礦山開采對(duì)帷幕注漿區(qū)域影響研究*

劉大金 ，孫幫濤，章愛衛(wèi) ，聞磊

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050024； 2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050024； 3.彝良馳宏礦業(yè)有限公司， 云南 彝良縣 657699； 4.石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系， 河北 石家莊 050043)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的安全開采，礦體周邊區(qū)域常常采用帷幕注漿等手段封閉導(dǎo)水通道或改善巖體力學(xué)性質(zhì)。礦山帷幕注漿屬地下隱蔽工程，不可預(yù)見因素較多，帷幕注漿體本身受到鄰近礦體開采的影響，內(nèi)部應(yīng)力重分布產(chǎn)生斷裂、較大位移等，其穩(wěn)定性狀態(tài)可能發(fā)生改變。

目前，針對(duì)帷幕注漿穩(wěn)定性影響方面的研究取得了一定進(jìn)展。史秀志等[1]采用FLAC軟件分析了注漿前、后巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角、位移及應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)注漿對(duì)巖體加固效果明顯。謝穆武[2]通過(guò)對(duì)湖南某水利工程廠房進(jìn)水口帷幕注漿工程的觀測(cè)，提出近坡帷幕注漿應(yīng)充分考慮注漿方法和壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。王連俊等[3]分析了元寶山露天煤礦帷幕注漿引起的幕墻內(nèi)外巨大水壓差，闡述了邊坡失穩(wěn)的可能性。許萬(wàn)忠等[4]將ANSYS建立的含弱面巖體模型導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了弱面黏聚力和內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)的關(guān)系，探討了注漿膠結(jié)對(duì)弱面力學(xué)性質(zhì)的影響。陳賓[5]采用PLAXIS軟件探討了不同配比雙液漿對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響。目前，這些研究多集中在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下注漿后巖體穩(wěn)定性方面，在深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下礦山開采對(duì)帷幕注漿體穩(wěn)定性方面的研究較少。本文通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)合漿液、巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)擬合公式，得到本次計(jì)算區(qū)域漿液、巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)，通過(guò)Hoek-Brown準(zhǔn)則得到礦山巖體力學(xué)參數(shù)。依據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)分布趨勢(shì)。利用FLAC3D軟件建立礦山帷幕注漿區(qū)域（北部二期）及鄰近礦體數(shù)值計(jì)算模型，研究礦體回采對(duì)注漿體應(yīng)力、位移的影響。

1 圍巖體及漿液-巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)

1.1 帷幕注漿漿液結(jié)石體單軸壓縮強(qiáng)度

不同配比、不同水固比帷幕注漿漿液結(jié)石體試樣凝固后，在試驗(yàn)室進(jìn)行鉆樣、切割、磨平，最終加工成直徑50 cm，高徑比2:1的試樣。采用液壓伺服剛性壓力機(jī)進(jìn)行試樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到的不同配比、不同水固比試樣抗壓強(qiáng)度見表1。

1.2 漿液-巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)注漿區(qū)域相關(guān)鉆孔獲得的RMR值計(jì)算結(jié)果，本次計(jì)算區(qū)域圍巖為灰?guī)r，RMR值平均為42.4，單軸強(qiáng)度為83.28 MPa。

巖體注漿加固可有效提高強(qiáng)度和整體力學(xué)性 能，眾多學(xué)者的研究表明，注漿加固后巖體抗壓強(qiáng)度可提高15%～200%，強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角等也有較大增長(zhǎng)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，可得到注漿后巖體強(qiáng)度的增量經(jīng)驗(yàn)公式：

表1 不同配比、不同水固比試樣抗壓強(qiáng)度

式中，ξcoh為內(nèi)聚力增長(zhǎng)率，ξf為內(nèi)摩擦系數(shù)增長(zhǎng)率，ξc為單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率。

