逄銘璋， 張愛民， 任鵬召， 陳慶剛

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

某礦當前生產淺部礦體，開采范圍為-900 m標高以上的礦體。為充分利用采礦權范圍內的礦產資源，實現(xiàn)礦山長時間穩(wěn)定可持續(xù)性發(fā)展，該礦正在進行深部(-900～1 300 m)開采設計，深部開拓采用豎井接力開拓系統(tǒng)。由于深部開采會使淺部生產系統(tǒng)及地表主要構建筑物位于巖移監(jiān)測范圍內，深部礦體的開采問題更加突出。因此，在采用開采充填的條件下，深部開采能否保證地表設施及淺部生產系統(tǒng)的安全至關重要[1-4]。本文將對此進行研究，通過數(shù)值模擬手段分析深部礦體開采對地表及豎井工程的影響并進行安全性分析評價。

2 礦區(qū)工程地質概況

2.1 礦巖性質

在礦區(qū)的井下廢石堆中選取具有代表性的塊石樣，主要巖石類型為以下幾種。

上盤：絹英巖化花崗質碎裂巖(SγJ)；

礦體：黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖(SγJH)；

下盤：花崗巖(ηr)。

2.2 圍巖穩(wěn)定性評價

礦體頂板的巖石屬半堅硬～堅硬巖，穩(wěn)固性較好，在頂板的主斷裂附近，巖石受主斷裂影響，強度有所降低，特別是斷層泥及其上下的部分巖石強度較低，穩(wěn)固性較差。礦體巖石為軟弱～堅硬巖石，且裂隙不發(fā)育，穩(wěn)固性良好。礦體底板巖石強度高，屬堅硬巖石，巖石中小結構面和裂隙均不發(fā)育，穩(wěn)定性良好。

從早期礦山施工的坑道情況看，核實區(qū)的工程地質條件較好，只有上盤的石門中，由于巷道的跨度較大，施工中采用了水泥噴漿支護，主裂面附近巖石有坍塌、掉塊現(xiàn)象，其余絕大多數(shù)施工在斷裂帶下盤中的巷道均不需任何支護，穩(wěn)固性良好。

深部巖石力學特征，BQ巖體基本質量多數(shù)在Ⅱ～Ⅲ級，總體上巖石較完整，局部破碎，礦巖穩(wěn)固定性，巖石力學性質與淺部差異不大，巖石力學參數(shù)在深度趨勢和巖性上并沒有明顯的變化趨勢。

2.3 礦區(qū)原巖應力

根據(jù)礦區(qū)深部鉆孔的地球物理測井資料，利用聲波測井所獲取的縱、橫波信息結合密度以及泥質含量等曲線，對地應力參數(shù)進行了估算，其估算成果見表1。

表1 地應力參數(shù)分析結果

從表1可以看出，水平方向最小主應力梯度基本穩(wěn)定在0.02 MPa/m，水平方向最大主應力梯度主要穩(wěn)定在0.024～0.03 MPa/m，垂向地應力梯度基本穩(wěn)定在0.027 MPa/m。三個地應力關系是垂向應力>最大水平主應力>最小水平主應力，地應力狀態(tài)類型為正斷型。

3 計算模擬方案

3.1 模型的建立

采用FLAC3D軟件對礦體的開采進行數(shù)值模擬。礦體核心部分建模是將礦床地質模型實體導入，實體建模時將巖層分為三類，分別為上盤巖體、下盤巖體、礦體。

數(shù)值模擬模型幾何參數(shù)為走向長9 800 m，垂直走向8 100 m，高度2 100 m，節(jié)點數(shù)2 012 647，單元數(shù)1 935 395。數(shù)值模型底部及四周采取固定約束，垂直方向施加重力載荷，水平方向按照實測結果施加水平應力。模型如圖1所示。模型中未考慮斷層，主要是認為斷層主要影響其附近工程的局部穩(wěn)定性，對全礦區(qū)大范圍的地表變形影響較小。

圖1 模型尺寸示意圖

3.2 計算參數(shù)選取

巖體物理力學參數(shù)取值以礦區(qū)巖塊的巖石力學試驗結果為主要依據(jù)。計算中采用的礦、巖物理力學參數(shù)見表2。

表2 計算巖體物理力學參數(shù)

