高应力区陡倾矿体开采引起岩移变形的数值模拟.pdf

Series No. 431 May2012 金属矿山 METAL MINE 总 第431 期 2012年第 5 期 *国家自然科学基金项目 编号 40972197， 41172271 ， 中国科学院 知识创新工程重要方向性项目 编号 KZCX2 － YW － Q03 －02 。 张亚民 1984 ， 男， 博士研究生， 100029 北京市朝阳区北土城西路 19 号。 高应力区陡倾矿体开采 引起岩移变形的数值模拟 * 张亚民 1， 2 马凤山 1， 2 闫冬飞 1， 2 郭捷 1， 2 岳斌 3 周伟 3 1. 中国科学院工程地质力学重点实验室; 2. 中国科学院地质与地球物理研究所; 3. 金川镍钴研究设计院 摘要采用数值模拟的方法， 就金川二矿区高构造应力下充填开采引起的地表变形规律、 围岩位移场展开 研究。结果表明 构造应力下充填开采引起的地表变形的形态和范围、 变形中心位置和量值均在发生有规律性的 变化， 矿体上盘的地表变形量明显大于矿体下盘的地表变形量; 围岩变形形式由初期的顶板下沉和底臌变成后期 的两帮内挤; 上盘围岩的位移量大于下盘围岩位移量。研究结果对于研究构造应力下的陡倾矿体开采引起的地表 及围岩变形规律有指导意义。 关键词构造应力充填法陡倾矿体岩体移动围岩位移场 Numerical Simulation of Rock Mass Movement and Deation Caused by Mining Steep Mine in High Stress Area Zhang Yamin1， 2Ma Fengshan1， 2Yan Dongfei1， 2Guo Jie1， 2Yue Bin3Zhou Wei3 1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Chinese Academy of Sciences; 2. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences; 3. Jinchuan Nickel and Cobalt Research and Engineering Institute AbstractBased on numerical simulation ，the ground movement laws and evolution pattern of displacement field caused by underground backfill mining in high tectonic stress area were studied. The numerical results indicate that the shape，range，central position and magnitude of ground movement are changing regularly caused by backfill mining in high tectonic stress area. The deation of the ground surface in the hanging wall is obvious larger than that in the foot wall. The surrounding rock deation changes from roof convergence and floor heave at an early stage to wall convergence in the later. The magnitude of the displacement in the hanging wall is larger than that in the foot wall. This result is beneficial to the study of the ground surface movement and surrounding deation caused by backfill mining the steep orebody in high tectonic stress area. KeywordsTectonic Stress， Backfill mining， Steep orebody， Rock mass movement， Surrounding rock mass， Displace- ment field 矿产资源的开发利用是国民经济持续快速发展 的重要支柱。