标(GSI)为基础的广义经验强度准则，提出了一套岩体分类和力学参数估计的方法[1-2].

金山店铁矿东区地表建筑物与构筑物较多，地下开采对地表影响范围与程度是矿山关注的重要问题，正确确定岩层力学参数是合理评价地下开采岩层稳定性的关键.

1 工程地质背景

金山店铁矿张福山矿床以25勘探线为界将矿区分为东西两大采区，在西采区又以16线为界，分为西Ⅰ采区和西Ⅱ采区.西Ⅰ采区的工程地质特征简述如下：

矿区地层主要由三迭系中—上统(T2-3)及侏罗系中—下统(J1-2W)地层组成.其中分布最广的地层是三迭系中—上统薄圻群(T2-3pq)，为一套砂页岩组合地层，分布于矿体上盘.对西Ⅰ采区影响较大的地质构造有F103和F104断层.F103断层走向北西，倾向南西，切割矿化带及矿体，为一压扭性断层，断层较紧闭，局部充填糜棱岩.F104断层分布于矿体上盘与蒲圻群地层的接触界面上，断层走向与矿体走向近一致，倾向南，倾角65～85°，上陡下缓，具有压扭性特征，断裂带中发育有碎裂岩和糜棱岩.岩浆岩在区内以石英闪长岩分布最广，组成矿体下盘围岩.

西Ⅰ采区矿体特征为：Ⅰ号矿体是西Ⅰ采区的主要矿体，东西长350 m，走向77～126°，倾向197～ 210°，倾角63～ 85°，矿体平均厚24.90 m.矿体出露地表，呈似层状、脉状，分枝复合现象明显.Ⅲ号矿体与I矿体基本平行，走向长度为120 m，平均厚度15 m，两矿体平均间距为35 m，Ⅲ号矿体位于I号矿体的上盘.

此前对19～23-1勘探线之间出露地表的矿体进行了露天开采，最终开采境界为+40 m水平，并逐年对露天坑进行了回填，矿山目前采用无底柱分段崩落法进行回采.

2 上覆岩层力学参数研究

2.1 岩体力学参数

a. 基于岩体质量指标(RMR)的岩体力学参数估计.Bieniawski地质力学分类法采用了5个分类参数：完整岩石材料的强度(或岩石点荷载强度指标)、岩石质量指标(RQD)、节理间距、节理状态和地下水条件.因每个参数对岩体性状影响不同，赋予了不同的权值，参数指标之和为岩体质量指标，根据岩体质量指标将岩体分五级.Serafim和Pereira (1983)，基于Hoek-Brown岩体经验强度准则，根据岩体质量指标(RMR)，提出了估计岩体强度的计算方法，见表1.

表1 RMR法估计岩体力学参数计算体系

根据表1，编制相应程序进行计算，结果见表4.

b. 基于地质强度指标(GSI)的岩体力学参数估计.1995年，Hoek和Brown提出了地质强度指标GSI，岩体的地质强度指标与岩体结构、岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面的性状有关.由于该法在岩体结构等级和不连续面性状等级的划分上过于粗糙，Sonmez和Ulusay对这两个指标进行了细化和定量化，同时考虑不同的开挖方式对岩体地质强度指标GSI的影响，提出了岩体地质强度指标GSI的修正方法.

随后，Hoek提出了适用范围更广的Hoek-Brown岩体经验强度准则，并运用Balmer(1952)等以Mohr-Coulomb准则表示岩体力学极限平衡数学模型公式，提出了估计岩体强度 公式，见表2.根据表2，编制相应程序进行计算，结果见表4.

表2 GSI法估计岩体力学参数计算体系

c. 原位变形强度测试[3].现场承压板变形试验是为了确定角岩和石英闪长岩变形模量，这两种岩石组成金山店铁矿上下盘主要围岩，其变形模量是影响岩层移动的主要因素.原位变形试验选在-130 m水平的7#穿脉中进行的，上盘角页岩中选一点，下盘石英闪长岩中选一点.试洞准备：上盘在距矿体40 m处的角岩中，下盘在距矿体50 m处的石英闪长岩中，于巷道壁上开挖出宽×高×深=1.5 m×1.4 m×2.0 m的试洞.仪器设备：加压系统有液压千斤顶(150T)、油压泵、管路、压力表；测量系统有测表支架、千分表、百分表、磁铁表架、测量标点、基准工字钢梁；传力系统有刚性承压板(Φ50 cm)，垫板、传力柱、楔形块.

依据所测得的应力—应变曲线及计算公式(1)，即可求得岩体的变形(弹性)模量，试验结果见表3.

