深圳市鵬茜大理巖礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

張洪巖

(深圳市不動產(chǎn)評估中心(深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心)，廣東 深圳 518000)

1 引言

礦體地下開采后，會在地下形成大量的連續(xù)或非連續(xù)的采空區(qū)，采空區(qū)對原有巖體應(yīng)力平衡的破壞，可能會導(dǎo)致采空區(qū)周圍巖層乃至地表產(chǎn)生移動變形，繼而影響地表建筑、工程的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害[1，2]。深圳市鵬茜大理巖礦采空區(qū)，位于坪山區(qū)碧嶺街道湯坑社區(qū)，交通便利。閉礦后隨著開發(fā)用地的需要，有必要對其進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價工作。常規(guī)的采空區(qū)工程地質(zhì)定性分析難以準確反映采空區(qū)圍巖的實際穩(wěn)定狀態(tài)，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合礦山采空區(qū)實際情況，對礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了詳細的數(shù)值模擬分析。

2 礦區(qū)地層發(fā)育特征

鵬茜大理巖礦屬于覆蓋型，礦區(qū)第四系覆蓋層厚度6.2～51.3 m，大部分位于10～30 m之間，礦區(qū)覆蓋層厚度不均，總體上南厚北薄、東厚西薄(圖1)。其中，第四系全新統(tǒng)(Q4)河流沖洪積層的底部為灰白色卵礫石夾黃、黃白色礫砂混粘土層，礫石直徑0.3～0.4 cm，少數(shù)5～10 cm，頂部局部為粉砂質(zhì)粘土，厚度1.2～17.20 m。中、上部為褐黃、黃色含泥礫砂、中細砂，往上漸變?yōu)楹盎煺惩?，頂部局部夾透鏡狀、團塊狀泥質(zhì)粘土或泥炭土，厚度5.60～11.20 m。鉆探顯示，覆蓋層內(nèi)土洞發(fā)育，均為單層，主要發(fā)育深度高程為0.3～39.54 m，距地面深度為11.7～43.6 m，土洞高度為0.3～11.2 m，高度位于0～4 m占總數(shù)的60%，土洞多數(shù)被填充，充填物為流塑～軟塑含角礫粉質(zhì)粘土。

基巖為下石炭統(tǒng)大塘階石磴子組(C1ds)灰?guī)r，為淺海相碳酸鹽建造，石磴子組由灰～深灰色結(jié)晶灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r、大理巖、白云質(zhì)大理巖等組成，廣泛分布于坪山河谷平原區(qū)，地表大部分為第四系沖洪積層覆蓋，僅沿水溝及廢采坑見有零星出露。該層大理巖和白云質(zhì)灰?guī)r為鵬茜礦的采礦層，多已變質(zhì)為白、灰白色大理巖、白云質(zhì)大理巖及灰、深灰色結(jié)晶灰?guī)r，厚度>340 m。礦區(qū)距地面約10～25 m范圍內(nèi)灰?guī)r的巖溶發(fā)育，發(fā)育的溶洞多以垂直單層溶洞為主，平均洞高1.93 m，最大單洞高13.7 m，高度位于0～2 m占總數(shù)的63%，全充填的溶洞占總數(shù)的90.4%，填充物多為流塑狀粘土、細砂、大理石碎塊。溶洞的規(guī)模整體偏小，總體上處于弱～中等發(fā)育水平。

圖1 鵬茜礦礦區(qū)地表高程與基巖面關(guān)系

3 礦區(qū)裂隙節(jié)理發(fā)育及含水特征

鵬茜礦井下局部裂隙節(jié)理較發(fā)育，少數(shù)裂隙含水，均以滲水或滴水為主，滲滴水量為0.009～0.137 L/s。

3.1 裂隙分布及含水性

井下調(diào)查發(fā)現(xiàn)裂隙點有32個，大部分裂隙較干燥，局部裂隙點見有滲、滴水現(xiàn)象，其中有5個層間裂隙點有滲、滴水(個別點滴水量達到0.137 L/s)。根據(jù)各-40 m和-90 m中段所見裂隙的產(chǎn)狀變化，將其劃分為7組，各組的產(chǎn)狀、發(fā)育特點及含水性見表1。

