矿山开采引起地面塌陷的离散元模拟

庞仙笛，王 健

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林 长春 130033）

离散岩位元法把一种节理介质岩体，视为由一个离散的岩块构成，但是在我国它起步比较晚，好在其技术发展较为迅速，它可以允许节理岩块自由平移、转动和自由变形。离散元技术用于岩土、采矿和冶金、农业、食品和化学工程、制药、环境等领域有着广泛的应用，可分为分选、混合、团聚、充填压榨、储运、铲除、爆破、破碎、流化等工序。离散二位元法在我国岩土科学工程、地质科学工程和再生能源联合开采等许多领域也已经有着广泛的研究应用。根据牛顿第二运动定律，可以精确得到每个元素的运动加速度；每个单元的运动速度和单元位移系数可以通过测量时间和微积分方法获得。

1 矿山开采引起地面塌陷的离散元模拟

1.1 提取土体类型及特征

矿山顶层和砂岩底板以及基层砂质岩石层的地质岩性以砂质泥岩岩性为主，抗压抗蚀强度相对来说较差。砂岩和硬质橡胶的晶体粘结性差、松散且易碎，在开采过程中难以维护。泥岩岩石质地柔软，易收缩膨胀且难滑移。在进行开采较厚的硬质地层时，要注意留下一个带假矿层顶板。底板容易在水箱底鼓和底板立柱中“针刺”。地表分布砾石土，岩性以砾石、砂砾石、中细砂、细砂等为主。软岩主要分布在各个工矿山区的矿层顶板和底板上。经特殊流体力学条件测试，其中在自然运动条件下单向电流抗压强度为0.55mpa～12.7mpa，属于软弱变质岩石，岩体机械强度低，整体性差[1]。通过实时采集各个采空区的具体水文、气象、地形、区域内的地质、地震、构造、采矿等各种相关信息数据，并同时查明采空区基层范围、埋深、矿产资源开采基层厚度、顶板岩性、上覆基层岩体及受破坏程度特征等各种相关数据资料。调查研究开采管理时间、开采管理方式、采空区基层塌陷、顶板岩性管理实施方式、充填管理情况；同时调查研究采空区内建筑地表基层下沉、伴生基层裂缝和其他地区基层裂缝的地质变形程度分布变化规律。工程地质调查：在调查区内进行工程地质调查，确定研究区地层的工程地质条件。环境地质调查：在调查区内进行环境地质调查，确定研究区的地质环境条件。地质灾害测量：利用测得的大比例尺地形图，通过实地调查工作，重点查明地表塌陷及伴生裂缝灾害的分布和发展特征。野外测点位置采用手持式GPS仪器。路线调查采用交叉法和检索法相结合的方法。对调查区进行了详细调查，对地面裂缝、塌陷坑进行了详细记录，并进行了现场拍照；详细记录耕地、运河、农路等地面设施发生的地面塌陷、伴生裂缝、塌陷坑等特征，并进行现场拍照。

1.2 建立拉伸数值模型

长期以来，由于离散的元法则的计算需求量巨大，其实际应用受到很大限制。随着现代研究和工程的需要，离散元计算中对粒子数的要求越来越高。地表地质沉降灾害是各类采矿活动引起的常见重大地质自然灾害，对整个矿区全体居民的人身生命财产安全，构成非常严重的威胁。本文主要采用离散元的模拟分析方法对矿山开采空区引起的盐矿地表整体沉降条件进行分析模拟，评价该开采空区的安全性与稳定性，并预测受当地沉降条件影响的矿地表沉降范围。仿真试验结果更好地符合实际应用情况，对我国矿山开采治理项目工程设计提供了一定的技术帮助[2]。盐矿的水下地面开采沉降空区是由于盐矿地下开采过程形成的盐采空区。该矿的切向分量表示，如下公式1所示：

公式1中：L表示接触运动的切向接触刚度；N表示切向位移的增量。因此，采空区在地层上覆盖的岩土自重，在其他外力作用下将不会发生向下方的位移和弯曲变形。严重情况时会直接造成水泥盐井内的水泥营造环境的损坏、套管破裂、套管弯曲引起盐井事故，影响卤水生产。地面接连室外墙结构采用Rrc30混凝土，主筋结构采用Rrhrb400钢筋。采用时考虑到在设计钢筋弯矩时所采用的钢筋极限抗拉受力强度承载设计标准值为360mpa，而采用钢筋抗弯强度承载标准值设计为200mpa，计算地面连接室外墙正面横截面钢筋抗弯强度承载力时由于钢筋抗拉强度设计采用的为标准值1.25倍，所以应在估算时能得到钢筋极限设计弯矩，如下公式2所示：

