山谷下采礦安全性數(shù)值模擬分析

1、山谷下采礦安全性數(shù)值模擬分析任紅崗投稿日期：2012-03-311作者簡介： 任紅崗（1986），男，采礦工程專業(yè)，碩士，主要從事采礦工程和巖土工程設(shè)計及科研工作。E-mail: renhonggang_0123，敖顯軍，楊清波（北京礦冶研究總院 北京100070）摘 要：山谷下采礦問題是礦山生產(chǎn)中面臨的技術(shù)難題之一，如果處理不當將可能引發(fā)重大事故發(fā)生。本文以國外某金礦為例進行研究分析，基于其工程地質(zhì)基礎(chǔ)構(gòu)造、水文地質(zhì)、及采礦方法，提出兩種采礦方案，并利用FLAC3D軟件建模對兩種采礦方案進行比較分析。研究表明：在山谷兩側(cè)構(gòu)造應(yīng)力下，選擇垂直走向布置礦塊，采礦活動對地表影響較小，且采空區(qū)安全穩(wěn)

2、定性較好。關(guān)鍵詞：山谷；安全；工程地質(zhì)；數(shù)值模擬；FLAC3D Safety Analysis of Mining under Valleys with Numerical Simulation Method REN Hong-gang 1, AO Xian-jun, YANG Qing-bo（Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100070）Abstract: The mining under valleys is one of the technical problem in mine

3、production, which will cause serious accidents if mishandled. This paper takes one foreign gold mine as an example to research and analysis, it proposes two mining scheme based on the engineering geologic basic structure, hydrological and mining method, and by using FLAC3D software to model and comp

4、aratively analysis the two mining scheme. It is shown that the scheme of cross-trending ore blocks layout has a smaller impact on the surface and better stability of gob under the tectonic stress field on both sides of valley.Key word: valleys; safety; engineering geology; numerical simulation; FLAC

5、3D 引言經(jīng)濟的快速增長對資源的需求日趨劇烈，礦產(chǎn)資源利用率與回收率提高勢在必行，近年來，“三下”開采技術(shù)，即建筑物下、鐵路下和水體下開采技術(shù)1，在國內(nèi)諸多礦山取得了較大的應(yīng)用成果，有效地提高資源利用率。在富水山谷下采礦涉及到水體和山體下開采的雙重技術(shù)難題。水體下安全開采技術(shù)是涉及到采礦、地質(zhì)、巖石力學等多學科的系統(tǒng)工程2，要防止開采范圍內(nèi)的水體不致大量涌入礦井而發(fā)生突水事故。山體下開采要考慮在礦山壓力作用下，地下開采所致的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和地表移動規(guī)律，從而來調(diào)整采礦方法和相應(yīng)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保安全生產(chǎn)。 目前，研究“三下”開采技術(shù)主要從控制采空區(qū)巖層變形和移動規(guī)律理論等著手，主要理論有拱形理

6、論、棱柱形理論、覆蓋總重理論、懸臂梁理論、崩落塊體理論等。采空區(qū)穩(wěn)定性分析研究方法應(yīng)用較多的有經(jīng)典唯象學方法、力學方法和數(shù)值分析方法3。基于這些理論和方法，采取調(diào)整采礦方法及工藝、處理采空區(qū)、進行大量現(xiàn)場檢測等相應(yīng)措施，來控制圍巖變形及移動。本文綜合考慮礦山地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、圍巖力學性質(zhì)等，在此基礎(chǔ)上調(diào)整采礦工藝參數(shù)及采空區(qū)處理方式，從數(shù)值模擬角度定量分析圍巖變形和移動情況，分析在山谷下開采的安全性。1 工程概況某國外金礦礦區(qū)地處高原，區(qū)內(nèi)河谷深切，地形起伏較大，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地表移動區(qū)的范圍受多種因素影響，受季節(jié)及降雨量的影響，河溝西北方向直接穿過礦區(qū)。礦區(qū)的海拔高度超過2180

7、m，從溝底到分水嶺，海高度上升到3000m以上，其三維示意圖見圖1。礦床位于河溝的兩側(cè)，其中1#和2#主礦體位于河溝南側(cè)并露于地表，礦體賦存標高為17502461m，走向近東西，延伸約820m，傾向延深約710m，形態(tài)復雜多變，主要為脈狀；礦體傾角70°90°，屬急傾斜礦體，主礦體厚度約4060m。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境、安全及技術(shù)經(jīng)濟等因素，采用地下開采和斜坡道開拓方案，采礦方法根據(jù)礦體的具體條件分別選用沿走向布置上向水平分層充填采礦法、垂直走向布置上向水平分層充填采礦法。開采2230m2290m中段時，部分礦體離河床底板距離較近，應(yīng)選擇合理方案或采區(qū)相應(yīng)安全措

