無底柱分段崩落法開采上覆巖層力學(xué)參數(shù)研究

陳清運，楊從兵，王水平，張電吉

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.磷資源開發(fā)利用教育部工程研究中心,湖北,武漢 430074;3.武鋼集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司程潮鐵礦,湖北 鄂州 436000;4.武鋼集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司金山店鐵礦,湖北 大冶 435116)

0 引 言

巖體是具有一定結(jié)構(gòu)、賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體.巖體特性除受巖石力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境等因素影響外，還存在空間尺寸效應(yīng).巖體力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行巖土工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，但是巖體力學(xué)參數(shù)不像巖石力學(xué)參數(shù)那樣容易獲取，確定受開采擾動的巖層力學(xué)參數(shù)就更難了.目前經(jīng)常采用的方法有經(jīng)驗折減系數(shù)法、大型原位試驗法、位移反分析法和巖體分類法等.

經(jīng)驗折減系數(shù)法是在對巖體節(jié)理性狀定量描述的基礎(chǔ)上，通過弱化巖石強度求取巖體強度，雖然方法簡單，指標(biāo)也易于獲得，但是精度常常達(dá)不到巖土工程設(shè)計和穩(wěn)定法分析的要求.大型巖體原位試驗，包括原位承壓板變形試驗和剪切試驗，用來研究巖體的變形特性、尺寸效應(yīng)和軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)等，但是試驗費用高，次數(shù)有限.位移反分析法以工程開挖過程中圍巖變形觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過反演分析獲得巖體力學(xué)參數(shù)和環(huán)境力學(xué)參數(shù)，因綜合了工程巖體各方面的信息，具有重要的參考價值.巖體分類法估計巖體力學(xué)參數(shù)是目前發(fā)展最快應(yīng)用也最廣的方法，Bieniawski(1976，1989)提出了地質(zhì)巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)，并依此進(jìn)行地質(zhì)巖體分類，對不同的類別分別賦予不同的巖體力學(xué)參數(shù)值.Hoek和Brown(1980)，基于大量的試驗數(shù)據(jù)，提出了巖體經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，建立了巖體的材料常數(shù)m、s、a與巖體質(zhì)量指標(biāo)之間的聯(lián)系，提出了一套估計巖體力學(xué)參數(shù)的方法.隨后，Hoek和Brown(1994、2004)提出了以地質(zhì)強度指標(biāo)(GSI)為基礎(chǔ)的廣義經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，提出了一套巖體分類和力學(xué)參數(shù)估計的方法[1-2].

金山店鐵礦東區(qū)地表建筑物與構(gòu)筑物較多，地下開采對地表影響范圍與程度是礦山關(guān)注的重要問題，正確確定巖層力學(xué)參數(shù)是合理評價地下開采巖層穩(wěn)定性的關(guān)鍵.

1 工程地質(zhì)背景

金山店鐵礦張福山礦床以25勘探線為界將礦區(qū)分為東西兩大采區(qū)，在西采區(qū)又以16線為界，分為西Ⅰ采區(qū)和西Ⅱ采區(qū).西Ⅰ采區(qū)的工程地質(zhì)特征簡述如下：

礦區(qū)地層主要由三迭系中—上統(tǒng)(T2-3)及侏羅系中—下統(tǒng)(J1-2W)地層組成.其中分布最廣的地層是三迭系中—上統(tǒng)薄圻群(T2-3pq)，為一套砂頁巖組合地層，分布于礦體上盤.對西Ⅰ采區(qū)影響較大的地質(zhì)構(gòu)造有F103和F104斷層.F103斷層走向北西，傾向南西，切割礦化帶及礦體，為一壓扭性斷層，斷層較緊閉，局部充填糜棱巖.F104斷層分布于礦體上盤與蒲圻群地層的接觸界面上，斷層走向與礦體走向近一致，傾向南，傾角65～85°，上陡下緩，具有壓扭性特征，斷裂帶中發(fā)育有碎裂巖和糜棱巖.巖漿巖在區(qū)內(nèi)以石英閃長巖分布最廣，組成礦體下盤圍巖.

