地下开采地表变形数值模拟研究.pdf

Series No. 336 June 2004 金 属 矿 山 METAL MINE 总第336期 2004年第6期 陈清运,北京科技大学土木与环境工程学院,博士生,联系地址武钢 矿山设计研究所,435006湖北省黄石市。 地下开采地表变形数值模拟研究 陈清运 蔡嗣经 明世祥 北京科技大学 侯大德 马鞍山矿山研究院 摘 要 采用2D - FLAC软件,依崩落法工艺流程建立地下开采地表变形动态分析模型。金山店铁矿余华寺 矿区计算结果表明,在- 150 m水平以上开采时移动角和崩落角比较小,继续开采时变形趋于平缓,找到了影响地 表变形的主要因素,指出矿山深部开采应该注意的问题,提出了预防地质灾害的建议。 关键词 无底柱分段崩落法 移动角 崩落角 FLAC Numerical Simulation Study of Ground Deation in Underground Mining Chen Qingyun Cai Sijing Ming Shixiang University of Science and Technology Beijing Hou Dade Maanshan Institute of Mining Reseach Abstract 2D - FLAC software was used to establish the model for dynamic analysis of the ground deation caused by underground mining , which was based on the technological flowsheet of caving . The calculation results for Yuhuashi mining area at Jinshandian Iron Mine showed that mining at above - 150 m level had small movement angle and caving angle and the deation would become gentle when mining continued. The main factors affecting the ground deation were found , thepoints needing attention in deep mining pointed out and the suggestions on geological disaster prevention made. Keywords Pillarless sublevel caving , Movement angle , Caving angle , FLAC 金山店铁矿余华寺矿区是一座有独立开拓系统 的矿山,20世纪70年代末露天矿在 0 m水平闭 坑,1988年正式进行地下开采。生产到- 100 m水 平时,工业场地出现大面积滑坡,致使地表铁路内迁 改道。 地下开采地表移动范围一般是依工程类比法, 选择类似矿山岩层移动角圈定。采用崩落法开采的 矿山进入深部开采后出现 “超常” 岩层移动,原因是 多方面的a.对矿山深部开采的地表岩移规律研究 不深入;b.设计中采用的工程类比参数不准确;c.在 设计过程中对于同一种岩性简单地采用一个角度, 没有考虑岩体的非线性和不连续性。开展地下开采 移动角和崩落角的研究,弄清地表岩移规律,对矿山 总图设计、 土地征购和复垦、 矿山可持续发展、 安全 生产、 经济效益等有非常重要的现实意义。 1 矿区地质概况和矿岩力学参数 1. 1 矿区工程地质和开采情况简介 余华寺矿床为高温热液接触交代矽卡岩型磁铁 矿,矿床长800 m ,宽450 m。位于保安复式背斜南 翼,金山店侵入体北缘西段。矿区地层主要为三迭 系上统蒲圻群紫色砂页岩和中统嘉陵江灰岩,受区 域构造控制呈近东西向分布。矿床赋存于上述地层 与燕山期中酸性侵入体的不整合接触带,受接触张 裂隙控制,并被成矿后断裂改造。矿床主要分为3 段,东段位于 Ⅱ～ Ⅳ线之间,近东西走向,已经采 完。中段位于 Ⅴ ～ Ⅷ 线之间,长约300 m ,是本矿 床的主要地段,倾向北西,倾角40 ～65 左右,自上 至下,矿体倾角有由陡变缓之势。在- 200 m以下, 矿床从 Ⅵ 线起走向变为南北向,向西倾。平均厚度 30～40 m ,最大达86～145 m ,埋藏标高 85～- 380 m。西段位于 Ⅸ～ Ⅹ之间,埋藏标高- 170～ - 520 m。 采用无底柱分段崩落法进行回采,中段高度50 m ,在- 100 m以上分段高度10 m ,以下为12. 