近地表急倾斜厚矿体地表移动规律及影响因素的敏感性分析_韩智勇.pdf

收稿日期2019-10-11 基金项目十三五国家重点研发计划课题编号 2016YFC0801606。 作者简介韩智勇1977， 男， 讲师， 博士。 近地表急倾斜厚矿体地表移动规律及影响因素的 敏感性分析 韩智勇曹建立刘洋刘欢李广辉谭宝会 1 （东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要利用FLAC3D有限元分析软件， 根据开采深度、 矿体倾角、 矿体厚度三因素设计L16 （45） 正交试验方案 模型。极差和方差分析结果表明 对水平最大位移和移动范围的影响程度， 开采深度＞矿体倾角＞矿体厚度； 对垂 直最大位移的影响程度， 矿体倾角＞开采深度＞矿体厚度； 地表水平位移呈 “山峰山谷” 型曲线， 山谷段随着倾角 的增加逐渐向下盘方向移动。下沉曲线为漏斗型曲线， 开采深度增加到某一深度后， 靠近矿体中心附近的岩体会 发生隆起。随着矿体倾角的增加， 影响地表出现移动盆地的矿体开采深度也相应增加， 即矿体倾角越小， 越容易在 地表形成移动盆地。形成的边界角随着开采深度的增加而减小， 逐渐稳定于50左右， 矿体的倾角越大， 边界角趋 于稳定的速度越快。 关键词急倾斜厚矿体地表岩移数值模拟正交试验 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -02-158-05 DOI10.19614/ki.jsks.202002027 Strata Movement Law of Near-surface Steeply Inclined Thick Ore Bodies and Sensitivity Analysis of Influencing Factors Han ZhiyongCao JianliLiu YangLiu HuanLi GuanghuiTan Baohui2 （College of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractWith use of FLAC3Dfinite element analysis software， L16 45 orthogonal test model is designed according to mining depth，orebody dip angle and orebody thickness. The range and variance analysis show that the influencing factors on horizontal maximum displacement and range of movement is listed as mining depth ＞ orebody dip ＞ orebody thickness and the influencing degree of factors on vertical maximum displacement is listed as orebody dip angle＞ mining depth ＞ orebody thick- ness. The horizontal displacement of surface shows a “peak-valley“ curve，and the valley section moves downward to the foot- wall with the increasing of dip angle. The subsidence curve shows a funnel-shaped curve as that when the mining depth in- creases to a certain depth，the rock mass near the center of the ore body will be uplifted. With the increasing of orebody dip angle，the mining depth of mobile basins on the surface increases，that is，the smaller the orebody dip angle，the easier the mobile basin s on the surface. The ed boundary angle decreases with the increasing of mining depth，and gradually stabilizes at about 50 degrees. The bigger the dip angle of ore body， the faster the boundary angle tends to be stable. KeywordsSteeply inclined and thick ore-body， Surface strata movement， Numerical simulation， Orthogonal tests 金属矿床地下开采， 引起围岩移动、 破坏。研究 地表岩移规律， 对于合理确定地表移动范围， 优化矿 山地表总图布置、 保障生产安全等意义重大。目前 对倾斜、 缓倾斜煤层开采移动机理认识较深入， 已建 立各种可指导生产的地表及岩层移动的预计理论和 模型 ［1-2］， 对急倾斜煤层开采岩层移动规律和机理的 研究起步较晚， 但也取得了众多代表性成果 ［3-7］。