某萤石矿开采岩层移动角数值模拟研究

2018-05-09熊贤亮

现代矿业 2018年4期

刘飞熊贤亮

(1.安徽省旌德县安全生产监督管理局；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

某萤石矿开采近20 a，井下形成采空区较多，原岩应力平衡被破坏，围岩出现了变形、移动。随着继续向深部开采，围岩变形、移动和破坏将会进一步加剧。因此，必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响和采场地压分布规律进行研究[1]。

在特殊条件下，当不适宜把主要开拓巷道布置在岩石移动范围之外时，或者对已投产的矿井在井筒附近发现新矿体、矿体向下延伸使得井筒落入岩石移动范围之内时，为了保护井筒及其建筑物，需要设置保安矿柱[2]。为实现该矿山的安全生产及可持续发展，在回采过程中，如何科学合理地确定矿山地下开采的岩体移动角，是一项亟待解决的问题。

1 工程概况

某萤石矿采用平硐-盲竖井开拓方式，生产规模为6万t/a，采用浅孔留矿采矿法和中深孔留矿采矿法，目前已经开采多年，井下形成较多空区，而且在生产探矿的过程中发现了新的矿体，如果按照传统的移动角圈定开采移动范围，为保证盲竖井的安全，必须在Ⅰ#矿体+256，+216 m 及以下中段预留保安矿柱，保安矿柱矿量达6.78万t，资源浪费严重，按照目前原矿石价格计算，直接经济损失将达到8100万元，因此，矿山必须对地表位移变化及井下地压活动规律进行研究，在保证安全的基础上最大限度地回收资源。

矿山采掘工程均位于花岗闪长岩侵入体内，岩体结构均匀致密，裂隙不发育，呈完整状，强度高，但局部有断层，断层中有多处可见的正角砾型矿石结构，由于萤石矿本身性脆，受构造影响，裂隙十分发育，矿石相当破碎，其稳固性较差。根据该萤石矿岩体实际的赋存情况，并结合矿山已有的岩石力学数据，确定该萤石矿的岩石物理力学指标，见表1。

表1 花岗闪长岩物理力学指标

注：岩石为风干状态。

2 构建筑物的损坏程度与地表变形的关系

地表构建筑物的损坏是地表变形传递给构筑物基础而引起的。在井下回采过程中，地表可能产生下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形，构建筑物则随之产生相似的变形。但由于构建筑物具有一定的承受能力，因此,地表变形与构建筑物变形存在不一致性，两者之间的关系与构建筑物基础的材质、规格以及力学性质有关。如果构建筑物的变形值超过了规范要求的允许变形值，构建筑物将遭受破坏。

2.1 构建筑物破坏等级评判标准

我国目前对构建筑物保护等级的划分尚无统一规定，且非煤矿山在这方面研究工作较少。国内有关的几个煤炭矿务局均各自划分标准，但评判标准差别不大，本次研究参照唐山煤研所根据枣庄和峰峰等矿区的实测资料总结的构建筑物保护等级与地表变形值的关系[3],见表2。

表2 建筑物的保护等级及允许变形值

2.2 位移与变形的关系

目前我国对构建筑物破坏等级标准[4]采用水平变形和倾斜变形来评判，而采取数值模拟计算的地表位移值应进行转换。地表倾斜及水平变形计算图见图1。

图1 地表倾斜、水平变形计算图

地表倾斜变形i为地表下沉盘地沿某一方向的坡度值，即

(1)

式中,iAB为倾斜变形，mm/m；WA为A点沉降值,mm；WB为B点沉降值,mm；lAB为A、B两点水平距离,m。

地表水平变形ε为移动盆地内一线段两端点的水平移动差与此线段长度之比，即

(2)

式中，ε为地表水平变形，mm/m；UC为C点水平位移值，mm；UD为D点水平位移值，mm；lCD为C、D两点水平距离，m。

3 岩层移动角数值模拟

3.1 数值模型建立

传统的刚体极限平衡计算分析适用于金属材料，但对于岩体这类有塑性变形的材料来讲，太过于理想化，不能体现岩体变形过程中应力与应变的影响，为了更好地分析不同因素对岩层移动角的影响程度，本研究利用FLAC3D对萤石矿剖面建立数值模型[5]。该萤石矿矿体走向长140余m，延深至+216 m 中段，平均厚5 m。为了减少模型边界对计算结果的影响，模型边界距开挖边界选取3倍左右的采场大小。模型高430 m左右，宽230 m，长200 m，几何计算模型见图2。

由于地表第四系厚度较小，相对于模型可忽略不计，故本次模型未考虑地表第四系的影响。模型按不同的矿岩性质及开挖顺序进行分组：围岩、开采矿体、暂不开采矿体，共包括90119个单元，20675

图2 几何计算模型

个节点,三维计算模型见图3。

图3 三维计算模型

3.2 开采方案模拟计算

只考虑自重应力，模型Z方向的初始应力场见图4。可知，数值模拟计算的初始地应力场分布与自重地应力场很接近，仅在矿岩接触区域(网格划分不均匀造成)与端部存在地应力等值线起伏和应力集中现象，对模型计算域结果影响不大，可以满足计算的要求。

图4 垂直方向初始应力云图

对模型进行数值模拟，将开采矿体部分进行开挖(图5)，垂直方向的应力分布云图见图6。可知，在垂直方向上，主要的应力是由岩体的自重产生，由于开采扰动的影响，破坏原有应力平衡，致使应力重新分布，达到最终平衡，采空区周边纵向应力为2～6 MPa。

模型共布置14个监测点，各监测单元水平开挖后间距为10 m。监测点布置见图7。

由于监测点较多，仅列出具有代表性的10#、11#监测点竖直及水平位移曲线，见图8、图9。各个监测点水平及竖直位移统计见表3。

4 结论

根据矿山岩石力学性质，通过数值模拟的方法建立模型，可以判断出矿体开采已经造成沉降，影响到了地表建构筑物。数值模拟计算结果表明， 1#～10#监测点竖直及水平位移均小于Ⅰ级保护类型的允许变形值，其中10#监测点竖向位

图5 开挖计算模型

图6 开挖后垂直方向应力云图

图7 开采位移监测点布置

图8 10#监测点位移变化情况

图9 11#监测点位移变化情况

移为-43.8 mm，水平位移为-15.8 mm，倾斜变形为2.18 mm/m，水平变形为0.96 mm/m，在允许变形范围内；11#监测点竖向位移为-79.5 mm，水平位移为-34.2 mm，倾斜变形为3.57 mm/m，水平变形为1.84 mm/m，均大于允许变形值。结合我国建构筑物破坏等级的标准对受开采影响的建构筑物进行评判，模型中10#监测点对应的开采移动角为77°，即矿山最大允许的开采移动角应小于77°。矿山上、下盘围岩为同一岩性，故确定矿山上、下盘围岩开采最大移动角均为77°。在保证盲竖井安全的前提下，为进一步确保矿山生产安全，该萤石矿开采移动角确定为75°。