(1)

式(1)中：Em—岩体变形(弹性)模量(Pa)；

w0—岩体变形(m)；

p—承压板上单位面积压力(Pa)；

d—承压板直径(m)；

μ—泊松比.

表3 现场承压板变形试验结果

表4 岩体力学参数估计结果

由表4可知，采用地质力学分类法和经验强度准则法进行岩体力学参数估计，其值有一定的误差，取算术平均数，结果见表5.

表5 矿区岩体力学参数研究结果

2.2 结构面力学参数研究

结构面力学参数的研究是岩体力学参数研究的一个重要组成部分.经对张福山矿区几种主要岩石的结构面进行了力学参数的测定，其结果如表6所示[4-5].

表6 岩体结构面力学参数

3 岩体力学参数工程验证

3.1 计算模型的建立

计算范围的确定：西Ⅰ采区开采18-1～23-1线之间的矿体，长200 m，包括Ⅰ、Ⅲ号两矿体.主要研究西Ⅰ采区-141.5 m水平以上开采时岩层移动变形，但为今后研究方便，本次建立数值计算模型时从-500 m开始建立模型.根据类似工程条件下实测的地表边界角：垂直矿体走向为57°、沿着矿体走向为80°.以该值为初值，圈定模型的计算范围，并适当放大，以计算过程中应力重分布不影响到模型的边界为原则，最后确定数值计算模型的范围为：

X：3 334 600～3 335 600、Y：38 577 300～ 38 578 400、Z：-500～60，即长×宽×高=1 100 m×1 000 m×560 m.

工程地质和边界条件：影响西Ⅰ采区的断层有F103和F104，它们与矿体产状基本一致或小角度斜穿矿体，对上下盘围岩的影响比较小，因此在建模过程中可以不考虑断层的影响；为了模拟露天坑中散体的力学性态，在建立三维数值计算模型时，上下盘以65°、端部以80°圈定露天坑散体，将之作为弹性体看待；破坏准则采用摩尔-库仑模型(Mohr-Coulomb)；矿床在开采前要进行地下水的疏干，计算中可以不考虑地下水的影响；初始水平原岩应力按1.5倍自重应力赋初值.由于矿体不规则，用FLAC3D建立数值计算模型比较困难，因此先用ANSYS建立数值模型，然后导入FLAC中建立用于FLAC3D计算的模型，采用四面体单元对矿体和结构面进行拟合.在建立模型过程中主要依据矿区地形图、剖面图、各分段和阶段的平面图.建立的模型如图1～2所示，单元数为88 625个，节点数为15 576个.

图1 西Ⅰ采区矿体模型图

图2 西Ⅰ采区数值计算模型网格图

3.2 计算结果及分析

为了反映矿区整体地表变形情况，在三条测线上都选择了测点，同时兼顾到上下盘；另外，测线上位移变化较小的测点尽量不选，主要选择位移变化比较活跃的测点；同时，不选位移变化奇异的测点.综合分析，最后选择A4、A5、B3、B12、C2等5点作为测点，主要是水平位移.

当西Ⅰ采区开采至-141.5 m水平时，在地表测点上，垂直矿体走向方向的水平位移计算值与实测值结果见表7，并将表7的结果绘成图3.地表移动变形规律见图4所示.

表7 计算值与实测值对比表

图3 地表垂直矿体水平位移计算值与实测值对比图

图4 地表垂直矿体水平位移等值线图

由图3可见，两条曲线吻合比较好，变化规律一致，测点实测值与计算值相对误差在12％以下，对于采矿工程而言，这个精度是可以接受的.图4反映的地表变形范围与实际地表变形范围一致.因此，岩体力学参数值可以作为东区地下开采地表变形的计算基础数据.本结果为东区的地表变形分析提供重要的基础数据，保证东区分析的正确性.

参考文献：

[1]布雷迪 B H G, 布朗 E T.地下采矿岩石力学[M].冯树仁，译.北京：煤炭工业出版社,1990:318-321.

[2]Brady B H G,Brown E T. Rock Mechanics for underground mining[M].3 edition. LONDON： KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS,2004:135-139.

[3]中国科学院武汉岩土力学研究所.金山店铁矿张福山矿床地下采矿陷落角、错动角研究[R].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，1998.

[4]陈清运,何玉早.地下开采地表变形数值模拟研究[J].金属矿山,2004(6):19-21.

[5]陈清运,徐腊明.数值模拟法在边坡稳定性分析中的应用[J].地下空间,1999,19(5):772-778.