空区群结构力学效应模拟分析

蒋永春

(广西华锡集团股份有限公司铜坑矿, 广西 河池市 547205)

0 引 言

铜坑矿是一座具有几十年历史的老矿山,开采过程中产生了大量的采空区,复杂空区群造成了井下围岩应力分布异常复杂,是一个重大安全隐患,严重威胁矿山的安全生产[1G2].

空区群结构致灾的原因是复杂的,其中应力作用是一个主要原因.由于空区群具有隐伏性、危险性、难以靠近等特点,因此其失稳破坏的过程是难以观察的.空区群的结构效应[3]又导致了其失衡机理复杂多变,难以直接探究其失稳机理.

通过数值模拟计算方法对空区群结构失稳破坏过程进行模拟,探究空区群结构力学效应的变化规律是一种简单可行的办法[4G7].岩石破裂过程分析系统RFPA是一种模拟非连续介质从细观破裂到宏观破裂直至全过程失稳的数值试验工具[8].运用RFPA对铜坑矿典型空区群进行渐进失稳破坏的数值模拟,以探究空区群结构力学效应变化规律.

1 计算区域的选取

通过对92＃矿体空区群的空间分布情况进行分析,选取以下典型空区群作为本次数值模拟计算区域:勘探线204－1上的T417,T416,T415空区群;勘探线206－1上的T610,T609空区群;勘探线202－2上的T206,T203,T202空区群.从空间分布、空区大小及空间间距情况都具有代表意义,其空间分布有上下、平行和斜交三种类型;空区体积最大的达到150000 m3,其顶板面积最大达4000 m2;空区间距为6~85 m不等.所选空区群基本代表了铜坑矿井下空区群分布的特点.

2 RFPA数值计算模型

2.1 数值计算模型

根据模型大小和RFPA软件运算能力,对不同模型选取不同的模型范围和单元大小(见表1),建立的RFPA计算模型如图1所示.

表1 隐患空区REPA计算模型参数

图1 各勘探线RFPA计算模型

2.2 基元赋值

基元参数是根据矿岩性质进行选取的.依据92＃矿体及围岩的性质,选取的基元参数见表2[9].

表2 铜坑矿岩体基元参数

2.3 初始地应力及边界条件

岩体的地应力由自重应力与构造应力组成.岩体自重应力是竖直向下的,与其密度密切相关;构造应力较为复杂,据测量与实验,本矿构造应力并不显著.因此,应力主要是岩石自重应力.

铜坑矿的原岩应力主要是自重应力,与单轴抗压的平面应变模型相似,因此其边界条件可设置为:应力加载方向为Y轴向下,约束条件为不约束.自重应力根据空区群上方岩体自重进行求取.

3 空区群结构力学效应模拟分析

模型X方向外边界限制垂直于边界的位移,模型Y方向第一步施加外荷载3 MPa,以后以每一步0.25 MPa的加载量进行加压模拟.在模拟过程中假定空区群是一次预先形成,只需要RFPA系统进行加载,重点研究围岩系统的起裂部位和破裂演化路径及其与空区群结构相互作用关系.

3.1 勘探线204－1的空区群

图2为勘探线204－1空区群静力失稳破坏过程的剪应力分布.

(1)随着加载至第5步时(压应力为4.25 MPa),每个空区顶板均未出现拉破裂,而T417,T416,T415空区矿柱上剪应力逐渐增大,出现了剪切微裂纹;随后微裂纹逐渐增加形成微破裂带,深入矿柱中,由于空区之间距离较远,空区未能连成一片,因此,没有形成一个大的联合空区;

(2)加载至第9步时(压应力为5.25 MPa),T417空区顶板首先出现了较大的拉破裂,此后拉破裂逐渐向围岩深处发展,形成片帮现象.

(3)至第21步时,T417空区顶、底板均出现较大的拉破裂,且随着进一步加载,拉破裂进一步增大.

(4)至第34步时(压应力达11.50 MPa),T415空区也出现了较大的拉破裂,T417空区则整体突发失稳.

(5)至第53步时,T417,T416,T415空区都被破坏,3个空区整体失稳.

图2 勘探线204－1空区群围岩失稳破坏过程

3.2 勘探线206－1的空区群

图3 为勘探线206－1空区群静力失稳破坏过程的剪应力分布.

(1)随着压应力的加载,空区周边围岩应力发生重大变化,突出表现在空区间柱上.随压应力的不断加载,间柱上的剪应力急剧增大,间柱上出现了微裂纹,此后微裂纹不断向间柱深处发展.

(2)加载至第5步时(压应力为4.25 MPa),首先在T610,T609空区右帮出现微裂纹,随着应力波的逐步向上传播,裂纹不断往空区上方扩展.

(3)加载至第14步时(压应力为6.50 MPa),空区顶板首先出现了较大的拉破裂,此后拉破裂逐渐向围岩深处发展,形成片帮和垮落现象.由于空区间柱宽度只有6 m,裂纹最先在该位置贯通致使空区间柱失去支撑能力,此时空区群结构整体功能基本失效,但结构形式尚存,仍能够发挥部分残余支撑作用.

(4)加载至第25步时(压应力达9.25 MPa),空区间的间柱发生断裂破坏,空区群－围岩系统突发整体性失稳.

图3 勘探线206－1空区群围岩失稳破坏过程

3.3 勘探线202－2的空区群

图4 为勘探线202－2空区群静力失稳破坏过程中的剪应力分布.

图4 勘探线202－2空区群围岩失稳破坏过程

(1)由于T206空区与其它空区间距相对较大,达85 m,因此,其它空区的存在对其影响相对较少.加载压应力后空区只出现局部微裂纹,扩展速度缓慢.

(2)T202与T203空区在空间上处于上下斜交位置,间距宽度只有6 m,随着压应力的进一步增大,空区周边围岩应力发生重大变化,尤其表现在斜交的间柱上.随压应力进一步增大,间柱上的剪应力急剧增大,间柱上出现了微裂纹,此后微裂纹逐渐向围岩深处发展,贯通于整个矿柱,矿柱失去支撑能力.

(3)加载至第4步时(压应力为4.00 MPa),首先在T203空区右上方出现局部片帮垮落的现象,随着压应力的近一步增大,片帮范围不断向外扩展.

(4)加载至第16步时(压应力为7.00 MPa),T202与T203空区间的间柱发生断裂破坏,导致两小空区连通成大空区.

4 结 论

(1)在自重应力为主作用下,空区群中各个空区顶板均会出现拉破坏,导致空区顶板失稳破坏.由此可见拉破坏是顶板破坏的主要原因.

(2)空区间上下斜交的薄矿柱最易失稳破坏,导致小空区连通成大空区,极易出现空区群突发性整体失稳的重大事故.

(3)空区群中距离其他空区较远的空区,如勘探线202－2上的T206空区,其实一定程度上相当于单个独立空区,不易发生失稳.

[1] 潘桂海,胡建华.钻孔探测与TRT技术在铜坑矿采空区中的应用[J].现代矿业,2015,35(10):171G173,176.

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[4] 姜立春,罗恩民,贾晓川.纵向采空区群失稳动态演化过程研究[J].矿业研究与开发,2017,37(4):62G65.

[5] 谢金亮,李永辉.复杂空区群下倾斜中厚难采矿体的开采及空区处理技术研究[J].采矿技术,2015,15(2):6G8,19.

[6] 蓝 宇,张小良,潘 懿.复杂群采空区稳定性计算与评价[J].采矿技术,2013,13(3):71G73.

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