金 属矿山具有与沉积煤矿不同的岩体、 地质、 开采条件 与采矿方法， 对其急倾斜金属矿开采难以应用煤矿 通用的方法来研究地表移动规律， 我国部分金属矿 山通过建立各类观测站研究开采沉降规律 ［8-11］， 空间 测量和大地测量精度受天气和环境影响较大， 费用 总第 524 期 2020 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 524 February 2020 158 ChaoXing 高， 而且由于起步较晚， 国内金属矿地表岩移数据相 对较少。随着数值方法分析能力的提高， 大容量、 高 速度的计算机出现， 数值模拟 ［12-14］已经成为研究地表 岩移和预测的重要手段之一， 但这些研究多针对某一 具体的工程背景， 对于急倾斜厚矿体这一大类的矿体 开采地表移动规律的研究还不够深入。本项目利用 FLAC3D有限元分析软件， 根据开采深度、 矿体倾角、 矿 体厚度三因素进行正交试验设计模型方案， 对急倾斜 厚矿体开采的岩移规律进行系统研究， 为地表沉陷变 形进行预测和分析工程实践提供理论依据。 1数值模拟计算模型和计算方案 针对矿体倾角、 矿体厚度、 开采深度3个因素， 选 取4个水平， 设计L16 （45） 正交试验方案 （其中2个位 空白列） ， 各因素取值及试验方案如表1所示。 根据试验方案建立FLAC数值模型， 模型尺寸长 度为800 m， 宽度为100 m， 矿体埋深100 m， 分为4个 中段进行开采， 阶段高度为60 m， 矿体开采之后空区 不充填； 模型四周约束水平位移， 底边界约束x、 y和 z 方向位移， 上表面为自由表面， 模型采用 Mohr-Cou- lomb弹塑性本构模型， 并在模型表面每隔15 m设置 位移监测点， 数值模拟计算基础简化模型如图 1所 示， 模拟计算参数如表2所示。 2 岩移影响因素敏感性分析 各方案试验结果见表3。 对表3中的试验结果进行了极差分析， 结果见表 4， KSLi、 KSVi、 KLi分别为指标SL、 SV、 L在水平i下指标的 偏差平均值 （i 1、 2、 3、 4） ， R为极差。各因素列的极 差均大于空白列的极差， 说明计算结果可靠。对于 SL、 L指标， 均有RH＞RA＞RB， 即开采深度的影响程度 最显著， 对于SV指标， RA＞RH＞RB， 即矿体倾角的影响 程度最显著。矿体倾角A与矿体开采深度H对应的 各个指标的极差值， 相差较小， 表明2因素对各指标 影响程度相近。 表5为试验结果的方差统计结果， 在显著性水平 α 0. 05时F值为4.76。在指标L上， 矿体倾角、 矿体 厚度和开采深度均有显著影响， 其中矿体倾角和开 采深度影响非常显著， 对于指标SL、 SV， 矿体倾角和开 采深度具有显著影响。对于指标L和SL， 因素H的F 比值要大于因素A所取得的F比值， 表明因素H的影 韩智勇等 近地表急倾斜厚矿体地表移动规律及影响因素的敏感性分析2020年第2期 159 ChaoXing 响程度要高于因素A； 对于指标SV， 因素A的F比值要 大于因素H的F比值， 表明因素A的影响程度高于因 素H， 和极差分析结果一致。 3地表岩移规律分析 3. 1水平移动与水平变形特征分析 由于矿体厚度对地表岩移的影响程度最小， 因 此将角度相同的开挖方案的位移曲线作为同一组进 行比较。图2为各方案的地表水平移动曲线， 可见地 表水平移动为非对称的 “山峰山谷” 状曲线， 相同 倾角条件下， 曲线峰值即水平移动的极值随开采深 度的增加而增加， 峰值位置与回采中心线的距离随 开采深度的增加而增加， 相同开采深度条件下， 曲线 峰值随倾角的增加而减小， 峰值位置与回采中心线 的距离随倾角的增加而减小； 上山侧坡度要普遍小 于下山侧坡度， 即靠近中心线侧的水平变形值较高。 在矿体上盘地表水平位移山峰曲线之后在靠近矿体 中心线位置形成一个小的山谷型曲线， 即上盘挤压 变形区， 倾角越小， 该曲线越完整， 随着倾角的增加 上盘挤压变形区消失， 如方案16， 在下盘形成和上盘 近乎对称的山谷曲线， 即拉伸变形区。各方案的最 大水平变形值位于 “山脚处” ， 方案13的最大水平变 形为0.77 mm， 也是16个方案中的最大值。 金属矿山2020年第2期总第524期 160 ChaoXing 3. 2下沉与倾斜变形特征分析 图3为各方案的下沉曲线， 图3 （a） 为较为规整的 漏斗型曲线， 当角度为65时， 方案2和方案6的下沉 曲线也是漏斗形曲线， 当角度为75时， 方案3和方案 7 也会在紧靠矿体上盘部位出现隆起区， 当角度为 85时， 方案4和方案8也会在紧靠矿体上盘部位出现 隆起区。随着矿体厚度的增加， 紧靠矿体上盘的部 位开始出现隆起区， 方案4、 方案7、 方案3的隆起区 最为明显， 表明当开采深度增加到某一深度后， 靠近 矿体中心附近的岩体会发生隆起。在倾角为55、 65 时， 相同监测点垂直位移随矿体厚度、 开采深度的增 加而增加， 在倾角为75、 85时， 沉降中心上盘侧监测 点符合此规律， 方案3和方案15的最大垂直位移相 差不多， 方案6的最大垂直位移要远高于同倾角的其 他方案， 表明在倾角较小时开采深度影响程度要高 于矿体厚度， 当倾角增加时， 开采厚度的影响程度趋 于显著。最大垂直位移随倾角的增加， 整体呈现出 减小的趋势。 3. 3移动边界角随各因素的变化规律 根据文献 ［1］ 研究成果， 以地表监测点沉降 10 mm作为移动盆地的边界。