8、施，避免因采礦活動導致圍巖在地表河溝內(nèi)錯動而導致河溝內(nèi)水源滲入或涌入地下采礦工作區(qū)域，造成涌水事故、采空區(qū)冒頂事故等。因此，需要對采礦順序、采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，對工程地質(zhì)、水文地質(zhì)進行分析，以及對地下開采對地表河溝的影響研究，以保證礦山建設(shè)及生產(chǎn)安全。圖1 某國外金礦地表-地下三維示意圖Fig.1 A foreign goldmines 3D schematic drawing of the surface and underground2 工程分析2.1 工程地質(zhì)分析礦區(qū)屬于礦山褶皺帶，屬于中等復雜程度礦山，主要褶皺延伸12 km并通過礦區(qū)，背斜兩翼寬1.5-2.0 km。區(qū)域內(nèi)控制性斷層

9、延伸16 km，東西走向，向北傾斜，傾角50-80°。斷層兩盤的位移800-1000 m，形成寬50-200 m的剪切帶。經(jīng)調(diào)查，從河床到開采區(qū)域水平，無構(gòu)造明顯的斷層。礦體圍巖大部分綠泥石絹云母石英片巖，巖石質(zhì)量指標RQD值平均37 %，由于礦區(qū)內(nèi)背斜和斷層構(gòu)造疊加，巖脈和節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石一般比較破碎，強度較低。河邊及河谷中，多為未成巖的第四紀沉積物，并含有大的碎石。在河的兩岸多處出現(xiàn)滑坡。礦體是圍巖經(jīng)過熱液-交代蝕變后形成的，與圍巖呈過渡關(guān)系，無明顯界限。圍巖大部分為碳酸質(zhì)片巖。2.2水文地質(zhì)分析礦區(qū)河流上游屬于亞熱帶區(qū)氣候，大部分降水是在一年中冷季，氣候濕度不足。根據(jù)河流由東

10、向西穿越礦區(qū)邊界的兩點河水滲漏量對比觀測，其水量正負變化不大，和探井、鉆孔水位與河水位無明顯相關(guān)，水文地質(zhì)現(xiàn)象均表明礦區(qū)的地表水和地下水之間沒有直接聯(lián)系。礦區(qū)地表水平均流量4.7 m3/s，河水流量0.155.03 m3/s。礦區(qū)地形、氣候、構(gòu)造條件有利用地下水排放，地下水主要分為綠片巖裂隙含水和沖積冰封層含水，地下水位為地表以下830 m。2.3 采礦方法參數(shù)選擇在2230-2290 m中段水平間，礦體平均厚度為50 m，根據(jù)本次開采區(qū)域地質(zhì)條件，選用上向水平分層充填采礦法，采用兩種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行比較分析。采場長度50-100 m，中段高度60 m，分段高度10-15 m，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表

11、1。表1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of stope structure項目方案1方案2采場寬度 /m2550采場長度 /m礦體厚度25中段高度 /m6060備注垂直走向布置沿走向布置3 數(shù)值模擬計算分析3.1數(shù)值建模技術(shù)（1）計算模型模型選擇標高范圍為21702450 m，研究區(qū)域為22302290 m中段采場，試驗采場位于該區(qū)域的中部。計算區(qū)域尺寸為長 675 m，寬250 m，高 280 m，該模型共有35000 個單元和41279個節(jié)點，山谷下礦體的FLAC3D網(wǎng)格模型如下圖所示。 圖2 地表-地下數(shù)值模型 圖3 礦體數(shù)值模型Fig .2 Numerical m

12、odel of surface and underground Fig.3 Numerical model of orebody（2）初始應(yīng)力及邊界條件該礦初始地應(yīng)力場主要為自重應(yīng)力，并且考慮礦體上方山谷擠壓產(chǎn)生的水平力。依據(jù)彈性力學原理，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力計算公式見式1。 （1） 式中：H埋置深度，m；k側(cè)壓力系數(shù)，k=/（1-）；泊松比；垂直主應(yīng)力，MPa；為外界施加的垂直初始應(yīng)力，MPa；為水平主應(yīng)力，MPa；Z垂直深度，m。礦區(qū)各處的應(yīng)力隨深度變化而不同，利用線性回歸分析的方法，計算出施加在研究區(qū)域處的垂直主應(yīng)力、水平主應(yīng)力回歸方程見式2，采用應(yīng)力梯度在模型指定范圍內(nèi)施加線性變化的應(yīng)力

