开采引起地表沉陷的数值模拟.pdf

S e r i a l No ． 4 3 9 J a n u a r y ． 2 0 0 6 矿 业 快报 EXP RES S I NF oRM ATI ON OF M I NI NG I NDU S TRY 总 第 4 3 9 期 2 0 0 6 年 1月第 1 期 地下开采引起地表沉陷的数值模拟 廉 海 魏秀泉 甘德清 河北理工大学资源与环境学院 摘要 地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是一个非常严重的地下工程问题。 为实现矿 山的 安全开采 ， 必须对地下开采 引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响进行研究。 文中以石 人沟铁矿为研 究对 象， 运 用F I AC软件 ， 采用数值模拟 的方法， 对石人沟铁矿地表沉陷数 学模型的 开采过程进行分步开挖模拟， 并总结出了地下开采 引起的上覆岩层和地表的移动规律 ， 给 出了不 同 开采阶段的地表动态移动曲线。 关键词 地下开采； 岩层移动 ； 地表沉陷； 数值模拟 中图分类号 TD 3 2 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 5 6 8 3 2 O O 6 0 1 一 O O 2 9 0 4 Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f Gr o u nd S ur f a c e Sub s i de nc e Ca u s e d by Und e r g r o un d M i ni n g Li a n Ha i W e i Xi uq ua n Ga n De q i ng S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d En v i r o n me n t ，He b e i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Ab s t r a c t Th e s t r a t a mo v e me n t a n d t h e g r o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e c a u s e d b y u n d e r g r o u n d mi n i n g a r e s e r i o u s u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g p r o b l e ms ．I n o r d e r t o r e a l i z e s a f e t y mi n i n g o f mi n e， i t i s n e c e s s a r y t O r e s e a r c h o n t h e o v e r l y i n g f o r ma t i o n’ S mo v e me n t r u l e c a u s e d b y u n d e r g r o u n d mi n i n g a n d i t s e f f e c t o n t h e g r o u n d s u r f a c e mo v e me n t ．Ta k i n g S h i r e n g o u I r o n Mi n e f o r e x a mp l e， t h e s t e p d i g g i n g s t i mu l a t i o n o f mi n i n g p r o c e d u r e s o f t h e g r o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e ’ S ma t h e ma t i c mo d e l i s r e s e a r c h e d b y t