急倾斜矿体持续开采对空区上覆岩层的影响

2014-10-09陶峰TAOFeng陈俊智CHENJunzhi

价值工程 2014年2期

陶峰 TAO Feng；陈俊智 CHEN Jun-zhi

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

采空区是矿山开采活动中最典型的地质灾害源之一，随着矿体的开挖，矿山采空区的数量和规模都在不断的增大，而这将诱发众多的矿山地质灾害和生态环境问题，例如地面的开裂、沉陷、滑坡、地下水位下降、采空区突水等等。近些年来，随着我国矿产资源开发强度的不断增大，以及开采难度的增加，由于空区上覆岩层失稳造成的矿山灾害日益增多，也越来越引发人们的关注。

对采空区覆岩移动和破坏规律的研究主要有：现场实测监控法、理论分析法、相似材料模拟法和数值模拟法。3D-σ数值模拟软件，是基于最小总势能变分原理，能方便的处理各种线性问题，模拟各种岩土工程中复杂的施工过程。而且它具有强大的前处理和后处理能力，快速建模及分析结果的可视化使其具有相当广泛的使用基础。

1 工程概况

该矿山以原生菱铁矿为主，矿体埋藏标高在1270m～1690m，顶底板均为条带状含铁质灰岩。矿山目前1580～1690的矿体以基本开采完毕，根据前期采空区的调查，目前采空区的暴露面积已经达到了16.2万平方米，暴露空间大约142万立方米。由于采空区暴露面积巨大，造成的上覆岩层破坏和地表沉陷严重影响了深部矿体的开采，因此应注意在继续开采中对采空区上覆岩层造成的影响和扰动。

2 数值模拟

2.1 力学参数通过前期的矿山节理裂隙调查、室内试验室试验并经过相应的参数折减，得到建立模型所需要的力学参数如表1。

表1 岩体力学参数

2.2 建立模型在岩体破坏分析中，采用莫尔—库仑塑性破坏准则。此破坏准则是所有可能屈服面的内极限面，在工程上采用此屈服准则是偏于安全的。计算域边界采取位移约束，地应力根据弹性力学计算公式λ=μ/（1-μ）作为为基本计算方案。

根据矿山实际形态及断面图，建立三维模型，模型长×宽×高为：1200m×2650m×550m。模型共计 274857个节点，64672个20节点三维等参元单元。单元网格划分图见图1。

图1 三维有限元计算机模型网格划分图

2.3 已采区域模拟

2.3.1 原始模型计算结果该模拟过程不进行任何的开挖过程，只给所构建的模型施加自重应力和构造应力，在整个模型中形成应力场（如图2），为后续的开挖奠定基础。最大主应力从模型的顶部向下依次增大，最大主应力线呈水平状态，但在矿体所在位置，由于矿岩参数不同，在该处发生一定的应力集中现象，最大主应力为-6.0206MPa，地表无明显沉陷。

图2 原始矿山最大主应力等值线分布图

2.3.2 回采1580中段时采空区稳定性分析结合矿山开采的实际情况，此步骤是将矿体开挖至与目前阶段相一致的1580中段。从模拟结果来看，矿体开挖至1580中段后，受采动影响，空区覆岩发生了应力和位移的重新分布。其中最大主应力值增至19.032MPa，地表沉陷最大增加至1.180m，处于相对稳定安全的状态。这与矿山现场的情况比较吻合，为后续的开采模拟奠定了基础。

2.4 1556-1580分段崩落法开采模拟

①1568-1580分段开采：此分段开采完毕后，上覆岩层受开采影响明显，北部矿体上覆岩层最大主应力增至35.936MPa，地面沉陷增加到3.253m；南部分别为21.754MPa和2.891m。

②1556-1568分段开采：该分段模拟开采之后，岩层进一步破坏，地表下沉值也相应增加，其最大值分别达到了44.409MPa和5.444m。

以下列出矿体开挖过程中-2#、3#和15#勘探线附近最大主应力和最大处置位移的变化情况。见图3-图5。

图3 -2#勘探线附近覆岩变化情况

3 结论

根据矿山的节理裂隙调查、室内力学试验以及相应的参数折减确定了矿山的基本力学参数。利用有限元模拟软件，并参照矿体的断面图和相应地形图建立了矿山3D模型。根据矿山的实际开采情况和生产计划，分别对1580中段、1568-1580分段和1556-1568分段进行了开采模拟，得到其相应的上覆岩层的最大主应力以及地表下沉变化情况。在采空区下对急倾斜矿体进行逐步开采，会导致上覆岩层的持续破坏和地表下沉值的不断增大，因此需要在采空区预留足够强度和数量的顶间柱，并采取合适的开采计划，以保证矿山的安全回采。