西Ⅰ采區(qū)礦體特征為：Ⅰ號礦體是西Ⅰ采區(qū)的主要礦體，東西長350 m，走向77～126°，傾向197～ 210°，傾角63～ 85°，礦體平均厚24.90 m.礦體出露地表，呈似層狀、脈狀，分枝復(fù)合現(xiàn)象明顯.Ⅲ號礦體與I礦體基本平行，走向長度為120 m，平均厚度15 m，兩礦體平均間距為35 m，Ⅲ號礦體位于I號礦體的上盤.

此前對19～23-1勘探線之間出露地表的礦體進(jìn)行了露天開采，最終開采境界為+40 m水平，并逐年對露天坑進(jìn)行了回填，礦山目前采用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采.

2 上覆巖層力學(xué)參數(shù)研究

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

a. 基于巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)的巖體力學(xué)參數(shù)估計.Bieniawski地質(zhì)力學(xué)分類法采用了5個分類參數(shù)：完整巖石材料的強度(或巖石點荷載強度指標(biāo))、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件.因每個參數(shù)對巖體性狀影響不同，賦予了不同的權(quán)值，參數(shù)指標(biāo)之和為巖體質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)將巖體分五級.Serafim和Pereira (1983)，基于Hoek-Brown巖體經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)，提出了估計巖體強度的計算方法，見表1.

表1 RMR法估計巖體力學(xué)參數(shù)計算體系

根據(jù)表1，編制相應(yīng)程序進(jìn)行計算，結(jié)果見表4.

b. 基于地質(zhì)強度指標(biāo)(GSI)的巖體力學(xué)參數(shù)估計.1995年，Hoek和Brown提出了地質(zhì)強度指標(biāo)GSI，巖體的地質(zhì)強度指標(biāo)與巖體結(jié)構(gòu)、巖塊的嵌鎖狀態(tài)和巖體中不連續(xù)面的性狀有關(guān).由于該法在巖體結(jié)構(gòu)等級和不連續(xù)面性狀等級的劃分上過于粗糙，Sonmez和Ulusay對這兩個指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)化和定量化，同時考慮不同的開挖方式對巖體地質(zhì)強度指標(biāo)GSI的影響，提出了巖體地質(zhì)強度指標(biāo)GSI的修正方法.

隨后，Hoek提出了適用范圍更廣的Hoek-Brown巖體經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，并運用Balmer(1952)等以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則表示巖體力學(xué)極限平衡數(shù)學(xué)模型公式，提出了估計巖體強度 公式，見表2.根據(jù)表2，編制相應(yīng)程序進(jìn)行計算，結(jié)果見表4.

表2 GSI法估計巖體力學(xué)參數(shù)計算體系

c. 原位變形強度測試[3].現(xiàn)場承壓板變形試驗是為了確定角巖和石英閃長巖變形模量，這兩種巖石組成金山店鐵礦上下盤主要圍巖，其變形模量是影響巖層移動的主要因素.原位變形試驗選在-130 m水平的7#穿脈中進(jìn)行的，上盤角頁巖中選一點，下盤石英閃長巖中選一點.試洞準(zhǔn)備：上盤在距礦體40 m處的角巖中，下盤在距礦體50 m處的石英閃長巖中，于巷道壁上開挖出寬×高×深=1.5 m×1.4 m×2.0 m的試洞.儀器設(shè)備：加壓系統(tǒng)有液壓千斤頂(150T)、油壓泵、管路、壓力表；測量系統(tǒng)有測表支架、千分表、百分表、磁鐵表架、測量標(biāo)點、基準(zhǔn)工字鋼梁；傳力系統(tǒng)有剛性承壓板(Φ50 cm)，墊板、傳力柱、楔形塊.

依據(jù)所測得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線及計算公式(1)，即可求得巖體的變形(彈性)模量，試驗結(jié)果見表3.

(1)

式(1)中：Em—巖體變形(彈性)模量(Pa)；

w0—巖體變形(m)；

p—承壓板上單位面積壓力(Pa)；

d—承壓板直徑(m)；

μ—泊松比.