地板所连接的墙面板为单层无缝钢腹筋板，其内部受剪力板承载的应力极小的限值估算可根据上式和下式两种估算方法得到，下式如下公式3所示：

公式3中：fyo表示轴心抗拉弯标准数值；h0表示模型中的有效高度。当采空区顶板岩层受力抗拉时的应力强度，超过其岩层抗拉应力强度极限设定值时，会直接引起局部顶板岩层破裂、倒塌，使顶板上覆地表岩层相继向下倾斜移动，导致局部地表岩层坍塌。

1.3 明确矿山开采引起地面塌陷范围

由于矿层较厚，围岩属于软岩。矿层开采后，上部岩层塌陷。由于应力关系，采空区在地表投影区有一定程度地扩大。作为影响范围，影响范围内的地面建筑在地面上会出现不同程度的开裂、细小裂缝和塌陷坑。越靠近采空区，地表建筑开裂程度越大，反之亦然。钙质石灰泥岩：黄-灰-深灰色。通过研究发现，该岩石层顶部4m～6m为原始强风化岩石层，逐渐向下一层过渡可看到原始变质岩石层的颜色。厚度8m～280m，田区自北向西南逐渐变厚。砂岩下第三层一系泥质云英岩石群膏盐群(eyn2)①砂岩一系硬石膏段(eyn52)：岩呈灰色，主要由泥质灰泥岩、泥质灰岩中间夹片状泥质粉岩和砂岩三层组成，钻孔岩层厚度20m～89m。②上石下钙芒硝段(eyn42)：土呈灰色，由石粉泥质的上钙芒硝、石灰质灰色泥岩以及夹杂石粉砂质灰色泥岩、泥质粉红色砂岩等杂质组成，出露处的钻孔土层厚度8m～88m。③岩质石盐段(eyn32)：灰白色，由三层不等厚度的浅层岩质石盐岩、泥质白色灰泥、泥岩和浅层粉砂质灰色泥岩岩块组成。此段岩石含盐矿物分布较密，形成的岩盐团＜br>岩石含盐矿物常呈现浅灰白色和淡黄白色，少数种呈灰白色和多数灰黑色，主要由岩石和盐物质组成，其次主要是小的硬石膏、芒硝、少量的流水状的云母、泥晶状的白云石和其他有机质。矿石晶体具有方形块状、带状和圆形块状三种结构，因此，进一步明确了矿山开采引起地面塌陷范围。

2 实验与分析

2.1 实验准备

颗粒细观参数的标定一直以来都是离散元仿真模拟中的重点和难点，本文对实验室获取的砂岩应力应变曲线进行拟合。通过不断的调试和校核直到砂岩的颗粒离散元模型的力学性能满足真实室内试验的结果，如下表1所示。

表1 砂石模型的物理参数

如上表1所示，根据室内试验岩石材料的属性和岩石试样的尺寸确定模型的物理细观参数如颗粒大小、密度等。

2.2 结果分析

本文通过大量反复的模拟测试得到砂岩的颗粒细观参数，实验通过提取，矿山开采中引起地面塌陷的岩石（砂岩），对砂岩的单轴压缩破坏过程的数值模拟，结果如下图1所示。

图1 砂石试样破坏过程

观察上图1中深灰色部分为加载中裂纹的发育结果，呈现圆盘颗粒状，随着加载的继续，砂石产生上下贯通裂纹，因此，得出文中的离散元模拟方法，能够较直观的观察到砂岩的裂缝过程。

3 结语

实际工程中岩体一般处于三维应力状态。近年来，随着各类矿山的开采，学者们开始对与这些领域相关的矿山开采进行深入的认识和研究。本文通过离散元的方法，模拟矿山开采引起地面塌陷，实验得出本文方法能有效的模拟砂石的裂缝过程，为矿山开采引起地面塌陷的离散元模拟提供有效参考。