13、。 （2）采用應(yīng)力邊界條件，在模型的左右（X方向）邊界、前后（Y方向）邊界和底部（Z方向）邊界均施加應(yīng)力約束條件，設(shè)定上邊界為自由邊界4。（3）礦巖物理力學參數(shù)考慮巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)或尺寸效應(yīng)的影響，對巖塊的力學參數(shù)進行適當修正5。根據(jù)經(jīng)驗，室內(nèi)試驗條件下得出的礦巖力學參數(shù)要進行適當?shù)恼蹨p。利用經(jīng)驗公式和力學參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，數(shù)值模擬最終采用的巖體力學參數(shù)如表2所示。表2 折減后礦石物理力學性質(zhì)參數(shù)表Table2 Parameters of physical and mechanical properties of rock after being deducted巖石名稱天然密度(kg/m3)抗壓強

14、度（MPa）體積模量（GPa）泊松比抗拉強度（MPa）粘聚力（MPa）剪切模量（GPa）內(nèi)摩擦角（°）礦石259528.053.550.235.071.12.6520圍巖261037.405.050.2256.761.3753.5223.5（4）本構(gòu)模型在模擬開采之前，施加初始應(yīng)力，本構(gòu)模型分別采用了各向同性彈性模型，初始應(yīng)力平衡后，將各點位移歸零。模擬開采時，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb塑性模型，其準則表達式見式（3）。 （3）式中 為剪切應(yīng)力，、分別為最大和最小主應(yīng)力；為內(nèi)摩擦角，為粘力。3.2 模擬結(jié)果分析（1）地表移動區(qū)域分析礦體回采完之后，采空區(qū)圍巖發(fā)生變形移動（如

15、圖4），方案1與方案2采空區(qū)圍巖最大位移發(fā)生在山峰一側(cè)，這是由于山峰作用于采空區(qū)的豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力大于河溝一側(cè)。兩種方案下，采空區(qū)圍巖移動并未波及地表，河溝內(nèi)巖體可保持安全穩(wěn)定狀態(tài)，在沒有導水裂隙及通道下，河溝內(nèi)水源不會因采空區(qū)圍巖移動而滲入或涌入地下采礦工作區(qū)域。（a）（b）圖4 垂直山谷方向圍巖位移分布（單位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig .4 Displacement distribution of surrounding rock in the valleys vertical direction （unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme 2（2）采空區(qū)

16、穩(wěn)定性分析1）從圖5中彈塑性區(qū)域分布可以看出，兩種方案采空區(qū)均出現(xiàn)塑性區(qū)域，但塑性區(qū)域未貫通，表明采空區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生片幫，但圍巖都基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。對于塑性區(qū)域分布情況，方案1與方案2相比，出現(xiàn)的塑性區(qū)域總體較小，穩(wěn)定性相對較好。（b）（a）圖5 采空區(qū)塑性狀態(tài)分布（單位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig .5 Plastic state distribution of gab（unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme22）從圖4、圖5位移分布的情況分析，在垂直山谷方向上，兩種方案都具有一個共同的特點，即采空區(qū)最大位移發(fā)生在靠近山峰一側(cè)和頂板處，最大位移分別為9.623 m

17、m、10.493 mm。在沿山谷方向上，采空區(qū)最大圍巖主要位于頂板處，且最大位移分別為6.570 mm、8.526 mm。兩種情形下，方案1的采空區(qū)位移皆較小于方案2，從而認為方案1的采空區(qū)較穩(wěn)定。（b）（a） 圖6 沿山谷方向采空區(qū)圍巖位移分布（單位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig.6 Displacement distribution of gob along the valleys direction （unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme24 結(jié)論（1）礦體回采之后，不會造成因采礦活動導致地表圍巖錯動，河溝內(nèi)水源在不會滲入或涌入地下采礦工作區(qū)域，能夠保持安全穩(wěn)定開采。（2）通過對不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，將兩種方案作以比較，選取有利于采空區(qū)穩(wěn)定性的最優(yōu)方案。在開采離河床底板距離較近22302290 m中段時，礦塊垂直走向布置（方案1 ）較為合理。（3）本文研究基于現(xiàn)有地質(zhì)資料，實際工作中，由于存在多方不可預測性等影響因素，需要加強地表位移監(jiān)測監(jiān)控，進一步分析的基礎(chǔ)資料，以確保礦山生產(chǎn)的安全。參考文獻1 姚