由于露天和浅部矿床的长期开采， 大 量矿山已经转入地下甚至深部开采。随着可持续发 展战略的实施以及环境保护意识的加强， 充分回收 矿产资源、 控制深部地压、 加强矿山环保也越来越引 起重视， 而充填采矿技术在这些方面的明显优势以 及取得的显著成效， 使得充填采矿法在世界各国的 应用范围不断扩大 ［1 ］。地下开采必然引起岩体的 变形移动， 在大量地表移动变形监测数据分析的基 础上， 其规律和机理研究是矿山开采研究中的重要 内容。我国对煤矿地表移动规律进行了深入研 究 ［2- 3 ］， 但是由于金属矿山在赋存条件、 地层结构、 矿 体形态、 采矿方法上与煤矿的较大差异， 致使在金属 矿山难以直接应用煤矿地表变形移动规律的研究方 法 ［4 ］。沉积矿床成因煤矿的开采引起的地表移动 属于自重体积力主控下的地表变形与改造， 而岩浆 矿床和变质矿床成因的金属矿山多是以水平构造应 力为最大主应力作用下的地表变形与改造作用。在 我国， 构造应力下的地表移动规律研究始于上个世 纪80 年代采用崩落法开采的程潮铁矿［5 ］， 以长沙矿 9 冶研究院、 中南大学为代表进行了有益探索［6- 9 ］。然 而对构造应力作用下充填法开采引起的岩体移动规 律研究在国内才刚刚起步 ［1- 10 ］， 充填开采过程中地 表移动变形规律及其机制、 围岩变形演化模式等问 题均没有得到较好的解决。本研究以金川二矿区 14 行勘探线简化剖面为例， 采用数值模拟的方法， 就上述问题展开探讨。 1矿区工程地质条件 金川镍矿是世界上特大型铜镍矿床之一， 位于 青藏高原东北缘， 为构造运动强烈的高地应力区， 矿 区地层为前震旦纪中深度变质岩系， 含矿超基性岩 侵入混合岩、 大理岩、 片麻岩中。矿区经历了自吕梁 运动以来的多次构造运动作用、 变质作用和多期岩 浆的侵入作用， 给矿区留下了以断裂为主的构造形 迹， 矿区岩层完整性差， 地质条件极为复杂。矿体长 约 6. 5 km， 宽几十到 500 多米， 深达千米以上。含 矿母岩超基性岩体被 NEE 向斜切断层分割为 4 个 相对独立的矿区， 自西向东依次为三、 一、 二、 四矿 区。二矿区占金川矿床矿产储量的 75， 其中镍品 位在 2以上的富矿中的镍又占全矿金属镍储量的 76， 因此， 二矿区的生产建设成为金川镍钴基地建 设的关键。 1矿体作为二矿区的主矿体， 位于二矿区西部， 大部分由富矿组成， 富矿体长约 1 300 余 m， 平均厚 69 m， 镍金属量占 1矿体的 87， 占二矿区的 76. 5。目前开采深度将超过 500 m， 开采面积将 达到 10 万 m2， 开采强度也从单中段开采提高到多 中段开采。 2计算模型及参数选取 以金川二矿区 14 行勘探线的简化剖面作为平 面地质模型， 岩组只考虑富矿和作为围岩的混合岩。 矿体倾角约 70， 属急倾斜矿体。采用 FLAC3D有限 差分软件， 建立的平面应变数值模型尺寸为2 500 m 900 m， 共划分 26 862 个单元。采用摩尔 － 库伦 本构模型。边界约束条件为 模型的两侧面约束水 平位移， 底面约束垂直位移， 上部为自由表面 图 1 。数值模拟参数见表 1 富矿、 混合岩、 充填体 。 金川二矿区实测地应力数据显示， 构造应力显 著， 最大主应力为水平向， 铅垂向应力值基本等于或 略小于上覆岩层的重力。地表附近的最大主应力约 为 3 MPa， 且应力随深度增加而增大， 在200 ～500 m 深处， 最大主应力一般为 20 ～ 30 MPa， 最大为 50 MPa。 图 1数值模型剖面示意 表 1数值模拟计算参数 岩性 容重 / kN/m3 弹性模 量/GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ 抗拉强 度/MPa 混合岩30． 02．20．32．044．02． 0 富矿29． 32．50．21．042．00． 8 充填体20． 00．20．30．44．00． 1 矿区地应力随深度增加的规律可按以下经验公 式 ［11 ］计算 σ1 3． 0 0． 045h， σ2 3． 0 0． 027h， σ3 γh { ， 式中，σ1为最大主应力， σ2为中间主应力， σ3为最 小主应力， h 为矿体埋藏深度， γ 为岩体容重。按照 以上公式， 在计算单元上施加梯形分布的初始应力。 