表1 鵬茜礦井下裂隙發(fā)育特點及含水性特征統(tǒng)計

3.2 節(jié)理及含水性

鵬茜礦井下節(jié)理在有些地段比較發(fā)育，但節(jié)理的閉合性好，不含水。只是在局部節(jié)理特別密集地段，見有少量滴水和滲透水現(xiàn)象。

井下主要發(fā)育有方向的三組節(jié)理，其中的二組節(jié)理較典型，在井下分布范圍較廣。這兩組節(jié)理的產(chǎn)狀分別為：214°～233°∠61°～79°，131°～134°∠65°～75°。兩組節(jié)理伴生，密集處可達5～8條/m，在開采面上組成階梯狀不平裂面，節(jié)理面延伸一般只有幾米。另外一組節(jié)理接近巖層產(chǎn)狀，為0°～6°∠21°～49°，比前兩組節(jié)理稀疏，一般1條/m，但延伸長度大，多數(shù)超過5 m。

4 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值摸擬計算模型

鵬茜大理巖礦采空區(qū)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬區(qū)域位于鵬茜礦區(qū)域主井東南側(cè)(圖2)，該區(qū)域-40 m水平和-90 m水平采空區(qū)相互疊加，且有斷層穿過，代表性強。實際數(shù)值摸擬計算時對計算模型進行如下簡化：巖體的簡化：假設(shè)巖體為連續(xù)、均值、各向同性的介質(zhì)；地質(zhì)條件的簡化：忽略結(jié)構(gòu)面、地下水以及溫度等的影響，只考慮巖體參數(shù)的弱化；巖層的簡化：假設(shè)巖層空間分布特征為水平均勻分布，忽略巖層產(chǎn)狀、形態(tài)的變化；開采過程的簡化：礦山的開采是一個動態(tài)變化的過程，時間也是影響巖體穩(wěn)定性的因素，在本次模擬中忽略了時間因素的影響；此外，開采步驟會引起地應(yīng)力場的變化，本次模擬是研究開采后的采空區(qū)穩(wěn)定性，故忽略開采步驟的影響。

圖2 模擬區(qū)域在井下位置

根據(jù)井下橫斷面圖，構(gòu)建計算模型如圖3所示。模型坐標(biāo)系選取豎直方向為Z軸，豎直豎直向上為正；以平行于采空區(qū)延伸方向，指向東側(cè)為Y軸正方向；以垂直于采空區(qū)延伸方向，指向南側(cè)為X軸正方向。在X、Y、Z三個方向上的長度均為180 m，模型標(biāo)高為-160 m至20 m，各開采水平按照實際深度建模。整個模型共計99946個節(jié)點，劃分為87660個單元。按照工程條件概化后大致分為圍巖、采空區(qū)和斷層3個區(qū)域，其中，采空區(qū)-40 m水平和-90 m水平的數(shù)量分別為2個和3個，在X、Y、Z三個方向的長度分別為15 m、25 m、15 m，斷面為正方形，頂部為拱形；斷層與Y軸呈50°夾角，并與采空區(qū)斜交。

圖3 不同視角的采空區(qū)計算模型及網(wǎng)格劃分視圖

本次模擬計算將模型四周和底部用位移限定邊界，頂部為自由邊界，具體過程如下：進行自重應(yīng)力場的計算，生成采空區(qū)的初始應(yīng)力場環(huán)境；采用摩爾—庫侖模型作為屈服準則，從上至下分層開挖采空區(qū)；記錄采空區(qū)頂板中點的豎向位移和側(cè)壁中點的水平位移；利用數(shù)值分析軟件的后處理功能，分析計算剖面上的應(yīng)力場和位移場的分布特征。

4.2 巖土體計算參數(shù)

在計算過程中，對于土層和巖層都采用摩爾—庫倫模型(Mohr-Coulomb)，所需參數(shù)密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度、變形模量和泊松比由室內(nèi)巖石力學(xué)試驗測得。模型中的巖土介質(zhì)包括沖積土、大理巖和斷層3種不同類型，其中斷層主要由斷層泥、斷層角礫構(gòu)成。其相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，綜合考慮鵬茜礦巖土物理力學(xué)試驗值及深圳地區(qū)經(jīng)驗值，最終確定各類巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 鵬茜礦巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.3.1 應(yīng)力分析結(jié)果

