向欣欣， 張耀平*，3， 雷大星

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000； 2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 贛州 341000；3.贛南科技學(xué)院，江西 贛州 341000）

由于礦體開挖和爆破震動(dòng)等因素，周圍巖體將不可避免地出現(xiàn)擾動(dòng)，而這種干擾又使得采礦區(qū)周圍的巖體不均勻地受到損害，且隨機(jī)性強(qiáng)，因此難以準(zhǔn)確及時(shí)地把握這些破壞的發(fā)生。針對(duì)巖體變形與圍巖應(yīng)力變化帶來的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)方面做了大量關(guān)于圍巖應(yīng)力和巖體移動(dòng)變形方面的研究。在模型試驗(yàn)方面：李小瑞等[1]研究了圍巖二次應(yīng)力下巖體的變形規(guī)律，在離巖體越近的地方，變形越大。劉允秋等[2]對(duì)深部應(yīng)力狀態(tài)下的開采進(jìn)行了研究，得出錨桿支護(hù)可對(duì)地壓進(jìn)行控制。楊丹等[3]得出了巖體積累深度對(duì)應(yīng)力的影響機(jī)理。趙呈星等[4]研究了圍巖變形條件下地應(yīng)力的變化規(guī)律。趙國(guó)彥等[5]得出了破裂圍巖深度與初始應(yīng)力之間的關(guān)系。顏杜民[6]對(duì)圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了圍巖變形呈現(xiàn)非均質(zhì)性特征的規(guī)律。龔林金等[7]研究了不同傾角斷層破碎帶下的圍巖變形規(guī)律。王亞瓊等[8]研究了層厚對(duì)圍巖變形的影響，得出層厚越大，圍巖位移量越小的結(jié)論。鄧兆睿等[9]發(fā)現(xiàn)在開采卸荷過程中壓力隨被保護(hù)層呈上移趨勢(shì)。王學(xué)濱等[10]研究了下盤開采的演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)開采速率快慢與斷層強(qiáng)弱有關(guān)。劉雨濤等[11]對(duì)上部開采地板壓力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，應(yīng)力在豎直方向逐漸上升，并趨于穩(wěn)定。王方田等[12]研究了深部開采的礦體承載效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)圍壓強(qiáng)度與巖層移動(dòng)幅度有關(guān)。樊克松等[13]對(duì)開采深度的研究，得出開采深度越大地表變形越大的結(jié)論。JⅠANG等[14]研究了溫度對(duì)深部應(yīng)力的作用效應(yīng)，得出了溫度對(duì)剪切效應(yīng)的影響主要取決于微結(jié)構(gòu)特性的結(jié)論。易璐等[15]通過建立GM（1,1）預(yù)測(cè)模型對(duì)稀土礦產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并計(jì)算出了政策效用值。鄒國(guó)良等[16]采用組合賦權(quán)與模型相結(jié)合的方法對(duì)不確定開采條件下的浸礦和堆浸工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在數(shù)值模擬方面：吳春成[17]模擬了不同圍巖應(yīng)力下開采礦體移動(dòng)規(guī)律。郭延輝等[18]模擬了開挖過程二次應(yīng)力的分布特征，并由此預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生部位。張磊等[19]利用數(shù)值模擬得出了垂直開采過程中應(yīng)力變化規(guī)律。李小雙等[20]通過對(duì)采場(chǎng)的模擬研究，發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)部應(yīng)力最終都會(huì)聚集于一個(gè)角度。CHEN等[21]研究了巖體變形破壞與圍巖節(jié)理之間的關(guān)系。唐維軍等[22]通過研究得出了巖體變形與外力擾動(dòng)有很大關(guān)系。朱廣安等[23]模擬了工作面在高壓下的開采效應(yīng)，得出了采空區(qū)塌陷與頂部能力釋放有關(guān)。廖寶泉等[24]模擬了膏體充填下巖體移動(dòng)角的變化規(guī)律，得出了覆巖移動(dòng)角隨距頂板高度的增大而增大。XUE等[25]模擬了上覆厚層在充填開采作用下對(duì)動(dòng)力的控制效應(yīng)，得出了充填法能消除厚層的移動(dòng)空間，防止巖層斷裂。

雖然上述學(xué)者在巖體變形和圍巖應(yīng)力方面做了大量研究，但關(guān)于礦山安全和地質(zhì)環(huán)境評(píng)估方面的研究仍有待深入和完善。作者認(rèn)為圍巖應(yīng)力的存在始終對(duì)礦山的安全生產(chǎn)和地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生隱患，因此本文在借鑒前人研究基礎(chǔ)上以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)一步研究巖體變形和二次應(yīng)力狀態(tài)下崩落采礦法對(duì)礦體的開采效應(yīng)。

