某硅灰石矿开采顶板围岩稳定性数值模拟分析

刘少华，叶永芳，张缓缓

（江西省煤田地质局二二四地质队，江西 南昌 330002）

天然状态下，地下岩层是处于平衡状态的。然而，由于地质采矿势必会打破这种平衡，使得矿产顶板围岩发生损伤、变形破坏，使得其力学性质减小，降低了顶板围岩的稳定性，增加顶板垮塌的危险。而大采深、高应力作用下，矿井力学环境较浅部矿层开采有很大的改变，围岩变形破坏较浅部开采有很大的差异，且更加难以掌控。因此，很有必要研究深部矿产开采围岩移动变形破坏特征，从而有效地减小因采矿造成的顶板灾害的影响。

本文以某硅灰石矿区8线和47线上Ⅳ矿体开采为例，通过对比分析不同采深情况下矿体开采模拟，得出深部矿产开采时顶板围岩移动变形破坏的特征。

1 Ⅳ矿体简况

Ⅳ矿体为矿区内的主矿体，赋存于55.95～508.75 m，厚1.56～21.87 m，平均厚10.53 m，其形态规则，呈似层状、透镜状产出，见图1。从图中可看出，该矿体在8勘探线上埋深较浅，在47勘探线上埋深较深。8线上ZK801孔实际揭露Ⅳ矿体埋深为206.35～226.10 m，矿层真厚17.11 m，47 线上ZK4701孔，Ⅳ矿体埋深546.25～577.1 m，中间夹有5.95 m的灰岩，下层矿体厚17.35 m。

图1 石竹山—樟木桥硅灰石矿区纵剖面

2 矿层开采地表移动变形模拟

2.1 数值模型建立

根据弹性力学中圣维南原理，浅部矿层开采设计模型尺寸为200 m×100 m×200 m，深部矿层开采设计模型尺寸为200 m×100 m×585 m，两端定义围岩边界均预留20 m，开挖步距均设为20 m，开挖8步，实际开挖160 m。模拟过程中对岩层厚度进行了合理的概化，47线模拟开采下部矿体，两模型采厚均为17 m，且仅考虑岩体自重下的初始应力，其数值模型分别见图2。模拟采用的相关参数根据岩石物理力学测试及相关文献获得，见表1。

表1 模型中各岩层物理力学参数

图2 数值模拟模型

2.2 数值模拟结果及分析

针对前文所建立的模型，对8线（采深190 m）、47线（采深577 m）Ⅳ矿体分别进行开采模拟。模拟沿走向开采矿体，以开挖20 m、60 m、100 m、160 m时为分析对象，开挖各步对应的垂直应力云图和下沉位移云图见图3～图4。

图3 开挖各步垂直应力云图

图4 开挖各步顶板围岩下沉位移云图

（1）顶板围岩垂直应力变化特征

随着Ⅳ矿体的不断开采，矿层顶底板岩层为达到新的应力平衡，垂直应力会呈现出明显的重新分布现象。从图3中可以看出，矿层采动顶板围岩的垂直应力变化具有一定的规律性。在每一步的开挖中，由于采空区顶板释放压力较为剧烈，故其正上方位置处应力值最小，采空区两端出现应力集中现象，这也导致顶、底板两侧位置产生变形破坏，形成压、剪破坏区；当整个过程达到充分采动时（模拟中为开采160 m），垂直应力的最大值始终在采空区的前后方，充分采动时，浅部开采的最大垂直应力为36.91 MPa； 而深部开采时的最大垂直应力为55.287 MPa，明显高于浅部矿层开采。

（2）顶板围岩下沉位移变化特征

从图4中可以看出，随着Ⅳ矿体的不断开采，采空区顶板围岩下沉位移逐渐增大，采空区上覆围岩逐渐的形成弯曲带、裂隙带、和冒落带。当达到充分采动时，深部开采采空区顶板围岩的最大下沉位移（0.767 5 m）大于浅部开采时的（0.697 84 m），且深部开采时随着采动程度的增加（≥60 m），出现明显的冒落带，图5为采空区“三带”形成图，深部开采达到充分程度时（160 m）冒落带会与中间的裂隙带逐渐导通，使得顶板含水层中的水通过裂隙带进入冒落带，进而进入采空区，增加顶板突水的可能性。

图5 采空区“三带“形成

3 结语

深部开采条件下，其地质环境更为复杂多变，面临着“三高一扰动”，即高应力、高地温和高岩溶水压及强烈的开采扰动影响。在围岩应力场、能量场、裂隙场等多场耦合效益综合作用下，结合前文数值模拟分析结果，深部开采具有如下特征：

1）深部开采时的顶板围岩应力显著增大，导致顶板围岩稳定性降低，巷道直接顶承载力减小，更容易造成围岩的失稳变形，从而引起顶板垮塌事故。

2）深部开采时，顶板围岩下沉较大，弯曲变形更为显著，且随着巷道的不断推进，顶板围岩会逐渐形成较为明显的冒落带。若冒落带和裂隙带导通，顶板含水层中的水会通过裂隙带进入冒落带，增加顶板突水的可能性，且若顶板存在岩性强度差异大的岩性，容易形成顶板离层，当顶板裂隙水进入离层带，易造成顶板离层水害事故的发生。