3.3 原巖應力

為了模擬礦區(qū)的真實應力狀態(tài)，數(shù)值模型底部及四周采取固定約束，垂直方向施加重力載荷。研究區(qū)內地應力場隨深度的變化規(guī)律，使用線性回歸分析的方法，對地質資料勘測點的應力值進行回歸分析，得出了最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨深度變化的回歸曲線和回歸方程。在三個主應力的回歸過程中，均增加了測點埋深H=0 m時，主應力值等于0 MPa的一個點。回歸結果如下：

最大水平主應力的回歸方程為

σh.max=0.81+0.044 9H

(1)

式中：H——測點埋深，m，以下同。

最小水平主應力的回歸方程為

σh.min=0.87+0.023 1H

(2)

垂直主應力值的回歸方程為

σv=0.28+0.025 5H

(3)

按照上述線性回歸方程(1)、(2)、(3)對模型施加初始應力。

3.4 本構模型

本構模型是對巖土材料力學特性的經驗性描述，表達的是在外載荷作用條件下巖土體的應力應變關系。因此，合理地選擇本構模型是完成數(shù)值模擬的一個關鍵步驟。只有選擇的本構模型與工程材料力學特性契合度較高時，其選擇的本構模型才是合理的。根據(jù)FLAC3D提供的本構模型以及實驗中的材料特性，本次數(shù)值模擬共使用了兩種本構模型：空模型和摩爾- 庫倫模型。

1)空模型

空模型通常用來表示被移除或開挖的材料。在數(shù)值模擬的后續(xù)階段，空模型材料也可以轉化成其他的材料模型。應用空模型可以進行開挖、回填之類的模擬。

2)摩爾- 庫倫(Mohr- Coulomb)模型

一般而言，模型評估準則要從連續(xù)介質力學觀點的嚴格要求和實驗室試驗觀察巖體性能實際顯示要求，以及計算機應用簡單要求的觀點來考慮它們之間的平衡。Mohr- Coulomb彈塑性本構模型的計算方法簡單，適當?shù)剡x擇材料參數(shù)，該模型能夠和Mohr- Coulomb屈服準則相匹配。鑒于Mohr- Coulomb彈塑性本構模型的上述優(yōu)點以及許多工程師的工程經驗，選用該模型的計算結果比較符合實際情況，故本模擬方案的本構模型選用Mohr- Coulomb模型。摩爾- 庫侖屈服準則為

式中：fs——屈服函數(shù)；

σ1、σ3——最大和最小主應力，Pa；

c——黏結力，Pa；

φ——內摩擦角，°；

當fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應力狀態(tài)下，巖土體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則(σ1≥σT)(σT為抗拉強度)判斷巖土體是否產生拉破壞。

4 深部開采對地表穩(wěn)定性的影響

4.1 地表位移

為了分析開采對地表沉降的影響，重點關注礦體周邊巖層的位移及地表巖層的位移數(shù)據(jù)。開采該范圍礦體后礦區(qū)地表的總體沉降如圖2所示，地表水平位移如圖3所示，地表最大沉降值為-16.08 mm，地表最大值水平位移為11.35 mm。

圖2 礦區(qū)地表沉降等值線平面圖

圖3 礦區(qū)地表水平位移圖

4.2 地表斜率與曲率的數(shù)值微分計算

地表的破壞與地裂縫的產生主要決定于地表變形值的大小和地表巖土體抵抗變形的能力。一般情況下，當?shù)乇砭鶆蛳鲁習r，建(構)筑物不會產生附加應力，因此不會帶來損害。地面建筑物損壞的主要原因是地面的不均勻下沉和水平變形。地表不均勻下沉會引起地表發(fā)生傾斜變形，地表傾斜變形對高聳建筑物的損害較大，地表曲率變形將原來建筑的平面基礎變?yōu)榍嫘螤?，建筑物的荷載與基礎土壤間的初始平衡狀態(tài)遭到了破壞，當變形值超過一定值時，房屋就會出現(xiàn)裂縫。地表水平變形對房屋的破壞作用很大，特別是拉伸變形，由于房屋的抵抗拉伸能力遠小于抗壓縮的能力，較小的地表拉伸變形就能使建筑物產生開裂性裂縫；當壓縮變形較大時，可使房屋墻壁、地基壓碎，地板鼓起產生剪切和擠壓裂縫，可使門窗洞口擠成菱形，縱墻或圍墻產生褶曲或屋頂鼓起。

