楚長青， 馮 旻， 李云濤

(1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司， 遼寧 鞍山 114009； 2.黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱， 150022； 3.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司眼前山鐵礦， 遼寧 鞍山 114051)

0 引 言

礦山由露天轉入地下開采后，隨著采礦工程的不斷推進，開采對采場圍巖體產生的影響日趨復雜，主要原因是隨著地下開采的進行，地應力的影響愈來愈明顯，受到開采擾動后，巖體內部儲存能量大于其破壞前儲能能力，從而引發(fā)冒頂、垮落、塌方、巖爆等突發(fā)性地壓災害[1-3]。地下開采中不同圍巖體的復雜性和斷面多樣性，使得利用經典力學理論解析解的方法對地下工程穩(wěn)定性的分析和計算難以實現。

對于自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性，國內學者常用極限平衡法進行分析，并取得了大量研究成果。最近十幾年來，由于計算機技術的發(fā)展，學者基于極限平衡法開發(fā)出了數值分析方法，如有限元、離散元等。楊宇江等[1]通過FLAC3D分析了不同開采深度條件下覆蓋層對露天礦殘余邊坡穩(wěn)定的影響。羅浪等[2]基于FLAC3D數值模擬，研究了云南某緩傾斜礦床露天終了坡高50 m和80 m對采場覆蓋巖層的影響程度，從而確定了保證此礦山安全穩(wěn)定的露天終了坡高范圍。李小雙等[3]采用數值模擬分析了35°、45°和55°坡角下露天轉地下采動時對上覆巖層的影響，得出45°左右對采場覆巖穩(wěn)定性較好。查文華等[4]結合現場勘測，利用FLAC3D詳細分析了逆傾分步開采對含斷層的高陡采礦邊坡穩(wěn)定性的影響。劉艷章等[5-6]采用彈性力學理論分析和數值模擬相結合的方法，研究了充填體的彈性模量和泊松比對舞陽鐵礦鐵古坑采區(qū)露天轉地下采動時邊坡穩(wěn)定性的關系。以密云鐵礦為例，利用有限元法分析了不同隔離層厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響。魯宇等[7]運用相似材料模擬和PFC2D，研究了露天轉地下采動后30、35、40 cm厚度的上覆巖層的運動規(guī)律以及與邊坡穩(wěn)定性的關系。張鵬等[8]通過Midas Nx 有限元軟件分析了雙重應力條件下采空區(qū)的規(guī)模和相對位置對露天轉地下開采邊坡穩(wěn)定性的影響。杜逢彬等[9]采用有限差分軟件分析了露天轉地下回采隔離頂柱的厚度與隔離頂柱穩(wěn)定性的關系。龍周彪等[10]通過理論分析和FLAC3D數值模擬，研究了姑山鐵礦基于進路充填采礦法境界頂柱厚度的取值范圍。

基于以上研究，筆者采用COMSOL Multiphysics軟件開展眼前山鐵礦大規(guī)模數值模擬計算工作，模擬了從左向右開采、從右向左開采、從中間向兩端開采、從兩端向中間開采四種開挖方案，并且根據計算的位移場、應力場分析了四種開挖方案的圍巖穩(wěn)定性，對預測“露天轉地下”過渡期地下采場潛在地質災害，評估災害風險等級和區(qū)劃災害潛在區(qū)域具有重要意義。

1 眼前山鐵礦工程概況

眼前山鐵礦原采用露天開采，后轉入地下開采。地采采礦方法采用無底柱分段崩落法，采場結構參數為：分段高度18 m、進路間距20 m和崩礦步距2 m。隨著礦山由-177 m分段逐步完全轉入坑底以下礦體開采，作業(yè)面急劇增多，由-177 m分段的19條回采進路增加到-195 m分段的45條回采進路，多處回采進路進入首采分段開采，為準確了解回采工作完成后巖體冒落沖擊形成機理進行數值模擬分析，建立研究區(qū)域的空區(qū)三維模型，頂部厚度在6.7 m到43.6 m之間，如圖1所示。

圖1 眼前山鐵礦-195首采分段排位設計Fig. 1 Sectional layout design of Yanqianshan Iron Mine -195 first mining

