發(fā)布時間：2018-12-29所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在對五道羊岔礦區(qū)巖體宏觀結構調(diào)查及室內(nèi)巖石力學試驗的基礎上，采用FLAC有限差分法對礦區(qū)開采誘發(fā)的地表沉陷變形進行了數(shù)值模擬研究，得出礦區(qū)5個采區(qū)在不同采礦技術參數(shù)下的圍巖移動及地表變形的規(guī)律。基于數(shù)值模擬結果，確定了5個采區(qū)在開采完成后
摘要：在對五道羊岔礦區(qū)巖體宏觀結構調(diào)查及室內(nèi)巖石力學試驗的基礎上，采用FLAC有限差分法對礦區(qū)開采誘發(fā)的地表沉陷變形進行了數(shù)值模擬研究，得出礦區(qū)5個采區(qū)在不同采礦技術參數(shù)下的圍巖移動及地表變形的規(guī)律。基于數(shù)值模擬結果，確定了5個采區(qū)在開采完成后的地表沉陷邊界，并估算了各采區(qū)的地表塌陷體積。
關鍵詞：采礦工程,地表變形,FLAC數(shù)值模擬,沉陷邊界,塌陷體積
在礦山生產(chǎn)中，人們往往希望最大限度地對礦產(chǎn)資源進行開采;另一方面又要滿足礦山在開采期間中的穩(wěn)定性。然而在工程實踐中，礦產(chǎn)資源的大規(guī)模、高強度開采，已對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的負面影響，導致地表下沉、塌陷等，嚴重影響礦山及地表構筑物的穩(wěn)定性。因此，對不同采礦方法、采礦工藝及技術參數(shù)下礦區(qū)地表沉陷、變形的預測具有重大的研究意義和實踐指導意義[1]。
地下開采誘發(fā)的巖層移動及地表沉陷是一個復雜的物理、力學變化過程[2]。國內(nèi)外學者提出了許多關于開采沉陷的預測方法和沉降模型，如典型曲線法、剖面函數(shù)法、影響函數(shù)法、下沉網(wǎng)格法等[3]。20世紀80年代，伴隨著隨機介質(zhì)理論的引入，我國學者在此基礎上建立了地表移動預計的經(jīng)典概率積分法，是我國較為成熟和應用最為廣泛的預測方法之一[4-5]。然而，概率積分法在對巖層移動力學機理上的解釋存在不足，且關鍵參數(shù)須結合實地觀測數(shù)據(jù)確定，這給開采沉陷的預計工作造成了一定的難度[6]。
隨著離散元、有限元、有限差分及邊界元等各種算法和程序的問世，應用數(shù)值分析方法研究開挖引起的地表擾動變形得到了長足的發(fā)展。在各類數(shù)值計算方法中，有限差分法應用最為廣泛。它可模擬不同采礦工藝[7-8]和采礦方法[9-10]條件下地表的沉陷變形，從而優(yōu)化觀測站布置[11]，圈定地表移動帶范圍[12]，進而為采動災害防治及地表建(構)筑物的保護措施提出合理建議。
以五道羊岔礦為例，采用數(shù)值計算方法研究了地下采動作用下礦區(qū)地表變形規(guī)律，圈定了地表沉陷帶的范圍，并估算開采誘發(fā)的塌陷體積，分析評價其對地表環(huán)境的損害，為該方法在地下開采穩(wěn)定分析中積累有益的經(jīng)驗。
1工程概況及采礦方法
1.1工程概況
五道羊岔礦床為太古宙巖漿晚期結晶分異形成的富鐵礦床，礦區(qū)總面積5.006km2，開采標高為1060～-280m。槽探、鉆探工程揭露顯示，礦區(qū)共有10個礦組47條礦體，礦體剖面形態(tài)各異，呈隱伏、半隱伏型。
1.2開采范圍及方法
五道羊岔礦區(qū)采區(qū)范圍及相應的工程地質(zhì)勘探線布置如圖1。礦區(qū)分I～V共5個采區(qū)生產(chǎn)，共布置37條工程地質(zhì)勘探線以查明地下礦體剖面形態(tài)。根據(jù)礦山現(xiàn)狀及礦體賦存條件，確定了各采區(qū)的開采對象及開采方案如下。
1)I區(qū)：開采對象為11#～13#勘探線、17#～31#勘探線之間的礦體，開采標高1060～820m。自上而下分中段開采，采用分段空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
2)II區(qū)：開采對象為3#～8#勘探線、12#～32#勘探線之間的礦體，開采標高720～-280m。自上而下分中段開采，中段內(nèi)采用自遠而近后退式開采。采用房柱法開采，水平方向采至礦體邊界。
3)III區(qū)：開采對象為45#～47#勘探線、51#～63#勘探線之間的礦體，開采標高1040～759m。自上而下分中段開采，中段內(nèi)采用自遠而近后退式開采。采用空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
4)IV區(qū)：開采對象為108#～102#勘探線之間的礦體，開采標高850～940m。整體自上而下分中段開采，中段內(nèi)后退式開采。采用留礦法開采，水平方向采至礦體邊界。
5)V區(qū)：開采對象為100#～110#勘探線之間的礦體，開采標高850～700m。整體自上而下分中段開采，中段內(nèi)后退式開采。采用空場法開采，水平方向采至礦體邊界。
2模擬計算
2.1計算模型
本次研究采用了FLAC2D二維有限差分數(shù)值模擬軟件，對該礦區(qū)開采后的地表移動進行模擬。采用的計算為二維計算，計算平面為上述37條勘探線剖面。每條剖面的計算范圍：水平方向上取沿該勘探線走向兩端各延長1倍的距離，以消除邊界效應的影響。對于每條計算剖面，采用摩爾-庫倫模型模擬開挖計算。