1 巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)思路

圍巖應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)包括對(duì)某一相對(duì)時(shí)期圍巖應(yīng)力和巖體變形的監(jiān)測(cè)，了解圍巖應(yīng)力分布情況和巖體移動(dòng)變形情況可為圍巖穩(wěn)定性和提前預(yù)防礦山采動(dòng)災(zāi)害提供理論依據(jù)。本文將采用光應(yīng)力計(jì)、全站儀和水準(zhǔn)儀等分別測(cè)量圍巖應(yīng)力和巖體移動(dòng)變形情況。光應(yīng)力計(jì)測(cè)量原理和巖體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分別如圖1和圖2所示。圖1中應(yīng)用光應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)圍巖的應(yīng)力變化情況；圖2中對(duì)-410 m中段的巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以觀測(cè)該中段的巖體在某一時(shí)間段的變形沉降情況。

圖1 光應(yīng)力計(jì)受力示意Fig.1 Schematic diagram of the force of the photostress meter

圖2 -410 m中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of the layout of mid-level monitoring points at -410 m

1.2 試驗(yàn)分析

由圖3得到的開采過程中應(yīng)力由平衡狀態(tài)到應(yīng)力卸荷后重新角偶平衡分布，巖體的裂隙，結(jié)構(gòu)面張開擴(kuò)展到一定程度后保持一定量級(jí)的穩(wěn)定。由圖2應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的該中段的巖體水平位移變形和沉降變形如圖4和圖5所示。由圖4可知，由初始平衡狀態(tài)開始開挖，在開挖過程中各部位的應(yīng)力將重新分布，隨開挖的進(jìn)行應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定。且隨回采的不斷推進(jìn)，圍巖應(yīng)力集中，二次應(yīng)力減小，應(yīng)力卸荷后逐步趨于穩(wěn)定。增大和降低速率近似一致。410 m-4#應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)得到的應(yīng)力增大值最高可達(dá)2.19 MPa,最低為1.50 MPa。但隨著開采的進(jìn)行，應(yīng)力都基本會(huì)趨于原來的大小，但是會(huì)轉(zhuǎn)移到其他地方，因此導(dǎo)致其他部位的應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致巖層斷裂，甚至發(fā)生巖爆。在此情況下繼續(xù)開采將導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生，所以本文將在此狀態(tài)下進(jìn)一步研究在應(yīng)力變化下的圍巖變形開采效應(yīng)。

圖3 開挖過程應(yīng)力變化Fig.3 Stress variation diagram during excavation

圖4 各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.4 Stress-time curve of each measuring point

圖5 -410 m水平位移變形曲線Fig.5 -410 m horizontal displacement deformation curve

分析巖體的變形能準(zhǔn)確看出變形程度、變形趨勢(shì)和變形規(guī)律，可為判斷巖體形變移動(dòng)提供依據(jù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)判斷巖體的變形情況，全面快速地掌握礦山安全信息和巖體變形規(guī)律，對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由圖5和圖6分析可知，巖體變形也是在某一相對(duì)時(shí)間段內(nèi)呈震蕩變化，礦體開采過程中巖體變形隨開采擾動(dòng)強(qiáng)度增大而增大，在研究區(qū)域內(nèi)，礦體在每一開采點(diǎn)水平位移和沉降變形呈同步變化趨勢(shì)，在2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中隨水平位移的反方向移動(dòng)沉降變形有微弱的變化，但隨著開采強(qiáng)度的增大，水平沉降變形明顯都呈增大的趨勢(shì)。4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增大沉降變形可達(dá)4.00 mm，說明此區(qū)域內(nèi)巖體破壞較大，應(yīng)力變化也較大，巖體下沉明顯。8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可知，水平位移達(dá)最大值，將近2.00 mm，在此區(qū)域內(nèi)的礦體水平方向移動(dòng)變化較大。但從水平位移和垂直變化來看，都隨開采的進(jìn)行，某一區(qū)域呈現(xiàn)急劇上升或下降的狀態(tài)。沉降速率最高可達(dá)0.13 mm/d,水平變形速率最高可達(dá)0.06 mm/d，沉降變形值大于水平變形值，因此開采過程主要以加強(qiáng)豎直方向的保護(hù)為主。巖體在開采過程中不可避免地受到地應(yīng)力變化及爆破震動(dòng)等影響，隨著開采的推進(jìn)，將誘發(fā)附近巖體變形及二次應(yīng)力變化。研究在上述條件下崩落法的礦體開采效應(yīng)如圖7。

圖6 -410 m沉降變形曲線Fig.6 -410 m settlement deformation curve

圖7 崩落法水平采礦進(jìn)度及地壓顯現(xiàn)規(guī)律Fig.7 Progress of horizontal mining in caving method and ground pressure manifestation law