5 m , 进路间距为10 m ,目前开采水平为- 162. 5 m。设 计生产能力为40万t/ a ,实际达到50万t/ a。 91 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1. 2 矿岩及结构面力学参数 通过计算,得到余华寺矿区距地表0～100 m , 100～300 m , 300m矿岩的力学参数折减系数取 0. 3 ,0. 4 ,0. 5 ,见表1。 表1 矿岩体物理力学参数 岩 性 深度范围 m 密度 / kg m- 3 弹性 模量 E/ GPa 泊松 比 μ 内聚 力 C/ MPa 内摩擦 角φ/ 抗拉 强度 / MPa 角页岩 石英闪 长 岩 铁 矿 0～1002 60012. 60. 221. 1300. 2 100～30016. 83. 30. 5 300215. 52. 5 0～1002 700 13. 320. 291. 75300. 2 100～30017. 765. 250. 5 30022. 28. 752. 5 0～1004 0508. 340. 20. 472 3300. 2 100～30011. 121. 416 90. 5 30013. 92. 361 52 矿岩结构面物理力学参数采用试验值,不进行 折减,其参数见表2。 表2 矿岩结构面物理力学参数 序号岩性C/ MPaφ 1角页岩0. 573 21429′ 2石英闪长岩0. 116 45629′ 余华寺矿区存在近东西方向 N80 W 为第一主 应力的水平构造应力场,原岩应力在水平方向取1. 4 倍的自重应力,数值计算中不考虑水的影响。 2 FLAC数值模拟计算 2. 1 计算判据 采用FLAC进行计算。移动角和崩落角是以地 表临界变形值圈定的,根据原冶金部的 “冶金矿山测 量规范”,对于一般砖石结构的建筑物,临界变形值 定义为对移动角地表倾斜率i 3 mm/ m,地表水 平变形ε2 mm/ m,地表剖面线的弯曲度 k 0.2 10- 3/ m;对崩落角i 10 mm/ m,ε6 mm/ m, k 0.610- 3/ m。 在实际观测过程中,还给出了边界角概念,以下沉 或水平移动为10 mm的点作为移动盆地边界点。 2. 2 计算剖面和计算方案的确定 通过对地质平面图和剖面图的分析,充分考虑 地下采矿对地表建筑物和构筑物影响程度,以及将 来矿床开采的主要部位,选择 Ⅶ、 Ⅵ 和 ⅥE 3个剖面 进行计算。3剖面所在位置和参数如表3。 根据无底柱分段崩落法生产实际情况,以2个 分段为一次开挖,即25 m高作为1个计算分层,废 石和上下盘地表崩落围岩回填采空区。在原露天矿 回采完毕后计算平衡,然后从 0 m水平以下开始 计算,一直到矿体尖灭为止。 表3 计算剖面位置及其参数 剖面方位角 间距 / m 平均厚度 / m 倾角 / Ⅶ12551′34″ Ⅵ12512′06″ ⅥE12512′06″ 72 71 3865 4060 3065 2. 3 FLAC数值计算动态分析模型 松动区引起地表岩移理论认为,地下开采的采 空区周围存在破损区,将采空区和破损区作为松动 区,在松动区内将会发生沉陷或较大的位移,而在松 动区外的岩体则有自成平衡的稳定趋势。从松动区 边界最宽的位置作铅垂线,与地表的交点作为崩落 区。在采空区顶作水平线,与上述2条铅垂线相交 于2点,以此2点分别按类似矿山的移动角作2条 斜线与地表相交于2点,该2点之间的范围为移动 区。 在FLAC数值计算模型建立过程中,为了消除 边界条件对计算结果的影响,在矿体的上下盘和纵 深方向分别取足够大的长度。为了提高计算精度和 曲线圆滑,在矿体及围岩附近按5 m5 m的尺度 划分单元,在远离矿体的地方则按一定的比例逐渐 放大单元尺寸。Ⅶ、 Ⅵ 剖面为180118个单元,Ⅵ E剖面150118个单元。各功能区分别用MARK 命令进行标识,保证计算过程中单元参数和开挖回 填的正确性。根据松动区引起地表岩移理论,围岩 损伤松动区以近似90 的角度向上崩落,松动时间 指FLAC计算次数对于浅部开采为5 000次,对 于深部则为3 000次。待其充分变形后进行回填, 回填单元物理力学参数为散体的物理力学参数。计 算收敛是靠不平衡力来控制的,如果不平衡力小于 10 000 Pa ,则认为系统计算已经达到平衡,就可以 进行下一个水平的开挖了,采用摩尔库仑破坏准则。 2. 4 计算结果与分析 FLAC计算表明图1 ,2 ,3 ,3剖面下盘移动角 在45 ～50 之间变化,而不是设计采用的55 。岩 层移动特征① 矿岩质量差,地表变形移动角就小。 在- 100 m以上开采时,由于矿岩风化蚀变严重,移 动角在30～45 之间变化。