首先生成自重体积力单独作用下的应力场， 位 移清零， 施加梯形分布的初始水平分布面力， 生成本 次计算采用的构造应力的初始应力场。然后进行矿 体的充填开采， 采用单中段下向充填法开采， 每次开 采 1 层， 每层矿体高 10 m， 开采后及时充填， 共充填 开采 20 层， 从上部依次向下矿体分层编号为 1 ～ 20。 3地表位移场特征 地表移动变形的宏观显现表明充填开采引起的 围岩移动已经发展到地表， 其范围有不断扩大的趋 势。金川二矿区地表明显的张裂缝和岩层错动痕 迹， 以及不断扩大的沉降漏斗很好地说明了这一 点 ［12- 13 ］。 地下开采引起的地表位移包括地表沉降和水平 移动 2 个方面。将充填开采之后地表单元节点的位 移进行输出， 本文根据部分分层开采引起的地面变 形数据绘制出了地表沉降分布曲线 图 2 和水平位 移分布曲线 图 3 。 从图 2 可以看出， 构造应力下地表沉降分布曲 线随矿体开采逐渐由单沉降中心向双沉降中心转 01 总第 431 期金属矿山2012 年第 5 期 图 2构造应力下充填开采地表沉降分布曲线 1第 1 层; 2第 3 层; 3第 5 层; 4第 7 层; 5第 9 层; 6第 11 层; 7第 13 层; 8第 15 层; 9第 17 层; 10第 19 层 图 3构造应力下充填开采地表水平位移分布曲线 1第 1 层; 2第 3 层; 3第 5 层; 4第 7 层; 5第 9 层; 6第 11 层; 7第 13 层; 8第 15 层; 9第 17 层; 10第 19 层 变， 在开采至第 15 层时， 出现了较为明显的双沉降 中心， 之后趋势渐趋明显。原主沉降中心位置随矿 体开采逐渐向远离矿体方向偏移， 沉降速率也经历 了大→小→大的变化过程， 在后期由小变大的过程 中， 第二沉降中心沉降速率逐渐增大且位置也逐渐 向远离矿体方向偏移。另外， 从沉降影响范围考虑， 随着下向开采的进行， 影响范围不断扩大， 由最初的 中心对称式分布扩散发展为后来的上盘占优式扩 散。 图 3 所示为构造应力下充填开采引起的地表水 平位移分布曲线。从充填开采之初到充填开采结 束， 始终存在 2 个水平位移极值点 位于上盘的主水 平位移极值点和位于下盘的次水平位移极值点。随 着开采高程的不断下降， 主、 次水平位移极值点均沿 远离矿体方向不断偏移， 且主水平位移极值点偏移 速率较大。 综上可以得到结论 地表的沉降中心和水平位 移极值点位置、 量值均在发生有规律性的变化， 沉降 和水平位移的曲线形态和范围也在发生规律性的变 化。沉降中心和水平位移极值点均沿远离矿体方向 不断偏移; 沉降曲线形态由最初的对称式、 仅有 1 个 中心的沉降盆地变成上盘占优式、 具有 2 个中心的 沉降盆地; 在量值上， 上盘的最大沉降量和最大水平 位移分量分别比下盘的最大沉降量和最大水平位移 分量大。 4围岩位移场变化规律 图 4 ～ 图 7 所示为充填开采第 1 层、 累计至第 5 层、 累计至第 10 层和累积至第 20 层的围岩位移等 值线云图。 图 4充填开采第 1 层时围岩位移等值线 图 5充填开采累计至第 5 层围岩位移等值线 图 6充填开采累计至第 10 层围岩位移等值线 图 7充填开采累计至第 20 层围岩位移等值线 充填开采初期 图 4 ， 围岩位移主要形式是采 场顶板下沉和底臌， 采场的两帮位移量很小。此时 的位移场基本以采场中心为对称轴呈上下盘对称分 布， 量值上沿对称轴由采场向地表和深部由大逐渐 11 张亚民等 高应力区陡倾矿体开采引起岩移变形的数值模拟2012 年第 5 期 变小。随着充填开采的继续 图 5 和图 6 ， 位移形 式变为两帮向采场方向的挤压， 上盘围岩在最大位 移值和发生位移范围上均大于下盘围岩。到充填开 采的后期 图 7 ， 位移主要发生在近似沿水平方向 上， 此时发生较大位移的则是矿体两帮的上下盘围 岩， 采场顶底板的位移量大大减小， 靠近充填体中间 部位较上下端的围岩位移量大， 表明构造应力控制 下的围岩水平变形逐渐占据主要地位。 综合上述分析可知， 在构造应力控制下的下向 充填开采过程中， 围岩变形形式也是由初期的顶板 下沉和底臌到后面的两帮侧胀、 向采场挤压的转变; 上盘围岩发生最大围岩的部位由充填体斜上方逐渐 向充填体中部移动， 而下盘围岩最大位移的部位基 本一直处于充填体的中部; 上盘围岩位移量比下盘 围岩位移量大。 5结论 1 随开采高程的下降， 构造应力下充填开采 急倾斜矿体引起的地表沉降和水平位移的曲线形态 和范围是动态变化的， 沉降中心和水平位移极值点 的位置和量值也是动态变化的。