矿体厚度为35 m条件下， 不同倾角矿体的边界角随开采深度的变化曲线如图 4所示， 在倾角为55时， 开采深度为30 m时即在地表 出现移动盆地， 随着矿体倾角的增加， 在地表出现移 动盆地的开采深度增加， 即矿体倾角越小， 越容易在 形成地表移动盆地。形成的边界角随着开采深度的 增加而减小， 逐渐稳定于50左右， 矿体的倾角越大， 边界角趋于稳定的速度越快。 4结论 （1） 对于 SL、 L 指标， 均有 RH＞RA＞RB， 即矿体开 采深度的影响程度最显著， 对于SV指标， RA＞RH＞RB， 即矿体倾角的影响程度最显著。矿体倾角A与矿体 开采深度H对应的各个指标的极差值， 相差较小， 表 明矿体倾角和开采深度对各指标影响程度相近， 且 明显显著于矿体厚度。 （2） 地表水平移动为非对称的 “山峰山谷” 状 曲线， 相同倾角条件下， 曲线峰值即水平移动的极值 随开采深度的增加而增加， 峰值位置与回采中心线 的距离随开采深度的增加而增加， 相同开采深度条 韩智勇等 近地表急倾斜厚矿体地表移动规律及影响因素的敏感性分析2020年第2期 161 ChaoXing 件下， 曲线峰值随倾角的增加而减小， 峰值位置与回 采中心线的距离随倾角的增加而减小； 下沉曲线为 漏斗形曲线， 当开采深度增加到某一深度后， 靠近矿 体中心附近的岩体会发生隆起， 最大垂直位移随倾 角的增加， 整体呈现出减小的趋势。 （3） 随着矿体倾角的增加， 影响地表出现移动盆 地的矿体开采深度也相应增加， 即矿体倾角越小， 越 容易在地表形成移动盆地。形成的边界角随着开采 深度的增加而减小， 逐渐稳定于50左右， 矿体的倾 角越大， 边界角趋于稳定的速度越快。 参 考 文 献 刘宝琛， 廖国华.煤矿地表移动的基本规律 ［M］ 北京 中国工业 出版社， 1965. Liu Baochen， Liao Guohua.The Fundamental Laws of the Coal Mine Ground Movement ［M］ .Beijing China Industry Press， 1965. 中国矿业学院.煤矿岩层与地表移动 ［M］ .北京 煤炭工业出版 社， 1981. China College of Mining and Technology. Ground Movement and Coal Mining ［M］ .Beijing China Coal Industry Press， 1981. 戴华阳， 王金庄.急倾斜煤层开采沉陷 ［M］ .北京 中国科学技术 出版社， 2005. Dai Huayang， Wang Jinzhuang.Subsidence due to Steeply Inclined- seam Mining［M］ .BeijingChina Science and Technology Press， 2005. 戴华阳， 易四海， 鞠文君， 等.急倾斜煤层水平分层综放开采岩 层移动规律 ［J］ .北京科技大学学报， 2006， 28（5） 409-412. Dai Huayang， Yi Sihai， Ju Wenjun， et al.Law of strata and surface movement due to horizontally-sliced mechanized top caving mining at steep-inclined super-thick coal seam ［J］ .Journal of University of Science and Technology Beijing， 2006， 28 （5） 409-412. 王更雨， 易四海， 戴华阳， 等.窑街三矿特厚急倾斜煤层水平分 层开采地表移动实测分析 ［J］ .矿山测量， 2008， 33（5） 72-74. Wang Gengyu， Yi Sihai， Dai Huayang， et al. Analyst of ground movements due to extra thick steeply inclined coal seam apply sli- cemining of No.3 mine in Yaojie mine aera［J］ .Mine Surveying， 2008， 33 （5） 72-74. 戴华阳， 郭俊廷， 易四海， 等.特厚急倾斜煤层水平分层开采岩 层及地表移动机理研究 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38（7） 1109-1115. Dai Huayang，Guo Junting，Yi Sihai，et al.The mechanism of stra- ta and surface movements induced by extra-thick steeply inclined coalseam applied horizontal slice mining ［J］ .Journal of China Coal Society， 2013， 38 （7） 1109-1115. 戴华阳， 易四海， 郭俊廷， 等.