h e F I AC s o f t wa r e a n d t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d i n t h i s p a p e r ． Th e o v e r l y i n g f o r ma t i o n a n d t h e g r o u n d s u r f a c e ’ S mo v e me n t r u l e c a u s e d b y t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g i s s u mma r i z e d，a n d t h e mo v i n g c u r v e s o f g r o u n d s u r f a c e d y n a mi c s t a t e i n d i f f e r e n t mi n i n g s t a g e s a r e g i v e n． Ke y wo r d s Un d e r g r o u n d mi n i n g ；S t r a t a mo v e me n t ；Gr o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e ；Nu me r i c a l s i m u l 1 a t i o n 1 国内外开采沉陷理论的研究发展 地下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复 杂的物理 、 力学变化过程 ， 它涉及到采矿工程的各个 领域。 在 国外 ， 早在 1 5世纪 ， 地表开采沉陷问题就 已 被人们所注意 。 但这个时期开采沉陷理论发展较慢 ， 直到 1 9世纪 ， 相继出现了德 国人依琴斯凯的“ 二等 分线理论 ” ， 耳西哈L 3 的“ 自然斜 面理论” ， 法 国人法 约尔[ 3 ] F a y o 1 的开采沉陷“ 拱形理论” 等 ， 人们对开 采影响问题才有了一些初步的认识和研究。 1 9世纪末， 沉陷理论研究逐步深入 ， 在研究各 种沉陷分布与各类角度 的同时， 也开始 了对开采引 起的地表下沉与变形规律的研究 。 1 9 5 3年波兰学者 廉海 1 9 8 0 一 ． 男， 在读 研究生． 0 6 3 0 0 9河北省唐山市新 华 西 道 4 6号河北理工大学研究生学院 O 3届采矿工程专业。 萨武斯托维奇[ 3 提出了将岩体视为均质线弹性体 ， 提出计算岩体下沉的方法。随后李特维尼申等学者 应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学研究岩层 及地表移动问题， 用概率论的方法建立由地下单元 开采所引起 的岩层及地表单元下沉盆地表达式 、 单 元水平移动表达式 ， 经迭加建立下沉的剖面方程及 其移动与变形分布表达式。随后通过实践应用到上 个世纪 7 0年代末期 ， 形成了地表移动破坏的理论体 系 。 从2 0世纪7 0年代至今 ， 随着科学技术的发展和 研究手段的提高 ， 开采沉陷理论中渗透了其它相关 学科的理论 ， 得到了进一步的发展。在这一阶段 ， 陆 续问世 的有限元 、 离散元、 边界元及各种算法和程序 充分发挥了各 自的长处 ， 在很大程度上促进 了岩石 2 9 维普资讯 总第4 3 9 期 矿业快报 2 0 0 6年 1月第 1期 软科学研究以及岩体地下工程 的发展。 在我国， 地下开采 引起的岩层移动及地表沉陷 理论是建国以后发展起来的。一些学者从不同的侧 面 用不 同 的方法对 开 采沉 陷理 论进 行 了探讨 研 究 ] 。1 9 8 1年刘天泉与仲惟林等学者合作， 提出了 覆岩破坏的基本规律和 冒落带高度的计算方法 。李 增琪 1 9 8 5 采用 F o u r i e r变换推出了岩层与地表移 动表达式 。杨硕 1 9 9 0 提出了开采沉陷的力学预测 模式 李永树 1 9 9 5 1 9 9 7 等建立了褶曲构造煤层 三维空间开采时地表单元下沉盆地和单元水平移动 表达式。