表3 現(xiàn)場承壓板變形試驗結(jié)果

表4 巖體力學(xué)參數(shù)估計結(jié)果

由表4可知，采用地質(zhì)力學(xué)分類法和經(jīng)驗強度準(zhǔn)則法進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)估計，其值有一定的誤差，取算術(shù)平均數(shù)，結(jié)果見表5.

表5 礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)研究結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)研究

結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的研究是巖體力學(xué)參數(shù)研究的一個重要組成部分.經(jīng)對張福山礦區(qū)幾種主要巖石的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的測定，其結(jié)果如表6所示[4-5].

表6 巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3 巖體力學(xué)參數(shù)工程驗證

3.1 計算模型的建立

計算范圍的確定：西Ⅰ采區(qū)開采18-1～23-1線之間的礦體，長200 m，包括Ⅰ、Ⅲ號兩礦體.主要研究西Ⅰ采區(qū)-141.5 m水平以上開采時巖層移動變形，但為今后研究方便，本次建立數(shù)值計算模型時從-500 m開始建立模型.根據(jù)類似工程條件下實測的地表邊界角：垂直礦體走向為57°、沿著礦體走向為80°.以該值為初值，圈定模型的計算范圍，并適當(dāng)放大，以計算過程中應(yīng)力重分布不影響到模型的邊界為原則，最后確定數(shù)值計算模型的范圍為：

X：3 334 600～3 335 600、Y：38 577 300～ 38 578 400、Z：-500～60，即長×寬×高=1 100 m×1 000 m×560 m.

工程地質(zhì)和邊界條件：影響西Ⅰ采區(qū)的斷層有F103和F104，它們與礦體產(chǎn)狀基本一致或小角度斜穿礦體，對上下盤圍巖的影響比較小，因此在建模過程中可以不考慮斷層的影響；為了模擬露天坑中散體的力學(xué)性態(tài)，在建立三維數(shù)值計算模型時，上下盤以65°、端部以80°圈定露天坑散體，將之作為彈性體看待；破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb)；礦床在開采前要進(jìn)行地下水的疏干，計算中可以不考慮地下水的影響；初始水平原巖應(yīng)力按1.5倍自重應(yīng)力賦初值.由于礦體不規(guī)則，用FLAC3D建立數(shù)值計算模型比較困難，因此先用ANSYS建立數(shù)值模型，然后導(dǎo)入FLAC中建立用于FLAC3D計算的模型，采用四面體單元對礦體和結(jié)構(gòu)面進(jìn)行擬合.在建立模型過程中主要依據(jù)礦區(qū)地形圖、剖面圖、各分段和階段的平面圖.建立的模型如圖1～2所示，單元數(shù)為88 625個，節(jié)點數(shù)為15 576個.

圖1 西Ⅰ采區(qū)礦體模型圖

圖2 西Ⅰ采區(qū)數(shù)值計算模型網(wǎng)格圖

3.2 計算結(jié)果及分析

為了反映礦區(qū)整體地表變形情況，在三條測線上都選擇了測點，同時兼顧到上下盤；另外，測線上位移變化較小的測點盡量不選，主要選擇位移變化比較活躍的測點；同時，不選位移變化奇異的測點.綜合分析，最后選擇A4、A5、B3、B12、C2等5點作為測點，主要是水平位移.

當(dāng)西Ⅰ采區(qū)開采至-141.5 m水平時，在地表測點上，垂直礦體走向方向的水平位移計算值與實測值結(jié)果見表7，并將表7的結(jié)果繪成圖3.地表移動變形規(guī)律見圖4所示.

表7 計算值與實測值對比表

圖3 地表垂直礦體水平位移計算值與實測值對比圖

圖4 地表垂直礦體水平位移等值線圖

由圖3可見，兩條曲線吻合比較好，變化規(guī)律一致，測點實測值與計算值相對誤差在12％以下，對于采礦工程而言，這個精度是可以接受的.圖4反映的地表變形范圍與實際地表變形范圍一致.因此，巖體力學(xué)參數(shù)值可以作為東區(qū)地下開采地表變形的計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù).本結(jié)果為東區(qū)的地表變形分析提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證東區(qū)分析的正確性.

參考文獻(xiàn)：

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