2 數值模型的建立

2.1 模型建立

將眼前山鐵礦三維地質模型導入COMSOL Multiphysics軟件，通過軟件自帶網格生成工具，構建全四面體網格的實體模型，生成眼前山三維數值計算網格模型。數值模型尺寸為2 690 m×1 840 m×946 m，地表標高從-177 m到231 m起伏不等，整個數值模型共計3 527 845個單元，845 751個單元節(jié)點。邊界條件是固定模型底面，對四周采用法向位移約束。

2.2 參數選取

文中模擬采用的參數是基于室內巖石力學試驗，結合現場結構面賦存情況，通過Hoke-Brown強度進行計算，最終確定巖體基本力學參數如表1所示。

表1 眼前山巖體基本力學參數

2.3 本構模型

圖2為巖石細觀單元在單軸和三軸應力條件下的本構關系。假設巖石試樣內各個單元滿足線彈性本構關系，即一般定義的胡克定律。當單元的應力條件滿足最大拉應力準則和Mohr-Coulomb準則時，單元可能發(fā)生損傷。

圖2 巖石細觀單元損傷本構關系 Fig. 2 Damage constitutive relation of rock meso-elements

由于巖石的抗拉強度遠遠小于其抗壓強度，最大拉應力準則通常是首先被用于判斷的，文中默認以拉為正，最大拉應力準則和Mohr-Coulomb準則表示為

(1)

式中：σ1——最大主應力；

σ2——中間主應力；

σ3——最小主應力；

σt0、σc0——細觀巖石單元的單軸抗拉強度和單軸抗壓強度；

φ——巖石的內摩擦角；

θ——洛德角；

J2——第二偏應力張量不變量。

當細觀單元滿足損傷閾值時，根據損傷力學調整巖石的力學性能，描述巖石的力學性能劣化，而峰后進一步的塑形變形描述材料由于裂隙存在的擴展、摩擦滑移引起的不可恢復變形。

將巖石單元的損傷演化本構關系定義為

σij=(1-D)(2Gεij+λδijεkk)，

(2)

(3)

式中：D——損傷變量，其值為0～1；

G——剪切模量；

εij、εkk、ε1、ε3、εt0、εc0——各應力狀態(tài)下對應的應變；

λ——拉梅系數；

δij——應變增量。

將上述公式嵌入到COMSOL Multiphysics數值模擬程序中用來分析巖石漸進破壞過程。

3 模擬方案

眼前山-195分段回采過程會伴隨產生不同面積的暴露空間，造成圍巖以及頂板的應力重新分布。隨著生產持續(xù)開展，地下暴露空間不斷增大，采場的應力分布不斷遷移并重新分布，而采空區(qū)的冒落形式與頂板圍巖受力狀態(tài)息息相關，為了保證礦山生產的安全，需在最小的空區(qū)暴露面積下使頂板進行冒落，以減小冒落沖擊帶來的危害，因此，對不同回采工況下的應力分布特征進行數值模擬計算，確定合理的開挖順序。

按照以往的礦房回采經驗，將冒落研究區(qū)域劃分為從左向右開采(方案一)、從右向左開采(方案二)、從中間向兩端開采(方案三)、從兩端向中間開采(方案四)四種開挖方案。礦體區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 礦體區(qū)域劃分Fig. 3 Orebody regional division

4 采場圍巖穩(wěn)定性結果分析

4.1 不同回采工況下應力場計算分析

為了研究不同方案開挖后露天采場的應力場，模擬計算不同的開采階段，鑒于篇幅限制，以方案一為例說明。應用方案一在不同開采階段最大主應力云圖如圖4所示。

圖4 不同開采階段方案一最大主應力云圖 Fig. 4 Maximum principal stress nephogram of scheme one in different mining stages

由圖4可知，在礦房開挖體積是398 250 m3(開挖回采工作進行68.7%)之前，開挖礦房上方最大主應力等值曲線的最大、最小值分別為6 000、3 000 N/m2，最大主應力由開挖礦房上方向礦房邊界轉移但并未發(fā)生較大的應力集中，表明在此開挖階段頂板巖層的穩(wěn)定性相對較好，繼續(xù)開挖，采空區(qū)暴露面積持續(xù)增大，在采空區(qū)上邊界處發(fā)生較大的應力集中，最大主應力等值線達到9 000 N/m2，表明在最后開挖階段應力集中發(fā)生明顯轉折，當表層巖塊之間的聯(lián)系不足以克服自身重力時，塊體便會脫離母巖自然掉落，誘發(fā)大規(guī)模冒落現象從而影響礦山安全生產。