計算區(qū)應(yīng)力場是由巖土體自重荷載和地下巷道開挖卸荷共同作用形成的。地形地貌、地下巷道形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性決定計算區(qū)內(nèi)應(yīng)力的分布形態(tài)。圖4和圖5表明，計算區(qū)內(nèi)絕大部分單元處于壓應(yīng)力狀態(tài)，總體上應(yīng)力值隨著深度的增加而增大；在斷層附近、地下巷道周圍，特別是巷道拐角處應(yīng)力明顯集中；斷層附近最大σx為1.6 MPa，最大σy為2.0 MPa，最大τxy為0.8 MPa；巷道拐角處最大σx為2.4 MPa，最大σy為5.6 MPa，最大 τxy為0.7 MPa。從圖4和圖5中可以看出，主應(yīng)力為壓應(yīng)力，應(yīng)力值總體隨著深度的增加而增大；主應(yīng)力在斷層附近、地下巷道周圍，特別是巷道拐角處出現(xiàn)集中現(xiàn)象，并發(fā)生應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向與巷道壁切線方向平行；斷層附近最大σ1為3.2 MPa，最大σ3為0.7 MPa；巷道拐角處最大σ1為6.4 MPa，最大σ3為1.6 MPa。從單元最大剪應(yīng)力等值線圖3～8看，最大剪應(yīng)力τmax在斷層附近、地下巷道周圍，特別是巷道拐角處明顯集中；在斷層附近最大τmax為1.4 MPa；在巷道拐角處最大τmax為2.4 MPa。剪應(yīng)力集中的部位正是巖土體最容易發(fā)生破壞的部位。因此，在計算區(qū)的斷層附近、地下巷道周圍，特別是巷道拐角處最有可能發(fā)生剪切破壞。

4.3.2 位移分析結(jié)果

計算區(qū)位移場是由巖土體自重和地下巷道開挖卸荷共同作用形成的，約束邊界也對邊坡位移場有局部的影響。從圖6和圖7中可以看出，節(jié)點位移總體上垂直向下，地表處位移最大，數(shù)值達41 mm，隨著深度的增加，位移逐步減?。辉诘叵孪锏理敳课灰浦迪鄬^大，底部位移值相對較小，并出現(xiàn)側(cè)壁位移向巷道內(nèi)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這是巷道開挖卸荷位移疊加在巖土體自重位移上形成的。參照同高程巖土體垂向位移值，可推知巷道開挖卸荷形成的位移在10 mm左右。卸荷位移一方面導(dǎo)致應(yīng)力松弛，降低巷道圍巖應(yīng)力水平，有利于巷道的穩(wěn)定；另一方面產(chǎn)生卸荷裂隙，降低巖體強度，不利于巷道的穩(wěn)定。因此，在地下巷道壁附近更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.3.3 水平位移分析

圖8和圖9表明開挖完成之后，最大位移均分布于采空區(qū)側(cè)壁一帶，這是由于開挖產(chǎn)生應(yīng)力回彈所致，最大正向水平位移為8 mm，位于2#采空區(qū)，最大負向水平位移為6.54 mm，位于3#采空區(qū)。其中-40 m水平采空區(qū)的水平位移要小于-90 m水平采空區(qū)位移。

圖4 采場最大主應(yīng)力云圖

圖5 采場最小主應(yīng)力云圖

圖6 采場Z向豎直位移云圖

圖7 各采空區(qū)頂部中心點豎直位移曲線圖

圖8 采場X向水平位移云圖

圖9 各采空區(qū)側(cè)壁中心點X向水平位移曲線圖

綜合分析采空區(qū)的應(yīng)力場和應(yīng)移場的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)無論是-40 m水平的采空區(qū)，還是-90 m水平的采空區(qū)都不存在貫通性的應(yīng)力和位移集中區(qū)，僅在采礦巷道拐角處局部存在剪切應(yīng)力集中部位，分布面積較小，說明采空區(qū)圍巖的整體穩(wěn)定性較好。