由圖7可知：崩落法開采過程中，由于巖體變形和應(yīng)力變化導(dǎo)致礦體出現(xiàn)了水平方向的斷層破碎帶。該巖體在此條件下斷層在水平方向上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，角度大約為45°。-410 m中段沿巷道附近破碎帶最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了邊界裂隙。受巖體自重應(yīng)力和爆破震動(dòng)的影響，導(dǎo)致應(yīng)力向某一豎直方向擠壓聚集，深部礦體應(yīng)力擠壓明顯。在地下工程施工的擾動(dòng)下，巖體中原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，巖體內(nèi)將逐漸產(chǎn)生裂隙，這些裂隙經(jīng)過不斷的積累與發(fā)展，加之相互作用、貫通，進(jìn)而造成巖體內(nèi)部產(chǎn)生一定時(shí)效性的宏觀斷裂，這些逐漸發(fā)展的裂隙將造成巖體的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

將以上得出的現(xiàn)場(chǎng)開采數(shù)據(jù)背景為前提，運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)一步研究在巖體變形和應(yīng)力變化下崩落采礦法的開采效應(yīng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

為方便塊體建模單元間的連接，滿足FLAC3D的幾何建模的單塊尺寸，將巖體簡(jiǎn)化為各向同性的彈性連續(xù)介質(zhì)，每個(gè)模塊采用統(tǒng)一的塊體建模進(jìn)行擬合。然后向外形成圍巖，而圍巖最上部就是地表，并由此形成了該研究區(qū)的計(jì)算模型（x≈740 m），（y≈500 m）,（z≈-500～40 m）。幾何模型有40 256個(gè)初始單元，424 178個(gè)初始節(jié)單元。建立的數(shù)值模型如圖8，1～5號(hào)為開采區(qū)相鄰附近礦體。對(duì)這5個(gè)礦體采用數(shù)值模擬崩落法進(jìn)行開采研究，由于參與計(jì)算的圍巖有多種，巖體下盤主要為閃長(zhǎng)巖，故在建立計(jì)算模型時(shí)統(tǒng)一以閃長(zhǎng)巖來分析。各種介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖8 FLAC3D三維數(shù)值模型Fig.8 FLAC3D numerical model diagram

2.2 模型分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)值模擬，得到的位移云圖對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際如下：

由圖9（a）可知：在4線以東呈上升趨勢(shì)，受上方高壓的影響，礦柱向外產(chǎn)生類似橢圓分布的沉降變形。上盤在0線至1線之間的長(zhǎng)軸與礦體走向一致，長(zhǎng)度為50 m，短軸約為40 m。最大上升位移位于6線附近，水平巖體變形區(qū)域分布形態(tài)與回采形態(tài)相關(guān)。傾斜變形區(qū)域最大值為-8.00 m,但垂直變化也很大，上升最大值為3.03 mm，且礦體開挖后的變形區(qū)域移動(dòng)值都很大。綜合來看，原始采礦活動(dòng)所造成的水平礦柱變化值都較小。由圖9（b）可知：豎直方向頂板易出現(xiàn)破裂,有局部區(qū)域出現(xiàn)塌陷的可能。頂板邊界線有輕微裂縫產(chǎn)生，由此可知:在崩落法采礦中，隨著巖體變形和二次應(yīng)力下垂直方向變形嚴(yán)重，局部伴隨水平裂縫的產(chǎn)生。垂直裂縫變形大于水平變形，所以在控制頂板穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)側(cè)重加強(qiáng)裂隙部位的監(jiān)測(cè)。

圖9 z方向位移云圖（a）和頂板沉降變形（b）Fig.9 z direction displacement nephogram（a） and roof settlement deformation（b）

由圖10（a）可知：原有開采活動(dòng)出現(xiàn)45°的左右分界線。左上方的變形值小于右下方的變形值，在近似水平方向上向左最大位移值達(dá)-9.64 mm。變形類似層狀分布，左上方巖體位移變形值由大向上變小，右下方巖體位移變形值由大向下變小，說明巖體呈對(duì)稱擴(kuò)散變小的趨勢(shì)。由圖10（b）可知：受開采擾動(dòng)的影響，下部最先出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，上下盤交界線內(nèi)部可能最先導(dǎo)致巖體出現(xiàn)水平層狀碎裂破壞，由此可判斷該處受巖體應(yīng)力分布不均和巖石產(chǎn)狀不同的影響而導(dǎo)致應(yīng)力集中變化。由圖9和圖10分析可知，下盤位移變形都比上盤位移變形大。上下盤交界附近均存在內(nèi)部應(yīng)力擠壓現(xiàn)象。因此在開采過程中應(yīng)合理布置采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化采場(chǎng)開采參數(shù)，及時(shí)對(duì)開采邊界進(jìn)行優(yōu)化，防止危害的發(fā)生。