崔希民 1 9 9 6 对主断面的地表移动与变形 进行了实时位移分析 ， 应用流变模型进行开采沉陷 研究 。另外， 一些现场技术人员对采动滑坡、 采动对 断层 的影响、 巨厚松散层下采矿对地表移动规律 、 条 带开采地表移动规律等方 面也进行 了大量 的研究。 几十年的研究 ， 开采沉 陷理论 已取得了很大发展和 完善 。 2 石人沟铁矿简介 石入沟铁矿区所处区域地质构造位置为燕山沉 降带马兰峪复背斜轴部。矿 区为一单斜构造。工程 地质条件属简单型。 矿体走向长2 ． 6 k m， 自南 向北分 布在3 O号勘探线至5号勘探线之间。矿区浅部矿体 采用鼯天开采 ， 露天开采境界最低标高为 0 m， 开采 境界南北长2 ． 8 k m， 由南 向北分为 3个采区。 石入沟铁矿矿体赋存于太古界迁西群马兰峪组 片麻岩中。磁铁石英岩矿体与角闪长片麻岩岩层相 互 平行产出， 有 M0 ， M1 ～M5计 6个矿体， 属多层 矿 。 各矿体之间夹层平均厚度为2 1 ． 3 m。 矿体走向近 南北 ， 向西倾斜 ， 倾角5 O 。 ～7 O 。 ， 平均倾角6 O 。 ， 属急倾 斜矿体。 矿体顶底板 围岩为角闪斜长片麻岩、 黑云角 闪斜长片麻岩 ， 岩石普氏硬度系数为6 ～1 0 ， 体重2 ． 8 t ／ m。 ， 松散系数1 ． 5 ； 矿石为磁铁石英岩， 普氏硬度系 数 1 O ～1 2 ， 体重3 ． 4 t ／ m。 ， 松散系数1 ． 5 ， 矿体与围岩 均比较稳固。矿 区示意图见图 1 。 j E 一 一 图 1 石人沟铁 矿矿区现状 示意 图 3 地表沉陷数学模型的建立 本次研究分别以南区、 北区为例 ， 应用F L AC软 件进行数值模拟， 模拟石人沟铁矿露天转地下后 ， 地 3 O 下开采引起的岩层破坏和地表移动的过程 ， 分析不 同开采 中段、 不同岩层的移动角 ， 并最终得出地表下 沉曲线模型。 3 ． 1 基本假设 在数值模拟过程中， 为 了使计算结果 比较接近 实际情况 ， 对岩体介质性质 、 计算模型、 矿山地质条 件、 受力条件 、 采矿工艺及采矿方法等都作了必要的 假设 。 1 对矿岩性质的假设 。假设矿岩为各 向同性、 均质且符合摩尔一 库仑弹塑性模型的介质。 2 对计算模型的假设 。对地下工程开挖来说 ， 地下矿山开采是一个空间问题 ， 应采用三维空间计 算模型更为合理。但一般来说 ， 在同等条件下 ， 二维 数值模 拟结 果与三维数值模拟 的计算结果 比较接 近。因此 ， 计算模型简化为二维平面模型。 3 矿房结构的简化。 为模拟方便 ， 对巷道工程 、 每一矿房 的开挖步数 等不予考虑 ， 模拟时简化为实 体 。 矿房结构参数 矿块长度6 0 m， 境界顶柱1 6 m， 中 段高度 4 4 m， 间柱宽度 1 0 m。 4 计算不考虑与时间有关的物理量。 3 ． 2 模 型建立 进行 模拟计算的模型采用F L AC 2 ． 2 5 建 立， 坐 标 原点设 在左下 角， X 轴水平， 由左 向右方 向为正 方向； Y轴竖直 ， 由下向上为正。 在模型的左侧， 固定 X、 y方 向位移 ， 在其底部只固定 y方 向位移 ， 在其 右侧只固定 X 方向位移。 3 ． 3 网格划分 由于此次模拟是二维模拟 ， 并考虑 了计算机的 内存和软件的版本问题 ， 所以网格数不能超过1 5 0 0 个。 网格密度的划分应视研究的内容和重点进行。 开 采范 围内的矿体以及 围岩处 网格划分 的比较密集 ， 其它部分的网格划分比较大。 3 ． 4 矿岩物理力学参数选取 在本次模拟过程中， 力学模型选为线弹性模型， 依据分析需要将整个模型划分为 3种材料 ， 即 M1 矿体 、 M2矿体、 黑 云母角闪斜长片麻岩 ， 其参数数 值见表 1 。 3 ． 5边界条件 的确定 边界条件按剖面所处位置的应力条件以及按照 开采沉陷的原理确定。 边界条件为 水平方向上左右 两侧取水平位移约束边界 即 一0 ， 下边界取垂直 位移约束边界 垂直位移 一O ， 上边界 地表 为 自 由边界 。 