特厚急倾斜煤层水平分层开采地 表移动预计方法 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38（8） 1305-1311. Dai Huayang， Yi Sihai， Guo Junting， et al.Prediction for surface movements and deation induced byextra-thick steeply inclined coal seam horizontal slice mining ［J］ .Journal of China Coal Society， 2013， 38（8） 1305-1311. 邓喀中， 王刘宇， 范宏冬.基于InSAR技术的老采空区地表沉降 监测与分析 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2015， 32 （6） 918-922. Deng Kazhong， Wang Liuyu，Fan Hongdong. InSAR-based moni- toring and analysis of ground subsidence in old goaf ［J］ .Journal of Mining Safety Engineering， 2015， 32 （6） 918-922. 蔡美峰， 李春雷， 谢谟文.北洺河铁矿开采沉陷预计及地表变形 监测与分析 ［J］ .北京科技大学学报， 2008， 30（2） 109-114. Cai Meifeng，Li Chunlei，Xie Mowen.Subsidence prediction and surface deation monitoring and analysis in Beiminghe Iron Mine， China［J］ .Journal of University of Science and Technology Beijing， 2008， 30（2） 109-114. 李春雷， 谢谟文， 李晓璐.基于GIS和概率积分法的北洺河铁矿 开采沉陷预测及应用 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2007， 26（6） 1243-1250. Li Chunlei，Xie Mowen， Li Xiaolu. GIS and probability integral based approach for subsidence prediction and application to Bei- minghe iron mine ［J］ .Chinese Jonrnal of Roack Mechanics and En- gineering， 2007， 26（6） 1243-1250. 马凤山， 袁任茂， 邓青海， 等.金川矿山地表岩移GPS监测及岩 体采动影响规律 ［J］ .工程地质学报， 2007， 15 （S2） 84-97. Ma Fengshan， Yuan Renmao， Deng Qinghai， et al. GPS monitor- ing of ground movement and mechanism of underground mining in- fluence in Jinchuan mine［J］ . Journal of Engineering Geology， 2007， 15 （S2） 84-97. 袁仁茂， 马凤山， 邓清海， 等.急倾斜厚大金属矿山地下开挖岩 移发生机理 ［J］ .中国地质灾害与防治学报， 2008， 19 （1） 62-67. Yuan Renmao， Ma Fengshan， Deng Qinghai， et al.Mechanism of ground movement induced by underground mining of metal deposit with steep occurrence and large thickness［J］ .The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2008， 19 （1） 62-67. 赵海军， 马凤山， 丁德民， 等.急倾斜矿体开采岩体移动规律与 变形机理 ［J］ .中南大学学报 自然科学版， 2009， 40 （5） 1423- 1429. Zhao Haijun， Ma Fenshan， Ding Demin， et al.Law of ground move- ment and its deation mechanism induced by mining steep de- posit ［J］ .Journal of Central South University Science and Technolo- gy， 2009， 40 （5） 1423-1429. 尹光志， 代高飞， 万玲， 等.南桐煤矿开采岩移规律的数值模 拟 ［J］ .重庆大学学报 自然科学版， 2001， 24 （5） 62-65. Yin Guangzhi， Dai Gaofei， Wan Ling， et al.Numerical simulation of strata movement behavior in deep excavation ［J］ .Journal of Chongq- ing University Natural Science Edition， 2001， 24 （5） 62-65. ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ 金属矿山2020年第2期总第524期 162 ChaoXing