采矿顶板最小安全厚度及地面沉陷变形研究*

2013-08-25李云安刘海鳌邹济韬谭道远

金属矿山 2013年8期

胡丰李云安刘海鳌邹济韬谭道远

(中国地质大学工程学院)

地下采矿是在采区中进行回采作业［1-2］，由于矿床埋藏条件复杂，矿岩性质变化大以及其他原因，现在应用的采矿方法种类繁多，根据回采时地压管理方法，地下采矿方法可以归纳为3类:空场采矿法、崩落采矿法和充填采矿法［3-4］。某矿山位于河北省滦县县城东南8 km，矿床上覆第四系含水层，矿体赋存于太古界变质岩中，矿山采用竖井开拓，充填法采矿，开拓系统置于基岩内部，第四系与采场之间留设一定厚度的基岩顶板保护层不开采，目的是降低第四系水对矿床开采的影响，同时减小地面变形［5-6］，因此，如何留设合理的基岩顶板保护层［7-9］成为影响矿山安全开采的重要因素。

1 矿山工程地质条件

该矿位于滦河Ⅰ级阶地中上部，地形开阔，地势较平坦，矿体深埋于上百米厚的第四系松散层之下;第四系地层为全新统和中更新统地层，岩性以砂砾卵石、砂、粉土、粉质黏土等为主，上部粉细砂存在地震液化现象。矿体赋存太古界变质岩中，岩性以混合岩、混合花岗岩、黑云变粒岩、伟晶岩为主，岩层倾向西，倾角30°～60°，矿体与围岩产状一致。浅部基岩为基岩风化带，风化带岩石呈砂土状、泥状、碎块状、块状，岩石破碎，力学强度低，工程性质差;风化带以下矿、岩石致密坚硬，均属坚硬脆性岩石，普氏硬度系数10，节理、裂隙不发育，工程性质较好。

矿体各岩性参数:矿体抗压强度Rc=30.52 MPa，地表人类活动均布荷载q=600×1.2=720 kN/m2，覆盖土层容重γs=20 kN/m3，矿体顶板容重γr=33 kN/m3，安全系数K=1.2，矿体顶板岩体黏聚力c=5.06 MPa，顶板岩体内摩擦角φ =59°，泊松比μ=0.2，顶面荷载q0=α·q，α为路基均布荷载附加应力系数。

2 矿体顶板厚度理论计算

2.1 顶板结构力学模型计算

当矿体顶板岩层完整，近似于水平地层，当跨度较大时，弯矩是主要控制条件，可按两端固定顶板抗弯情况计算顶板安全最小厚度;当开采跨度较小，剪切是主要控制条件时，顶板可按抗剪切结构力学模型计算顶板安全最小厚度。将研究区工程地质条件与结构力学相结合，其计算模型如图1所示。

图1 矿体最小安全顶板力学计算模型

2.1.1 矿体顶板按抗弯结构力学模型计算

根据岩体抗弯强度理论，

式中，［σ］为岩体的抗弯强度允许值，为其抗压强度Rc的1/10～1/20，kPa;M为矿体顶板所承受的弯距，kN·m;I为矿体顶板截面惯性矩，m4;ymax为边缘最大抗压力至中性轴之间的距离，m。

最大弯矩

取

式中，l为顶板长度，hs为覆盖土层厚度，hr为矿体顶板厚度。

联立式(1)～式(6)，得

路基均布荷载附加应力系数α计算公式如下:

2.1.2 矿体顶板按抗剪结构力学模型计算

根据铅直方向静力极限平衡条件，得

式中，τf为矿体顶板抗剪强度，kPa，μ为岩体泊松比，b为矿体顶板宽度。

联立式(10)～式(13)，得

2.2 矿体顶板结构力学模型计算结果

根据该矿山矿体的埋藏深度情况，计算埋深在110～150 m范围内的矿体，每增加5 m埋深分别进行计算矿体顶板厚度，根据上述矿体各岩性参数和抗弯抗剪结构力学计算公式，可以得到按抗弯验算的顶板最小安全厚度和按抗剪验算的顶板最小安全厚度，计算结果如表1所示。

根据地质勘探资料，该矿区的矿体平均埋深137 m，根据表1计算结果进行内插，可以得到该矿区的矿体顶板最小安全厚度:按抗弯验算为30.90 m，按抗剪验算为33.95 m。由于岩体结构特征的复杂性，需要考虑一定的安全储备，因此推荐的矿体顶板最小安全厚度取按抗弯验算和抗剪验算的较大值为基岩强风化带以下33.95 m。

表1 矿体顶板最小安全厚度计算结果 m

3 工程地质数值模拟分析

3.1 工程地质岩土组概化

在查明了矿区工程地质条件的基础上，结合现场勘探资料和以往基础地质资料，在矿区划分的5个工程地质岩组基础上，进一步细划分为8个工程地质岩土组，通过岩石、土样物理力学试验、钻孔井下电视、波速测试等资料，获取矿区不同地段的工程地质岩组物理力学参数，建立了工程地质数值模型。所划分的8个岩土组，自上而下依次为第四系水上，第四系水下，强风化层，弱风化层，Ⅳ级岩体，Ⅲ级岩体，Ⅱ级岩体，辉绿岩组。

3.2 计算参数

根据现场勘察报告和场地工程地质类比岩土体参数，综合确定各岩土体物理力学参数见表2所示。

表2 岩土体物理力学参数

3.3 数值计算模型

数值计算模型边界条件为位移边界条件，具体计算范围的坐标为X坐标(391 407～393 424 m)，Y坐标(4 387 720～4 388 378 m)，Z坐标(－900 m)。根据2.2可知，该矿区的开挖顶板厚度按33.95 m计算。网格总共分为250 477个单元和46 758个节点。计算模型如图2所示。

图2 ANSYS数值计算模型

3.4 数值计算结果

采用三维有限差分数值模拟软件FLAC3D，计算位移场分布特征，获取其位移等值线图。由矿体开挖面剖面沉降位移云图(图3)可以看出矿体开挖面以上到地表面，位移逐渐减小，均为负沉降位移，矿体顶面位移为最大，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零，开挖面中线以上地面位移最大，为1.1 cm。矿体开挖顶面最大位移为3.5 cm。地表沉降值符合国家标准要求。由矿体开挖地平面沉降位移云图(图4)可以知道开挖面中线位移为最大，为1.0 cm，往两边逐渐减少，地面沉降影响范围大致为开挖面中线左右一倍开挖面宽度。