维普资讯 廉海魏秀泉等 地下开采引起地表沉 陷的数值模拟 2 0 0 6年 1月第 1 期 由于研究 区域范围不大， 可 以认为研究 区域处 于均匀分布的应力场中， 并且认为岩石 中不存在构 造应力 ， 则岩石中的应力主要 由上覆岩石的重量引 起 ， 垂直应力和水平应力可以分别 由下式求得 z y H， 瓠 ； Y yH， 式中， y为上覆岩石的重力密度； H 为单元立方体所 在的深度 ； 为岩石的泊松 比。 在模拟过程中， 模型的边界约束条件见图 2 、 图 3 图 2 原 岩应 力模 拟的边界约束条件 图 3 南 区边界约束条件 4 数值 模 拟结果 分析 4 ． 1 矿房、 矿柱动态模拟过程及结果分析 从矿房分步开挖的模拟结果看， 最大、 最小主应 力随开采的进行 ， 在空区两侧应力值逐渐增加， 均高 于原岩应力值。 开挖区域越大， 向空区两侧重分布的 应力越大。北区开挖 8个矿房后最大拉应力和最大 压应力值都没有达到相应 的极 限强度 ， 空区相对来 说 比较稳定。 但结合实际开采情况， 北区开挖8个矿 房后就回收矿柱， 处理了采空区。 南区在开挖5个矿 房后， 拉应力和压应力都达到 了极限强度 ， 矿房顶、 底板受到了不同程度的破坏。所 以当采完第 5个矿 房后就处理了空区， 即崩落岩层。 在后面的矿房开采 中， 每开挖 4 ～5 个矿房就处理一次采空区。在南区 整个模拟开采过程中， 进行了3次矿柱回收。回收矿 柱后 ， 应力再次重新分布， 产生应力降低 区。随着地 下矿房的开挖， 应力又逐渐增大。 直到达到抗压强度 和抗拉强度， 再次破坏顶板岩层。 4 ． 2 地表移动动态曲线的建立 由 于 此 次 模 拟 采 用 F L AC软 件 模 拟 ， 运 用 F L Ac程序可 以对一些关键点的历史位移和最大主 应力 、 最小主应力进行跟踪记 录。在此次研究过程 中， 每个模型都选取了采空区上方地表的许 多关键 点进行记录。根据历史位移记录曲线得出竖直方 向 的位移值 ， 画出每个模型在开采过程 中地表 沉陷的 移动曲线。 1 北区地表沉陷动态移动过程曲线 。 根据前面 的数值 模拟结果和对地表关键点 的历史位移的记 录， 得 出了地表沉陷过程图。由于北 区在扦挖1 个和 2个矿房时， 移动量非常微小 ， 无法在图形上表示 。 所 以北 区只画 出 了开 挖 8个 矿房 且开 挖矿 柱 后 的移 动曲线图。其动态移动曲线见图 4 。 0 m 一6 0 m l 2 0 m 图 4北 区 地 最 沉 陷 移 动 过 程 2 南区地表沉陷动态移动过程曲线。 根据数值 模拟结果和历史位移记录可知， 南 区由于上部为废 石松散层 ， 垂直位移量较大。在开采过程中， 当开挖 5 个矿房后 ， 就要处理矿柱和空区 ；； j 开采到第 9个 矿房时 ， 第 二次 回收矿柱和处理空 区； 当开采 到 l 1 个矿房时， 又进行了矿柱 回收。因此 ， 在此次模 过 程中， 共 回收了三次矿柱 。 第一次回收矿柱后地表最 大下沉值为 1 8 m， 第二次 回收矿柱后地表最 大下沉 值为 2 6 m， 第 三次 回收矿柱 后地表最 大 下沉 值为 2 7 m， 其动态移动曲线见图5 。 ⋯ l 塌陷垅 2 3 地表 川 u m ■■■ 妄 ； 兰 1 ． ． ■． - ‘ ． ． ． J 0 摩 0 - 0 一 j 图 5 南区地表沉陷移动过程 1 一第一次开挖矿柱后沉 陷曲线 2 一第二次开挖矿柱后沉陷曲线 3 一第三次开挖矿柱后沉陷 曲线 5结 论 1 应力状态分析。 从矿房分步开挖的模拟结果 3 1 维普资讯 总第4 3 9期 矿业快报 2 0 0 6年 1月第1期 看 ， 最大、 最小主应力随开采的进行 ， 在空区两侧应 力值逐渐增加 ， 均高于原岩应力值 。开挖区域越大， 向空区两侧重分布的应力就越大。 2 垂直位移分析。 在地下开采过程 中， 顶 、 底板 产生竖直向下的位移， 这是由顶、 底板处的拉应力引 起 的。随着矿房不断开采 ， 最大下沉值越来越大。 最 大下沉值发生在空 区中部的上方 ， 矿房的上部和矿 房与矿柱接触的角点附近 ， 且偏向于开采前进 的一 侧 ， 呈不对称的拱形分布， 向两侧逐渐减小。 