② 矿体倾角大移动角变 小。- 100 m以上矿体下盘倾角在70 以上,3剖面 移动角都比较小。由于矿体倾角大,潜在滑移面上 岩体质量大,下滑力大,潜在滑移面倾角减小,导致 移动角减小。且容易产生大型滑体,现在 ⅥE～ Ⅵ 线之间的滑体就是这样产生的。进入- 150 m以下 02 总第336期 金 属 矿 山 2004年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 开采,由于矿体变缓,围岩质量好转,岩层变形几乎 不波及到地表。ⅥE、 Ⅵ剖面在- 150 m以下倾角 50, - 162. 5 m开采时对地表变形贡献很小。③ 矿 体厚度增大移动角减小,下盘移动角与采矿深度曲 线凹处都是对应矿体厚大部位,但 Ⅵ 剖面- 250 m 移动角显著减小是由于矿体在该处急剧变窄,向倾 斜方向在水平面上有近50 m的水平位移,计算上造 成移动角减小的假象。④ 随采矿深度增加移动角缓 慢增加,ⅥE剖面矿体倾角和厚度变化不大,移动角 随采深增加而增加,但幅度不大。由此可知,影响岩 层移动的主要因素有矿岩质量、 矿体倾角、 矿体厚度 和采矿深度等,其中前3个因素比较敏感,采深次 之。边界角、 崩落角与移动角有同样的变化趋势,在 矿体浅部开采时,边界角在40 左右;崩落角在50～ 55 之间。从3剖面单元屈服破裂情况可以看到,边 坡屈服单元比较集中,拉伸单元组成的破裂面比较 陡,边坡主要是以拉伸破坏为主。综上所述,岩层移 动角是各种因素综合作用的结果,所以下盘移动角 与采矿深度曲线有波浪起伏是正常的。 图1 ⅥE剖面下盘边界、 移动、 崩落角与采深 ◆-边界面;■-移动角;▲-崩落角 计算与实测结果见表4 ,ⅥE剖面计算结果与 实际 监 测 结 果 只 有2. 22 的 误 差,Ⅵ剖 面 为 29. 3 ,Ⅶ 剖面为71 。Ⅶ 剖面计算与实测地表变 形误差大,主要是 Ⅶ 剖面位于露天坑西帮帮脚,在矿 体浅部开采时边帮岩体完整,对 Ⅶ 剖面下盘岩体有 支撑作用,进入- 150 m以下后矿体向西延伸,露天 坑西帮将破坏,将导致浅部开采积累的变形充分释 放,实际变形将加大。 表4 下盘计算与实测值对比 剖面 FLAC计算角 边界移动崩落 实测 设计角 移动崩落 Ⅶ32. 2243. 9649. 24505560 Ⅵ42. 9246. 1251. 8552. 15560 ⅥE42. 3346. 0454. 2953. 85560 注生产到- 150 m水平地表变形结果 工程进一步验证矿区西端蚂蚁大量搬迁,说明 该段地层处于活动之中,下盘大滑体原来虽然位移 很大,但在2003年的大旱中上面的高大树木和杂草 依然茂盛,说明破裂面基本上是闭合的,滑体已经处 于稳定之中,进入- 162. 5 m水平开采后对现有滑 体影响小。 图2 Ⅵ 剖面下盘边界、 移动、 崩落角与采深 ◆-边界面;■-移动角;▲-崩落角 图3 Ⅶ 剖面下盘边界、 移动、 崩落角与采深 ◆-边界面;■-移动角;▲-崩落角 3 结论与建议 矿体进入- 150 m后有向西发展的趋势,支撑 Ⅶ 剖面下盘岩体的露天西帮覆岩将失去作用,结果 将导致下盘岩体大面积垮冒,直接威胁到负井平硐 的安全,除应该加强监测外,还应该考虑负井平硐新 的出口。矿体的下盘有F3、F4断层,与边坡围岩斜 交,构成了楔形体滑块,需加强工业场地地表变形的 监测,同时要加强工程地质调查研究。 1根据松动区地表岩移理论建立的崩落法地 下开采地表变形动态分析模型较好地反映了崩落法 岩层变形破坏过程。 2矿体下盘地表变形程度与矿岩质量、 矿体 厚度、 矿体倾角、 采深等有关系。矿岩体破碎、 厚大、 倾角陡则移动角小,采深对移动角影响不显著。 3破坏主要是以拉伸破坏为主。 4金山店铁矿余华寺矿区计算结果与地表实 际观测的变形和破坏情况吻合得比较好,ⅥE～ Ⅵ 剖面在- 150 m以下开采时地表受影响的程度小, Ⅶ 剖面下盘受地下开采影响将比较大。 参考文献 1 曹 阳,等 1 构造应力型矿山地表移动宏观破坏特征与对策 1 矿 冶工程,20022 31～33 2 李铁汉 1 论岩体特性随深度变化 1 中国岩石力学与工程学会第 三次大会论文集 1 北京中国科学技术出版社,1994 3 吴兴春 1 岩体变形模量随深度关系 1 岩石力学与工程学报,1998 5 487～489 收稿日期 20042032 28 12 陈清运等地下开采地表变形数值模拟研究 2004年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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