模型兩端水平方向上的位移固定，底部為固定邊界，頂部為自由邊界。模型上部自由邊界上的網(wǎng)格節(jié)點為監(jiān)測點。首先計算在沒有開采狀態(tài)下，由于自重應力引起的y向(垂直)沉降位移及速度，并使之歸0。然后按照上述開采方案，模擬計算各剖面線上礦體開采完成后地表發(fā)生的沉降值及變形破壞范圍。
2.2計算參數(shù)
計算剖面中涉及的巖性為鐵礦體、斜長角閃巖、花崗巖。通過現(xiàn)場對不同巖性巖石的取樣及室內(nèi)巖石力學試驗，結合相關工程經(jīng)驗類比進行經(jīng)驗折減，確定了計算力學參數(shù)(表1)。
2.3計算結果與分析
2.3.1地表動態(tài)沉陷特征
選取上述37條勘探線剖面，建立相應的數(shù)值計算模型。對每個剖面進行了仿真開采，分析開采完成后各條剖面上的位移場變化規(guī)律。由于篇幅所限，本節(jié)僅給出101#勘探線剖面仿真模擬開采的結果(圖2)，旨在說明分析方法，其它可以此類推。不同開采階段計算剖面上垂直位移等值線圖如圖2(a)和圖2(c)。
可以看出在垂直方向上，隨著開采的持續(xù)進行，地表沉降呈漸進式發(fā)展。不同開采階段的地表沉陷位移曲線如圖3。由圖3可以看出，豎直位移曲線相對平滑，且連續(xù)性良好。在開采全部完成時地表沉降量達到最大，為9.7mm，出現(xiàn)在距勘探線左端400m的邊坡處。不同開采階段計算剖面的水平位移等值線圖如圖2(b)和圖2(d)。
可見隨著開采的進行，巖體水平位移的變化規(guī)律趨于明顯，主要表現(xiàn)在采空區(qū)上下盤巖體向空區(qū)的擠近。即上、下盤巖體發(fā)生相向移動，上盤巖體總體上發(fā)生向左的移動，下盤巖體則發(fā)生向右的移動。沿勘探線走向的地表沉陷位移圖如圖3。
由圖3可以看出，水平位移曲線近似以沉降中心為原點呈正弦曲線分布，最終的地表水平位移值為7.2mm，出現(xiàn)在距勘探線左端457m的邊坡處。
2.3.2地表沉陷預測評價
通過對上述5個采區(qū)37條剖面不同開采階段下的二維仿真計算，分別得出了各個剖面的垂直位移值和水平位移值。在上述計算剖面的離散化過程中，每條剖面計算模型上部自由邊界上的網(wǎng)格節(jié)點為地表監(jiān)測點。在開挖計算完成后，通過提取這些監(jiān)測點的平面坐標及相應的位移量值，即可得到各剖面線上開采完成后相應監(jiān)測點的空間三維數(shù)據(jù)。
基于Surfer平臺，對上述的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行處理。按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，以沉陷值為10mm作為沉陷盆地邊界，繪制各采區(qū)的沉陷等值線圖。整個礦區(qū)全部開采完成后的地表沉陷區(qū)劃圖如圖4。
可以看出，地表沉降區(qū)主要分布在礦體上盤地表及下盤地表的一定區(qū)域內(nèi)。I區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)和V區(qū)地表呈橢圓形盆地塌陷形態(tài)，相應的各區(qū)最大沉降量分別為70、18、40、20mm。由于II區(qū)礦體厚度較大，在縱向延展較遠，地表受開采影響較大，故開采結束后的地表沉降邊界擴展較大，且無明顯的沉降中心，最大沉降量值為40mm。
利用Surfer三維建模功能，對上述5礦區(qū)37個計算模型開采沉陷前后的二維面積在空間上的插值，可得到各礦區(qū)開采前后地表沉陷的體積變化，開采誘發(fā)的地表沉陷體積見表2。可以看出，由于II采區(qū)礦體規(guī)模大，在5個采區(qū)中II采區(qū)開采前后發(fā)生的塌陷量最大，約占整個礦區(qū)塌陷體積量的97.5%，這與上述數(shù)值模擬得到的結果是一致的。因此，應合理地布置II采區(qū)的礦山生產(chǎn)，以減少該采區(qū)礦山生產(chǎn)期間的運輸成本及潛在礦山沉陷災害帶來的損失。
3結論
1)地表沉陷隨著開采的進行呈漸進式發(fā)展，豎直位移曲線和水平位移曲線相對平滑;在對稱性良好的水平開采情況下，豎直位移曲線的對稱軸位置大致為正弦形態(tài)的水平位移分量的對稱中心。
2)通過對不同采區(qū)地表位移量的分析和界定，給出了5個采區(qū)全部開采結束后的地表沉陷邊界和地表塌陷體積。根據(jù)預測地表沉陷預測的位移量值，認為雖然II礦區(qū)地表建筑物在地表沉陷邊界外，但其穩(wěn)定性在一定程度上仍受開采沉陷的影響，在后續(xù)的礦山生產(chǎn)過程中應注意對這些建筑物的監(jiān)測。
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推薦期刊：《煤炭科學技術》創(chuàng)刊于1973年，是由國家煤礦安全監(jiān)察局主管、煤炭科學研究總院主辦的綜合性煤炭科技期刊。主要刊載煤炭工業(yè)各領域取得的最新成果、新技術、研究動態(tài)、新經(jīng)驗及新產(chǎn)品等方面的論文，內(nèi)容包括煤礦開采、礦井建設、地質(zhì)勘探、煤礦電氣、煤礦機械、煤化工、科學管理、國外技術等。