對比四種開挖方案在不同開挖階段最大主應力σmax極值，如圖5所示。方案一在前期開挖階段未應力集中，隨開挖繼續(xù)應力迅速轉移并產生應力集中，該回采方案造成的冒落危害相對較大；方案二的最大主應力極值升高速率最快，隨礦房回采應力集中現象最為迅速，右側冒落研究區(qū)域右側礦房頂板巖層穩(wěn)定性最差，該回采方案可在較小的暴露面積下發(fā)生冒落，冒落塊體及冒落的所帶來的能量沖擊較??；方案三開挖前期頂板巖層具有較好的穩(wěn)定性，隨地下暴露空間的持續(xù)增大，在采空區(qū)上邊界處發(fā)生較大的應力集中，該方案前期回采冒落風險較小后期回采的冒落風險較大，冒落塊體及冒落的所帶來的能量沖擊較大；方案四回采前期頂板巖層的穩(wěn)定性較好，隨回采的持續(xù)進行，位于冒落研究區(qū)域中間的礦房對頂板的支撐作用不斷降低，當礦房的支撐強度不能約束圍巖微裂紋的產生與擴展時，未釋放的冒落能量得以積蓄。一旦失去礦房的支撐，這種冒落能量便會突然釋放，使圍巖微裂隙迅速貫通，從而有可能發(fā)生批量冒落甚至大規(guī)模冒落。

圖5 不同開采方案的最大主應力最大值Fig. 5 Maximum value of maximum principal stress of different mining schemes

4.2 不同回采工況下位移場計算分析

通過模擬礦坑表面z方向位移分析空區(qū)穩(wěn)定性，鑒于篇幅限制，僅以方案一z方向位移云圖為例，結果如圖6所示。

圖6 不同開采階段方案一z向位移云圖Fig. 6 z-displacement cloud map of scheme one at different mining stages

從圖6可以看，出回采礦房上方沉降幅度較小且沉降等值線主要為-7.78×10-7、-8.2×10-7、-8.6×10-7m。隨著開采的進行，礦方上方沉降幅度不斷增加，由-7.78×10-7m增加到-8.6×10-7m，且沉降幅度較大的等值線范圍逐漸增大，這說明隨著開采進行，采空區(qū)冒落范圍持續(xù)增加。

不同開挖方案在不同開挖階段的沉降等值曲線變化，如圖7所示。不同開采方案沉降等值線占比變化規(guī)律相似：-7.78×10-7m等值線占比隨開采階段不斷增加；-8.2×10-7m等值線占比隨開采階段不斷降低；-8.6×10-7m等值線占比隨開采階段先增加后降低?；夭煞桨溉突夭煞桨付陂_挖1/3礦房時沉降等值曲線占比變化最大，結合z方向位移場云圖，方案三的開挖礦房上方沉降變化更大，從沉降水平來看方案三在開挖前期頂板穩(wěn)定性最差。

圖7 沉降等值曲線占比Fig. 7 Proportion of settlement contour curve

5 結 論

(1)對比四種開挖方案在不同開挖階段最大主應力極值可知：方案一在前期開挖階段未應力集中，隨開挖繼續(xù)應力迅速轉移并產生應力集中，該回采方案造成的冒落危害相對較大；方案二的最大主應力極值升高速率最快，該回采方案可在較小的暴露面積下發(fā)生冒落，冒落塊體及冒落的所帶來的能量沖擊較小；方案三前期回采冒落風險較小后期回采的冒落風險較大，冒落塊體及冒落的所帶來的能量沖擊較大；方案四回采前期頂板巖層的穩(wěn)定性較好，隨回采的持續(xù)進行，有可能發(fā)生批量冒落甚至大規(guī)模冒落。

(2)回采礦房上方沉降幅度較小且沉降等值線主要為-7.78×10-7、-8.2×10-7、-8.6×10-7m，對比可以得知不同開挖方案在不同開挖階段的沉降等值曲線變化，回采方案三和回采方案二在開挖1/3礦房時沉降等值曲線占比變化最大，結合Z方向位移場云圖，方案三的開挖礦房上方沉降變化更大，在開挖前期頂板穩(wěn)定性最差。