發(fā)布時(shí)間：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(jié)構(gòu)調(diào)查及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出礦區(qū)5個(gè)采區(qū)在不同采礦技術(shù)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(jié)果，確定了5個(gè)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(jié)構(gòu)調(diào)查及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出礦區(qū)5個(gè)采區(qū)在不同采礦技術(shù)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(jié)果，確定了5個(gè)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(guān)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(jìn)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(shí)踐中，礦產(chǎn)資源的大規(guī)模、高強(qiáng)度開采，已對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，導(dǎo)致地表下沉、塌陷等，嚴(yán)重影響礦山及地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。因此，對不同采礦方法、采礦工藝及技術(shù)參數(shù)下礦區(qū)地表沉陷、變形的預(yù)測具有重大的研究意義和實(shí)踐指導(dǎo)意義[1]。
地下開采誘發(fā)的巖層移動及地表沉陷是一個(gè)復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程[2]。國內(nèi)外學(xué)者提出了許多關(guān)于開采沉陷的預(yù)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(jì)80年代，伴隨著隨機(jī)介質(zhì)理論的引入，我國學(xué)者在此基礎(chǔ)上建立了地表移動預(yù)計(jì)的經(jīng)典概率積分法，是我國較為成熟和應(yīng)用最為廣泛的預(yù)測方法之一[4-5]。然而，概率積分法在對巖層移動力學(xué)機(jī)理上的解釋存在不足，且關(guān)鍵參數(shù)須結(jié)合實(shí)地觀測數(shù)據(jù)確定，這給開采沉陷的預(yù)計(jì)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(yīng)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(jì)算方法中，有限差分法應(yīng)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(jìn)而為采動災(zāi)害防治及地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)措施提出合理建議。
以五道羊岔礦為例，采用數(shù)值計(jì)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(jià)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(yàn)。
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(jié)晶分異形成的富鐵礦床，礦區(qū)總面積5.006km2，開采標(biāo)高為1060～-280m。槽探、鉆探工程揭露顯示，礦區(qū)共有10個(gè)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(yīng)的工程地質(zhì)勘探線布置如圖1。礦區(qū)分I～V共5個(gè)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(biāo)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(biāo)高720～-280m。自上而下分中段開采，中段內(nèi)采用自遠(yuǎn)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(biāo)高1040～759m。自上而下分中段開采，中段內(nèi)采用自遠(yuǎn)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(biāo)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(biāo)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(jì)算
2.1計(jì)算模型
本次研究采用了FLAC2D二維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對該礦區(qū)開采后的地表移動進(jìn)行模擬。采用的計(jì)算為二維計(jì)算，計(jì)算平面為上述37條勘探線剖面。每條剖面的計(jì)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(yīng)的影響。對于每條計(jì)算剖面，采用摩爾-庫倫模型模擬開挖計(jì)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(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn)。首先計(jì)算在沒有開采狀態(tài)下，由于自重應(yīng)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(jì)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(jì)算參數(shù)
計(jì)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(xué)試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)折減，確定了計(jì)算力學(xué)參數(shù)(表1)。
2.3計(jì)算結(jié)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(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型。對每個(gè)剖面進(jìn)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(jié)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(jì)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(jìn)行，地表沉降呈漸進(jìn)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(shí)地表沉降量達(dá)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(jì)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(jìn)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(diǎn)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(yù)測評價(jià)
通過對上述5個(gè)采區(qū)37條剖面不同開采階段下的二維仿真計(jì)算，分別得出了各個(gè)剖面的垂直位移值和水平位移值。在上述計(jì)算剖面的離散化過程中，每條剖面計(jì)算模型上部自由邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為地表監(jiān)測點(diǎn)。在開挖計(jì)算完成后，通過提取這些監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)及相應(yīng)的位移量值，即可得到各剖面線上開采完成后相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的空間三維數(shù)據(jù)。
基于Surfer平臺，對上述的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)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(gè)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(yīng)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(yuǎn)，地表受開采影響較大，故開采結(jié)束后的地表沉降邊界擴(kuò)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(gè)計(jì)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(gè)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(gè)礦區(qū)塌陷體積量的97.5%，這與上述數(shù)值模擬得到的結(jié)果是一致的。因此，應(yīng)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(yùn)輸成本及潛在礦山沉陷災(zāi)害帶來的損失。
3結(jié)論
1)地表沉陷隨著開采的進(jìn)行呈漸進(jìn)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(gè)采區(qū)全部開采結(jié)束后的地表沉陷邊界和地表塌陷體積。根據(jù)預(yù)測地表沉陷預(yù)測的位移量值，認(rèn)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(yīng)注意對這些建筑物的監(jiān)測。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳元非，王磊，查劍鋒.礦山開采沉陷預(yù)計(jì)與分析[J].煤礦安全，2017，48(1)：99-106.
[2]王軍保，劉新榮，劉小軍.開采沉陷動態(tài)預(yù)測模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(3)：516-521.
[3]崔希民，鄧喀中.煤礦開采沉陷預(yù)計(jì)理論與方法研究評述[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(1)：160-169.
[4]劉寶琛，戴華陽.概率積分法的又來與研究進(jìn)展[J].煤礦開采，2016，21(2)：1-3.
[5]朱曉峻，郭廣禮，方齊.概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)反演方法研究進(jìn)展[J].金屬礦山，2015，44(4)：173-177.
[6]秦世界，張和生，李國棟.基于FLAC3D的煤礦開采沉陷預(yù)計(jì)及與概率積分法的對比分析[J].煤炭工程，2014，46(6)：96-102.
[7]范瑋剛，馮光明，韓曉東，等.淺埋薄煤層超高水充填開采地表移動規(guī)律[J].能源技術(shù)與管理，2010(5)：19.
[8]劉劍，郝兵元，黃輝.大采寬工作面開采沉陷規(guī)律的FLAC3D模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33(11)：132.
[9]劉康，軒大洋.長壁全部充填與條帶充填開采沉陷控制效果對比[J].煤礦安全，2013，44(11)：60-63.
[10]張文泉，劉海林，趙凱.厚松散層薄基巖條帶開采地表沉陷影響因素研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(6)：1065-1071.
[11]劉玉成.煤層開采地表移動過程的FLAC3D模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(5)：93-95.
推薦期刊：《煤炭科學(xué)技術(shù)》創(chuàng)刊于1973年，是由國家煤礦安全監(jiān)察局主管、煤炭科學(xué)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(lǐng)域取得的最新成果、新技術(shù)、研究動態(tài)、新經(jīng)驗(yàn)及新產(chǎn)品等方面的論文，內(nèi)容包括煤礦開采、礦井建設(shè)、地質(zhì)勘探、煤礦電氣、煤礦機(jī)械、煤化工、科學(xué)管理、國外技術(shù)等。
