王忠豪

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院， 北京 海淀 100089）

由于棉花坑礦井-100m以上淺層資源的逐漸耗竭，礦產(chǎn)資源開發(fā)向深部推進(jìn)已成必然趨勢(shì)。隨著礦體開采深度的增加，地壓活動(dòng)將越來(lái)越頻繁，礦石和礦巖的穩(wěn)固性受構(gòu)造、節(jié)理、裂隙、水文等條件影響，開采過程中發(fā)生過大變形甚至垮落，形成頂板事故的可能性增加。[1]本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研采場(chǎng)實(shí)際情況，利用FLAC 3D進(jìn)行建模，并在采場(chǎng)安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和FLAC 3D模擬情況相擬合，驗(yàn)證模型精準(zhǔn)后利用模型進(jìn)行開挖預(yù)警工作。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)研

1.1 采場(chǎng)構(gòu)造

根據(jù)礦方生產(chǎn)情況，選取12-2采場(chǎng)為模擬采場(chǎng)。12-2采場(chǎng)位于井下150m，目前采場(chǎng)長(zhǎng)約100m，寬約5m，高約5m。根據(jù)FLAC 3D建模要求，擴(kuò)充建立了長(zhǎng)約150m，寬約25m，高約125m的長(zhǎng)方體模型。通過觀察測(cè)量，確定了采場(chǎng)內(nèi)的裂隙帶，根據(jù)上述采場(chǎng)實(shí)際情況利用CAD繪制出下圖，黃色線條（注釋為50）是裂隙帶在頂板及上方的表現(xiàn)。

圖1 采場(chǎng)及擴(kuò)展后長(zhǎng)高視注釋圖

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布控

通過工人反應(yīng)經(jīng)常發(fā)生冒頂偏幫的位置和實(shí)際裂隙情況進(jìn)行選點(diǎn)，選點(diǎn)完成后進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度為2.5m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔完成后安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀。安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)的俯視布點(diǎn)圖如下。

圖2 采場(chǎng)頂板的應(yīng)力監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

2 FLAC 3D建模

2.1 巖石力學(xué)性質(zhì)

通過收集棉花坑礦井水文地質(zhì)資料，得到-150m礦井中礦石及礦石周邊圍巖的大致構(gòu)造和巖石力學(xué)參數(shù)（見表1），并以此為依托，利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D（5.0）進(jìn)行建模，不斷修正完善后建立了長(zhǎng)150m寬25m高125m的長(zhǎng)方體模型。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

絹云母化中粒黑云母花崗巖 33.3 25.0 50 50 4.1 2.71硅化不等?；◢弾r31.1 21.4 49 48 5.3 2.62赤鐵礦化硅化碎裂花崗巖 29.8 20.5 52 60 10.5 2.64礦石赤鐵礦化硅化碎裂巖19.5 13.4 50 50 4.6 2.64

2.2 現(xiàn)階段開挖模擬

圖3 現(xiàn)階段開挖的模型視圖

第一次開挖后想重新達(dá)到力學(xué)平衡較難，為了避免計(jì)算不收斂，故在計(jì)算時(shí)將步驟設(shè)為10000步。

圖4 開挖第一階段最大不平衡力

從上圖可以看出隨著計(jì)算的進(jìn)行，最大不平衡力已經(jīng)降為0，說明模擬收斂正確，之后便可以對(duì)模型Z軸方向的位移云圖和應(yīng)力云圖進(jìn)行分析。

2.3 現(xiàn)階段開挖應(yīng)力分析

圖5 開挖第一階段ZZ軸方向XZ平面的應(yīng)力云圖

圖6 開挖第一階段ZZ軸方向YZ平面的應(yīng)力云圖

通過分析現(xiàn)階段開挖ZZ軸方向的XZ平面和YZ平面的應(yīng)力云圖可以直觀的看出開挖時(shí)遇到組2和組3及組3和組4的接觸面時(shí)會(huì)引起應(yīng)力集中，這說明開挖遇到不同力學(xué)性質(zhì)的圍巖、礦石或者遇到有裂隙發(fā)育的情況下會(huì)引起應(yīng)力變化，而這些位置往往是發(fā)生冒頂偏幫的高發(fā)區(qū)域，這也是下一步現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的重要監(jiān)測(cè)區(qū)域。[2]

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

圖7 一號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 三號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 五號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，監(jiān)測(cè)情況和模擬情況基本吻合，證明現(xiàn)階段開挖的模擬正確，可以進(jìn)行后續(xù)的開挖模擬并預(yù)警。

4 后期模擬開挖及預(yù)警

圖10 后期開挖的模型視圖

圖11 后期開挖的模型視圖

隨著開挖深度的增加，采空區(qū)巖體應(yīng)力的重新分布相較于第一階段更加容易，所以計(jì)算步數(shù)不再需要像開挖第一階段一樣長(zhǎng)。此次模擬開挖第二到第五階段均采用了3000步，收斂后對(duì)開挖第五階段進(jìn)行模擬。

圖12 開挖第五階段Z軸方向的XZ平面的應(yīng)力云圖

圖13 開挖第五階段Z軸方向的YZ平面的應(yīng)力云圖

從開挖第五階段Z軸方向的應(yīng)力云圖中可以看出，頂板和底板中部位置是應(yīng)力集中點(diǎn)，和第一階段一樣，在開挖時(shí)遇到組2和組3及組3和組4的接觸面時(shí)會(huì)引起應(yīng)力變化，在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該注意上述接觸面附近位置的支護(hù)工作，切勿盲目開采。[3]

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著礦山開采深度的增加，沖擊地壓的發(fā)生概率加大，造成的后果也更加嚴(yán)重，因此在進(jìn)行生產(chǎn)開挖之前進(jìn)行模擬預(yù)警工作是十分必要的。本文通過對(duì)棉花坑礦井12-2采場(chǎng)進(jìn)行FLAC 3D模擬，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，證明了模型的精確性，并模擬后續(xù)開挖的狀態(tài)，得到了后續(xù)開挖應(yīng)力激變點(diǎn)，并以此預(yù)警，為后續(xù)的支護(hù)工作提供幫助。