圖10 x方向位移云圖：（a） 原有開采活動(dòng)位移云圖；（b） 開采過程位移云圖Fig.10 Displacement cloud map in the x direction：（a） original displacement cloud map of mining activities；（b） displacement cloud map during mining proces

由圖11可知：在水平方向存在應(yīng)力降低區(qū)域，最小值為-8.52 MPa。開采區(qū)域內(nèi)的水平上下盤均出現(xiàn)應(yīng)力聚集現(xiàn)象，以0線以西更為突出，最小的主應(yīng)力值約為-32.34 MPa。沿開采礦體4線兩側(cè)應(yīng)力集中下盤大于上盤。受爆破震動(dòng)和開挖擾動(dòng)的影響，應(yīng)力轉(zhuǎn)移呈空間分布的狀態(tài)。

圖11 水平最小主應(yīng)力等值線云圖Fig.11 Horizontal minimum principal stress contour nephogram

由圖12（a）可知：在水平礦體斷面中，應(yīng)力呈相應(yīng)的空間分布的變化規(guī)律。0線東西兩側(cè)存在零星的應(yīng)力（10.00～11.40 MPa）集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中部位近似水平分布。將上下盤圍巖隔開，有可能出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。頂板的最大主應(yīng)力值約為0.44 MPa，應(yīng)力處于較低水平。建議加強(qiáng)此中段的巷道圍巖支護(hù)與監(jiān)測(cè)。由圖12（b）可知：受爆破震動(dòng)導(dǎo)致的空氣擠壓和應(yīng)力的重新轉(zhuǎn)移的影響，頂板出現(xiàn)了不同程度的冒落，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)不均勻的頂板下降，北部沉降幅度明顯。說明北部巖體內(nèi)部可能比較松散或者北部應(yīng)力集中較多。同時(shí)巷道水平方向裂隙突出,在豎向和拱頂交界處最為明顯。在礦體開采過程中，空區(qū)和巷道附近的巖體均出現(xiàn)了近似水平方向的應(yīng)力零散集中分布現(xiàn)象，同時(shí)在某一水平方向可能導(dǎo)致斷層的發(fā)生，隨著開采的進(jìn)一步進(jìn)行斷層逐漸演變，最終發(fā)生局部的塌陷和不均勻的沉降。因此在巖體變形和二次應(yīng)力條件下側(cè)重加強(qiáng)裂隙和轉(zhuǎn)角處的觀測(cè)，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與支護(hù)。

圖12 水平最大主應(yīng)力等值線云圖和巷道巖體變形：（a） 水平最大主應(yīng)力等值線云圖；（b） 巷道巖體變形Fig.12 Contour nephogram of maximum horizontal principal stress and deformation of roadway rock mass：（a） cloud map of horizontal maximum main stress； （b） rock mass deformation of roadway

3 結(jié)論

1）在崩落法開挖過程中，圍巖應(yīng)力發(fā)生震蕩變化，各部位的應(yīng)力將重新分布，隨開挖的進(jìn)行應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定。且隨回采的不斷推進(jìn)，圍巖應(yīng)力集中，二次應(yīng)力減小，應(yīng)力卸荷后逐步趨于穩(wěn)定。隨開采的進(jìn)行應(yīng)力近似于原來的大小，基本會(huì)轉(zhuǎn)移到近似水平方向呈零散分布的狀態(tài)。但在水平方向出現(xiàn)碎裂斷層，尤其在水平巷道轉(zhuǎn)角和頂板裂隙附近出現(xiàn)斷層破碎帶較為嚴(yán)重，建議及時(shí)加強(qiáng)此部位的監(jiān)測(cè)與支護(hù)。

2）在巖體變形和二次應(yīng)力變化下，在位移變形方面，隨著崩落法開采過程的進(jìn)行，在豎直方向總體出現(xiàn)傾斜和逐步發(fā)育的趨勢(shì)，最大傾斜位移為-8.00 mm，最大垂直下沉區(qū)域呈橢圓分布，最大上升變形值為3.03 mm，頂板邊界出現(xiàn)裂隙發(fā)育。在裂隙發(fā)育處最有可能出現(xiàn)沉降和冒落。由此可知在開采過程中下部圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3）最大主應(yīng)力明顯降低區(qū)域位于水平礦體中的上下盤施工區(qū)域。下盤應(yīng)力集中比上盤大，隨開采的變化呈現(xiàn)近似對(duì)稱減小的趨勢(shì)。局部最大主應(yīng)力釋放出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為32.34 MPa。頂板最大主應(yīng)力值為0.44 MPa，應(yīng)力集中部位呈現(xiàn)類似水平分布的現(xiàn)象。應(yīng)力分布形態(tài)受采礦活動(dòng)的影響較大。因此在開采過程中，盡量減少工程擾動(dòng)，合理布置開采結(jié)構(gòu)，優(yōu)化采場(chǎng)邊界。