露采平臺安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度關(guān)系的數(shù)值模擬研究

康偉權(quán)， 袁海平，2， 吳賢振， 劉建偉， 尹麗冰

（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.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引 言

對于地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山，地采遺留下的隱伏采空區(qū)是露天開采工作的重大隱患[1]，為了保證礦山持續(xù)發(fā)展和安全[2]開采，找出露采平臺安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度之間的規(guī)律[3]愈發(fā)重要，尤其對于危險采空區(qū)，難以實行地下實時安全監(jiān)測[4]，數(shù)值模擬[5]可作為分析露采平臺安全厚度的一種有效手段.薛濤等[6]從應(yīng)力和位移多角度，考慮空區(qū)與相鄰空區(qū)相互之間的影響作用，分析開采境界下空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài)；李地元等[7]綜合采用結(jié)構(gòu)力學(xué)梁法、魯佩涅依特理論估算法等多種方法計算，并對理論計算結(jié)果和三維數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出露采平臺安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度的對應(yīng)關(guān)系，等等[8].國內(nèi)外對于露采平臺安全厚度與隱伏采空區(qū)[9]跨度關(guān)系的相關(guān)研究并不多，了解隱伏空區(qū)跨度與露采平臺安全厚度的關(guān)系對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義.

以珠江某鎢鉬礦為例，運用FLAC3D軟件[10]進(jìn)行數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，得出露采平臺臨界安全厚度隱伏空區(qū)跨度之間的對應(yīng)關(guān)系，提出了采空區(qū)跨度與露采平臺安全厚度對應(yīng)線性擬合關(guān)系.

1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測定

礦區(qū)內(nèi)的巖體主要是在燕山旋回早期第2階段第3次巖漿侵入形成的花崗巖，巖性多為中細(xì)粒白云母花崗巖及少量黑云母花崗巖，成為鎢、鉬、鉍、鈹、鉭、鈮等有色金屬和稀有金屬礦床的成礦母巖.根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗測試與分析結(jié)果，可獲得典型巖樣物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，擬取用5種巖體不同的抗拉強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，如表1所示.

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

圖1 模型計算域選取

根據(jù)計算精度與計算機(jī)計算能力的要求，選擇數(shù)值計算模型[11]區(qū)域范圍，如圖1所示.網(wǎng)格劃分采用四面體單元[12].為便于找出隱伏空區(qū)幾何參數(shù)與露采平臺厚度關(guān)系規(guī)律，計算模型略作簡化.如圖2所示，模型四面體單元數(shù)為472 635個，節(jié)點數(shù)80 551個.模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束.

圖2 整體模型切割后的計算模型

2.2 方案設(shè)計

一般情況下完整頂板其破壞方式有拉伸破壞和剪切破壞2種.由于巖體抗拉強(qiáng)度很低，一般會先發(fā)生拉伸破壞，然后拉裂隙擴(kuò)展并與地表貫通而后發(fā)生沖剪破壞[13-15].實際空區(qū)形狀很不規(guī)整，為了簡化計算，這里將采空區(qū)視為矩形洞室進(jìn)行考慮，設(shè)計計算方案如表2所示.

表2 計算方案參數(shù)表

由于鉆孔設(shè)備、運輸汽車、人員及輔助設(shè)備等外部荷載的存在，采空區(qū)中央上部平臺載入合計0.5 MPa荷載，以摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度理論準(zhǔn)則[16]為數(shù)值模擬計算的本構(gòu)模型，依據(jù)巖體的強(qiáng)度指標(biāo)對頂板安全狀況進(jìn)行判別.觀測和采集模型中破壞區(qū)關(guān)鍵點數(shù)據(jù).