由于有限差分是按照一定網度劃分出網格，即FLAC3D得出的數(shù)值解是一些離散的點的數(shù)值，而地表移動引起的對地面構筑物的破壞主要表現(xiàn)在地表傾斜變形的影響、地表彎曲變形的影響、地表水平拉伸或壓縮變形的影響。這就需要求出地表相應點位移變化的一階導數(shù)或二階導數(shù)。選取采礦區(qū)對應的地表位置2個方向的2條線段計算曲率、傾斜和水平變形，分別用AB、CD表示，如圖4所示。

圖4 AB、CD水平及豎向位移值數(shù)據(jù)點

由圖4可知，深部礦體開采后在地表產生的累積最大沉降值-16.162 4 mm、最大值水平位移11.35 mm、最大傾斜-0.059 09 mm/m、最大曲率0.000 735×10-3/m、最大水平變形0.052 01 mm/m均在Ⅰ級建筑物保護的允許范圍內。深部礦體開采后產生的地表累積變形不會給地表建(構)筑物的安全造成較大危害。

5 深部開采對豎井穩(wěn)定性的影響

采用數(shù)值模擬的方法分析礦山深部開采后對礦區(qū)各條豎井穩(wěn)定性的影響。在礦區(qū)內分布的主要豎井有多條，本文以混合井為例進行介紹。

5.1 混合井

礦區(qū)開采后對混合井影響的最大主應力場、垂直位移場和水平位移場分別如圖5、圖6、圖7所示。從圖5可以看出，最大主應力場基本上呈層狀分布，開采后，在新立混合井附近的應力場基本沒有變化。從圖6中可以看出，開采后，在該剖面上，礦體上盤的垂直位移約為10 mm。從圖7中可以看出，開采后，在該剖面上，礦體上盤的水平位移約為5 mm，混合井井底的水平位移約為16 mm。

圖5 開采對混合井影響的最大主應力場

圖6 開采對混合井影響的垂直位移場

圖7 開采對混合井影響的水平位移場

5.2 各井筒井底變形

經模擬后，各井筒井底變形值見表3。

Ⅰ級保護對象允許的傾斜變形<3 mm/m、曲率<0.2×10-3/m、水平變形<2 mm/m。根據(jù)表3可知，礦區(qū)各主要井的井底變形值未達到《有色金屬采礦設計規(guī)范》規(guī)定的變形臨界值，因此，地下開采對礦區(qū)各主要井筒基本無影響。

表3 礦區(qū)開采各井底變形值

6 結論

通過建立模型，對深部礦體開采進行了數(shù)值模擬，分析評價了深部開采活動對地表及豎井工程的穩(wěn)定性影響，得到以下結論：

(1)深部礦體開采后，在地表產生的累積最大沉降值為-16.162 4 mm、最大值水平位移為11.35 mm、最大傾斜為-0.059 09 mm/m，最大曲率為0.000 735×10-3/m，最大水平變形為0.052 01 mm/m。根據(jù)《有色金屬采礦設計規(guī)范》，Ⅰ級保護對象允許的地表傾斜變形<3 mm/m、曲率<0.2×10-3/m、水平變形<2 mm/m，上述地表變形模擬計算結果均小于規(guī)范中Ⅰ級保護對象允許變形值。

(2)深部開采設計范圍內的礦體開采在地表產生的最大沉降值為-4.50 mm、最大值水平位移為3.3 mm。深部開采對地表的影響很小。

(3)由于礦體深部延伸位置的變化，深部開采在地表產生的增量最大沉降及最大水平位移的位置與礦區(qū)開采總體最大位移的位置不重疊。

(4)數(shù)值模擬結果表明，各個主要豎井井底變形值未達到《有色金屬采礦設計規(guī)范》規(guī)定的變形臨界值，地下開采對礦區(qū)內的各個井筒基本無影響。