劉少華，葉永芳，張緩緩

（江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)，江西 南昌 330002）

天然狀態(tài)下，地下巖層是處于平衡狀態(tài)的。然而，由于地質(zhì)采礦勢必會打破這種平衡，使得礦產(chǎn)頂板圍巖發(fā)生損傷、變形破壞，使得其力學(xué)性質(zhì)減小，降低了頂板圍巖的穩(wěn)定性，增加頂板垮塌的危險(xiǎn)。而大采深、高應(yīng)力作用下，礦井力學(xué)環(huán)境較淺部礦層開采有很大的改變，圍巖變形破壞較淺部開采有很大的差異，且更加難以掌控。因此，很有必要研究深部礦產(chǎn)開采圍巖移動(dòng)變形破壞特征，從而有效地減小因采礦造成的頂板災(zāi)害的影響。

本文以某硅灰石礦區(qū)8線和47線上Ⅳ礦體開采為例，通過對比分析不同采深情況下礦體開采模擬，得出深部礦產(chǎn)開采時(shí)頂板圍巖移動(dòng)變形破壞的特征。

1 Ⅳ礦體簡況

Ⅳ礦體為礦區(qū)內(nèi)的主礦體，賦存于55.95～508.75 m，厚1.56～21.87 m，平均厚10.53 m，其形態(tài)規(guī)則，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，見圖1。從圖中可看出，該礦體在8勘探線上埋深較淺，在47勘探線上埋深較深。8線上ZK801孔實(shí)際揭露Ⅳ礦體埋深為206.35～226.10 m，礦層真厚17.11 m，47 線上ZK4701孔，Ⅳ礦體埋深546.25～577.1 m，中間夾有5.95 m的灰?guī)r，下層礦體厚17.35 m。

圖1 石竹山—樟木橋硅灰石礦區(qū)縱剖面

2 礦層開采地表移動(dòng)變形模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)彈性力學(xué)中圣維南原理，淺部礦層開采設(shè)計(jì)模型尺寸為200 m×100 m×200 m，深部礦層開采設(shè)計(jì)模型尺寸為200 m×100 m×585 m，兩端定義圍巖邊界均預(yù)留20 m，開挖步距均設(shè)為20 m，開挖8步，實(shí)際開挖160 m。模擬過程中對巖層厚度進(jìn)行了合理的概化，47線模擬開采下部礦體，兩模型采厚均為17 m，且僅考慮巖體自重下的初始應(yīng)力，其數(shù)值模型分別見圖2。模擬采用的相關(guān)參數(shù)根據(jù)巖石物理力學(xué)測試及相關(guān)文獻(xiàn)獲得，見表1。

表1 模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

針對前文所建立的模型，對8線（采深190 m）、47線（采深577 m）Ⅳ礦體分別進(jìn)行開采模擬。模擬沿走向開采礦體，以開挖20 m、60 m、100 m、160 m時(shí)為分析對象，開挖各步對應(yīng)的垂直應(yīng)力云圖和下沉位移云圖見圖3～圖4。

圖3 開挖各步垂直應(yīng)力云圖

圖4 開挖各步頂板圍巖下沉位移云圖

（1）頂板圍巖垂直應(yīng)力變化特征

隨著Ⅳ礦體的不斷開采，礦層頂?shù)装鍘r層為達(dá)到新的應(yīng)力平衡，垂直應(yīng)力會呈現(xiàn)出明顯的重新分布現(xiàn)象。從圖3中可以看出，礦層采動(dòng)頂板圍巖的垂直應(yīng)力變化具有一定的規(guī)律性。在每一步的開挖中，由于采空區(qū)頂板釋放壓力較為劇烈，故其正上方位置處應(yīng)力值最小，采空區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也導(dǎo)致頂、底板兩側(cè)位置產(chǎn)生變形破壞，形成壓、剪破壞區(qū)；當(dāng)整個(gè)過程達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)（模擬中為開采160 m），垂直應(yīng)力的最大值始終在采空區(qū)的前后方，充分采動(dòng)時(shí)，淺部開采的最大垂直應(yīng)力為36.91 MPa； 而深部開采時(shí)的最大垂直應(yīng)力為55.287 MPa，明顯高于淺部礦層開采。

（2）頂板圍巖下沉位移變化特征

從圖4中可以看出，隨著Ⅳ礦體的不斷開采，采空區(qū)頂板圍巖下沉位移逐漸增大，采空區(qū)上覆圍巖逐漸的形成彎曲帶、裂隙帶、和冒落帶。當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，深部開采采空區(qū)頂板圍巖的最大下沉位移（0.767 5 m）大于淺部開采時(shí)的（0.697 84 m），且深部開采時(shí)隨著采動(dòng)程度的增加（≥60 m），出現(xiàn)明顯的冒落帶，圖5為采空區(qū)“三帶”形成圖，深部開采達(dá)到充分程度時(shí)（160 m）冒落帶會與中間的裂隙帶逐漸導(dǎo)通，使得頂板含水層中的水通過裂隙帶進(jìn)入冒落帶，進(jìn)而進(jìn)入采空區(qū)，增加頂板突水的可能性。

圖5 采空區(qū)“三帶“形成

3 結(jié)語

深部開采條件下，其地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜多變，面臨著“三高一擾動(dòng)”，即高應(yīng)力、高地溫和高巖溶水壓及強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)影響。在圍巖應(yīng)力場、能量場、裂隙場等多場耦合效益綜合作用下，結(jié)合前文數(shù)值模擬分析結(jié)果，深部開采具有如下特征：

1）深部開采時(shí)的頂板圍巖應(yīng)力顯著增大，導(dǎo)致頂板圍巖穩(wěn)定性降低，巷道直接頂承載力減小，更容易造成圍巖的失穩(wěn)變形，從而引起頂板垮塌事故。

2）深部開采時(shí)，頂板圍巖下沉較大，彎曲變形更為顯著，且隨著巷道的不斷推進(jìn)，頂板圍巖會逐漸形成較為明顯的冒落帶。若冒落帶和裂隙帶導(dǎo)通，頂板含水層中的水會通過裂隙帶進(jìn)入冒落帶，增加頂板突水的可能性，且若頂板存在巖性強(qiáng)度差異大的巖性，容易形成頂板離層，當(dāng)頂板裂隙水進(jìn)入離層帶，易造成頂板離層水害事故的發(fā)生。