3 通过对模型结果的分析 ， 结合地表沉陷随开 挖过程的动态移动曲线 ， 得出了岩层及地表移动破 坏 的规律 ， 并对确定移 动角和圈定移动范围提 出了 特殊的方法。 在开采前 ， 先根据工程类比法和经验公 式 ， 参照类似矿山确定该矿山的移动角 ， 并根据此移 动角从开采矿 体的最深部划 出该矿 的大致 移动范 围。在模拟过程中， 由于是分步开挖 ， 随着矿房开采 数 目、 开采时间和开采空间的不同， 随时分期、 分布 划出地表移动曲线 ， 确定出不同岩层的移动角， 并对 参照的移动角进行改进。 4 在地表沉陷理论中， 确定移动角和圈定移动 范围是一个非常重要的内容 。文 中没有研究出具体 的移动角修正值 ， 还有待作进一步的研究。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴 侃， 开采 l 起的地表裂缝 深度和 宽度预计[ 】 J ． 阜新矿业 学 院学报 ， l 9 9 7 ． 1 2 ； 5 4 9 ～5 5 2 ． [ 2 ] 王树元 ， 赵德勤． 矿山开采破坏 学[ M] ． 冶金 工业出版社 ， l 9 9 3 ， l 2 ， [ 3 ] 贺跃光． 工程开挖引起 的地表移动与 变形模 型及监测技术研 究 L D] ， 中南大学博 士学位论文 ， 2 0 0 3 ， 4 1 ～2 ． [ 4 ] 洪靖文． 采动覆岩动态移动破坏规律厦开采沉 陷预计 系统研 究 [ D] ． 北 京 中国矿业 大学博士论文 ， l 9 9 9 l ～5 ． [ 5 ] 姜艳美． 石人沟铁矿露天特地下开采施工中的问题探讨[ J ] ． 矿 业快 报 ， 2 0 0 5 1 0 ． 收稿 日期 2 0 0 5 1 0 1 8 0● 00●00● 00●00● 00●00● 00● 00●00● 00● ●0q ●00● 0口● 0 0 ●00● 0o● 0 o ●00● O0● oo●oo● oo● o0● Oo● 0 0● OO● 0O●oo● oO● 0O●00● 0o● o0●00● 00● O0● ●00● 00● 0 0 ●00● 00● 0 0 ●00● 00●0o● 00● 0 0 ● 信 息平 台 我国2 0 0 6年将全面推进矿业权有偿取得改革 2 0 0 6年 ， 国土资源部拟采取六项措施， 全面整 顿和规范矿产资源开发秩序 ， 其中包括全面推进矿 业权有偿取得制度改革 。 1 从“ 三查” 人手 ， 全面刹风治乱。对各种违法 开采矿产资源行为进行全面排查 ， 对所有矿产资源 勘查项 目进行全面检查 ， 对矿产资源管理中的违法 违规行为进行全面清查 ， 全面遏制破坏矿产资源开 发秩序的各类违法行为。 2 从分类管理人手， 全面推进矿业权有偿取得 制度改革。根据矿产资源的自然属性和以往地质勘 查 工作程度， 按勘查风险程度 不同， 分类 出让探矿 权 、 采矿权 。 3 从规范权限人手 ， 全面规范和加强矿业权管 理 。 严格执行审批权限和程序 ， 进一步完善探矿权和 采矿权 申请、 延续 、 变更、 转让、 注销等相 关管理制 度 。 4 从完善矿区规划人手 ， 促进规模化开采和集 约化利用 。 继续划定大型煤炭 国家规划矿区， 科学编 32 制矿业权设置方案 。 已有矿山要按照规模化、 集约化 的原则进行整合 ， 新建矿山要达到规定的最低开采 规模并符合规划布局要求。 5 从矿 山储量动态监管人手， 全面加强开发监 管。 全面推进矿山矿产资源储量动态监督管理 ， 组织 开展以储量消耗为依据征收补偿 费的试点 ， 强化对 矿产资源勘查开采 的现场监督检查。 6 从总结整顿和规范的经验人手， 探索建立矿 政管理的长效机制。边整顿规范， 边总结经验， 及时 研究制定相关政策措施， 不断完善矿政管理机制 ， 为 矿产资源法 修订奠定基础 。 2 0 0 5年 ， 国家在巩固土地市场治理整顿成果的 同时， 及时研究部署矿产资源开发秩序整顿和规范 工作 ， 调整了中央和省级探矿权采矿权的审批权限， 加强了对矿产资源勘探开采 的宏观控制 ； 同时， 对 国 内资源短缺和供需 紧张的矿产 ， 加大鼓励勘查开采 的力度； 对钨等优势矿产 ， 继续实行开采总量控制 。 维普资讯