上盘地表的沉降和 水平位移在量值和范围上均明显比下盘地表大。 2 构造应力作用下的急倾斜矿体下向开采过 程中， 围岩变形形式由初期的顶板下沉和底臌变成 后来的两帮侧胀、 挤压。对于所模拟的陡倾矿体来 说上盘围岩位移在范围和量值上比下盘围岩大。 参考文献 ［ 1］赵海军， 马凤山， 李国庆， 等 . 充填法开采引起地表移动、 变形 和破坏的过程分析与机理研究［J］. 岩土工程学报， 2008， 30 5 670- 676. ［ 2］刘宝琛， 颜荣贵 . 开采引起的矿山岩体移动的基本规律［J］ . 煤炭学报， 1981 1 39- 55. ［ 3］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. ［ 4］王艳辉， 宋卫东， 蔡嗣经 . 地下金属矿山崩落采矿法岩层移动 规律分析［ J］ . 金属矿山， 2002 3 13- 16. ［ 5］黄平路， 陈从新， 肖国峰， 等 . 复杂地质条件下矿山地下开采 地表变形规律的研究［J］. 岩土力学， 2009， 30 10 3020- 3024. ［ 6］曹阳， 颜荣贵， 贺跃光， 等 . 构造应力型矿山地表移动宏观 破坏特征与对策［ J］ . 矿冶工程， 2002， 22 2 31- 33. ［ 7］方建勤， 彭振斌， 颜荣贵 . 构造应力型开采地表沉陷规律及其 工程处理方法［J］ . 中南大学学报 自然科学版， 2004， 35 3 506- 510. ［ 8］朱殿柱， 颜荣贵， 张子刚 . 国内外急倾斜矿床开采沉陷研究方 法的剖析及优选决策［ J］ . 矿冶， 2002， 11 2 4- 8. ［ 9］颜荣贵， 曹阳， 方建勤， 等 . 矿山系统地压研究 重大地 压灾害的创新研究策略［J］ . 矿冶工程， 2003， 23 6 7- 10. ［ 10］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. ［ 11］刘高， 韩文峰， 聂德新 . 金川矿区地应力场特征［J］ . 天津 城市建设学院学报， 2002， 8 2 81- 85. ［ 12］李晓， 路世豹， 廖秋林， 等 . 充填法开采引起的地裂缝分布 特征与现场监测分析［J］. 岩石力学与工程学报， 2006， 25 7 1361- 1369. ［ 13］马凤山， 袁仁茂， 邓清海， 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. 收稿日期2012- 02- 03 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 上接第 8 页 2 以回贫差作为确定最优崩矿步距的目标函 数， 考虑了回收率与贫化率对放矿经济效益的综合 影响， 及放矿步距与崩矿步距之间的关系， 得到的梅 山铁矿 18 m 20 m 结构参数下的最优崩矿步距为 4. 31 ～5. 38 m。 3 用数学分析法确定的最优崩矿步距对生产 实际具有指导作用。 参考文献 ［ 1］刘兴国， 周骥． 放矿理论基础［M］ ． 北京 冶金工业出版社， 1995 113- 137． ［ 2］王昌汉． 放矿学［ M］． 北京 冶金工业出版社， 1982． ［ 3］余健． 高分段大间距无底柱分段崩落采矿贫化损失预测与 结构参数优化研究［ D］． 长沙 中南大学， 2007 58- 59. ［ 4］余健， 刘培慧， 寇永渊． 高分段大间距结构合理崩矿步距研 究［ J］ ． 矿业研究与开发， 2008， 28 6 10- 14． ［ 5］刘兴国， 张国联， 柳小波． 无底柱分段崩落法矿石损失贫化分 析［ J］ ． 金属矿山， 2006 1 53- 56． ［ 6］魏善力． 放出体形态的测定实验和研究［M］ ． 北京 北京科技 大学出版社， 1982． ［ 7］Grady D E， Kipp M E． Continuum modeling of explosive fracture in oil shale［J］ ． Int J Rock Mech Min Sci ＆ Geomech Abstr， 1980， 17 2 147- 157. ［ 8］罗正泥． 大红山铁矿采场合理崩矿步距和爆破参数的试验研 究［ J］ ． 云南冶金， 2008， 37 4 3- 6． 收稿日期2012- 03- 02 21 总第 431 期金属矿山2012 年第 5 期