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 空區(qū)頂板應(yīng)力和位移分析

（1）主應(yīng)力分布規(guī)律.限于篇幅原因，僅將方案6各步驟結(jié)果示列如下.如圖3所示給出了方案6各開挖進(jìn)度完成后的最大與最小主應(yīng)力σ1，σ3分布情況.從模擬結(jié)果看出，主應(yīng)力場具有以下特征：①空區(qū)形成后，與周圍環(huán)境應(yīng)力場比較，附近圍巖應(yīng)力釋放明顯.在空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中區(qū)，且隨著采空區(qū)高度的增加，頂板的拉應(yīng)力逐漸增大，頂板拉應(yīng)力大部分位于頂板中間附近.各開采步所形成空區(qū)都具有這種規(guī)律性；②空區(qū)頂板中央形成圓弧狀的應(yīng)力等值線拱，靠近頂板中央為拉應(yīng)力，往上等值線拱徑逐漸變大，拉應(yīng)力減小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力.

圖3 方案6各開采步完成后的最大與最小主應(yīng)力分布情況

（2）剪應(yīng)力分布規(guī)律.在空區(qū)周邊產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，所不同的是最大應(yīng)力集中區(qū)域不是分布在頂部或側(cè)壁的中央，而是在空區(qū)的4個隅角處.在空區(qū)的右上角和左下角為正剪應(yīng)力集中，左上角和右下角為負(fù)剪應(yīng)力集中.

（3）圍巖變形與位移特征.空區(qū)變形隨空區(qū)空間的增大而不斷加劇，甚至出現(xiàn)頂板冒落.分布特征為：空區(qū)周邊圍巖的位移最大，往外距離空區(qū)邊界越遠(yuǎn)，圍巖位移就越小，且頂部圍巖位移比底部的要大得多，圍巖移動方向均指向空區(qū).

3.2 露采平臺安全厚度與隱伏空區(qū)跨度關(guān)系分析

一般來說，隱伏采空區(qū)上覆巖體的破壞方式主要有2種：一種為在上部荷載作用下頂板兩端圍巖產(chǎn)生大變形導(dǎo)致上部覆巖發(fā)生剪切破壞，頂板整體滑落；一種為頂板中央產(chǎn)生拉應(yīng)力超出巖體抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)冒頂、累積性破壞最后發(fā)展到地表形成大面積塌陷.根據(jù)模擬結(jié)果，采空區(qū)頂板破壞方式起決定性作用的是拉伸破壞．方案6各開采步圍巖的拉伸不安全度等值云圖如圖4所示．

圖4 方案6各開采步拉伸不安全度等值云圖

拉伸不安全度是指巖體的拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值乘以儲備安全度，用Ft表示．當(dāng)Ft＞1時，露采平臺將發(fā)生破壞；當(dāng)Ft＜1時，露采平臺處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)Ft=1時，露采平臺處于臨界狀態(tài)．各方案結(jié)果如表3所示．

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計算，地下空區(qū)儲備安全度取值2．0時，分別對6種方案用線性插值法求出Ft=1時，對應(yīng)露采平臺的臨界安全厚度值和空區(qū)跨度值，5組數(shù)據(jù)6種方案的線性回歸函數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示．

表3 各計算方案結(jié)果

圖5 露采平臺臨界安全厚度與隱伏空區(qū)跨度的關(guān)系

露采平臺的臨界安全厚度值與隱伏空區(qū)跨度及抗拉強(qiáng)度的線性回歸函數(shù)如式（1）所示．

式（1）中：x為隱伏采空區(qū)跨度，m；y為露采平臺臨界安全安度，m；σc為巖體抗拉強(qiáng)度，MPa．

由此，可以得出露天平臺安全厚度與隱伏采空區(qū)跨度及抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，如式（2）所示．

式（2）中，D表示露采平臺安全厚度，m．

4 結(jié) 論

（1）針對礦山地下轉(zhuǎn)露天開采生產(chǎn)中存在隱伏采空區(qū)的安全隱患問題，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值計算軟件，提出了露采平臺安全厚度與空區(qū)跨度關(guān)系的線性擬合公式，為類似巖性和生產(chǎn)條件礦山的采礦工作提供借鑒意義.

（2）由于礦山現(xiàn)場存在地下水、雨水、自然風(fēng)化等不確定因素，會使巖石的各項力學(xué)強(qiáng)度有所減弱，對研究結(jié)果造成一定的影響；同時論文僅做了靜荷載分析，對于動態(tài)荷載作用（如爆破震動）未進(jìn)行分析，需要在今后的工作中深入研究.

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