6 礦柱穩(wěn)定性評價

為驗證模型對采空區(qū)穩(wěn)定性的計算結(jié)果，針對水平礦柱的穩(wěn)定性即礦柱強度進行計算。考慮到鵬茜礦巖層傾角的變化，本次采用兩種方法進行計算。

6.1 緩傾斜巖層礦柱強度

該方法假定巖層為彈性體，且各向同性，礦柱的破壞主要是由于垂向應(yīng)力的作用造成的。礦柱安全系數(shù)計算公式如下：

(1)

式(1)中：γ為上覆巖層平均密度，kg/m3；H為開采深度，m；Sk為礦柱支撐面積，m2；Sz為礦柱橫截面積，m2；R為采深、采高、開采范圍校正系數(shù)；σc為巖體的抗壓強度，Pa；K為礦柱形狀修正系數(shù)；n為安全系數(shù)。

根據(jù)鵬茜礦房柱尺寸和巖體物理力學(xué)參數(shù)值，巖石的平均密度γ為2.8×103kg/m3，上水平開采深度H為90 m(標(biāo)高-40 m)，下水平開采深度H為140 m(標(biāo)高-90 m)，礦柱支撐面積Sk為30 m2，礦柱橫截面積Sz為15 m2，采深、采高、開采范圍校正系數(shù)R取值為1，礦柱形狀修正系數(shù)K取值為1。

巖體的抗壓強度(最小值)[σc]=18×106Pa時： 上水平礦柱安全系數(shù)n=3.64； 下水平礦柱安全系數(shù)n=2.26。 巖體的抗壓強度(平均值)[σc]=49.3×106Pa時： 上水平礦柱安全系數(shù)n=9.98； 下水平礦柱安全系數(shù)n=6.19。

計算表明，鵬茜礦緩傾巖層段上、下水平礦柱是安全穩(wěn)定的。

6.2 急傾斜巖層礦柱強度

計算方法與緩傾斜巖層礦柱強度計算公式相同，只是加入傾角影響系數(shù)，已知采深、采高、開采范圍校正系數(shù)R=1，礦柱形狀修正系數(shù)K=1。陡傾斜巖層礦柱安全系數(shù)計算公式如下：

(2)

式(2)中：w為修正前礦房跨度，m；b為修正前礦柱寬度，m；K′為應(yīng)力影響系數(shù)；γ為上覆巖層平均密度，kg/m3；H為開采深度，m；σc為巖體的抗壓強度，Pa；n為安全系數(shù)。

根據(jù)鵬茜礦巖層產(chǎn)狀調(diào)查，巖層平均傾角為55°，則應(yīng)力影響系數(shù)K′取值為1.4，其它參數(shù)取值同式(1)。

巖體的抗壓強度(最小值)[σc]=18×106Pa時： 上水平礦柱安全系數(shù)n=2.6； 下水平礦柱安全系數(shù)n=1.62。

巖體的抗壓強度(平均值)[σc]=49.3×106Pa時： 上水平礦柱安全系數(shù)n=7.12； 下水平礦柱安全系數(shù)n=4.42。

計算表明，鵬茜礦陡傾巖層段上、下水平礦柱是安全穩(wěn)定的。 綜上所述，鵬茜礦不同傾角巖層段上、下水平礦柱均是安全穩(wěn)定的。

7 結(jié)語

根據(jù)鵬茜礦開采巷道礦房穩(wěn)定性計算、礦柱穩(wěn)定性計算和開采巷道穩(wěn)定性有限元模擬分析成果，有如下結(jié)論。

(1)-40 m水平巷道圍巖總體上是穩(wěn)定的，巷道拐角處有小范圍塑性變形，不會出現(xiàn)巖體失穩(wěn)問題；

(2)-90 m水平巷道圍巖穩(wěn)定性較上水平巷道稍差，巷道圍巖基本上是穩(wěn)定的，巷道拐角處塑性變形區(qū)稍大，可能出現(xiàn)局部巖體變形，應(yīng)對巷道低強度巖體段進行一定的支護。

(3)礦區(qū)大理巖因巖溶發(fā)育形成的溶洞、溶蝕裂隙為地下水的富集和流通提供了空間和通道，是區(qū)內(nèi)地下水的強徑流帶和富水帶。