通過(guò)式（1）、式（2）編程計(jì)算即可得到漿液、巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)。根據(jù)不同配比漿液所占比例，結(jié)合表1不同配比、不同水固比試樣抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，按照符合材料強(qiáng)度相關(guān)理論得到本次計(jì)算區(qū)域內(nèi)漿液-巖體結(jié)合體黏聚力為7.0736，內(nèi)摩擦角為29.8654。

2 地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)礦山提供的相關(guān)資料可知，礦區(qū)610 m水平附近的最小主應(yīng)力值為6.76 MPa，最大主應(yīng)力值約為14.52 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?85.99°，最大主應(yīng)力傾角為1.65°，近水平；670 m水平附近的最小主應(yīng)力值為5.51 MPa，最大主應(yīng)力值約為12.49 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?91.98°，最大主應(yīng)力傾角為0.62°，近水平；720 m水平附近的最小主應(yīng)力值為5.23 MPa，最大主應(yīng)力值約為11.94 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?15.75°，最大主應(yīng)力傾角為1.49°，近水平。最大主應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，方位是北西向，平均走向N62.1W。610 m水平中間主應(yīng)力為7.54 MPa，670 m 水平中間主應(yīng)力為6.45 MPa，720 m水平中間主應(yīng)力為6.01 MPa。

采用Matlab軟件進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的擬合分析三個(gè)主應(yīng)力擬合公式如下：

3 礦體回采對(duì)注漿體穩(wěn)定性模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)礦區(qū)數(shù)據(jù)的提取和分析，建立礦區(qū)數(shù)值計(jì)算模型。模型x方向?yàn)?94 m，y方向?yàn)?72 m，z方向?yàn)?40 m，模型單元總數(shù)為7萬(wàn)余個(gè)。模型建立的具體步驟如下：

（1）沿實(shí)測(cè)初始地應(yīng)力方向選取計(jì)算模型邊界，在AutoCAD中建立好模型界限、礦體模型和注漿區(qū)模型。

（2）將AutoCAD中的模型導(dǎo)入犀牛軟件，并且在犀牛軟件中把整體模型和礦場(chǎng)模型以及注漿區(qū)模型擬合成一個(gè)模型，并劃分單元網(wǎng)格，在犀牛軟件中劃分好的單元模型如圖1所示。

圖1 犀牛中的單元模型

（3）保存犀牛軟件中劃分好的單元模型圖，并導(dǎo)入FLAC3D賦予材料屬性。

3.2 初始地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

依據(jù)式（3）至式（5）對(duì)數(shù)值計(jì)算模型施加應(yīng)力邊界條件，得到的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，計(jì)算值與地應(yīng)力實(shí)測(cè)值對(duì)比見表2。計(jì)算模型邊界施加的正應(yīng)力方向即為主應(yīng)力方向，結(jié)合模型最外側(cè)邊界截取方位可知，本次數(shù)值模擬得到的主應(yīng)力方向與實(shí)測(cè)主應(yīng)力方向一致。

3.3 礦體回采對(duì)注漿區(qū)域應(yīng)力、位移場(chǎng)的影響

本次以430 m、670 m、846 m中段做橫剖面進(jìn)行應(yīng)力、位移影響范圍分析。430 m中段礦體回采并充填結(jié)束后，采區(qū)圍巖最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、中間主應(yīng)力場(chǎng)如圖3所示。430 m剖面位移場(chǎng)如圖4所示。

鄰近礦體回采并充填結(jié)束后，礦體周邊圍巖出 現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中和應(yīng)力釋放區(qū)，最大主應(yīng)力達(dá)150 MPa，未出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力重分布影響區(qū)域不大，分布在礦體周邊25 m以內(nèi)區(qū)域，距離帷幕注漿體最近處約40 m。帷幕注漿區(qū)域最大位移僅為2.7 mm。

圖2 主應(yīng)力云圖

表2 實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3 430 m礦體回采并充填結(jié)束后的應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖4 430 m剖面位移場(chǎng)

670 m中段礦體回采并充填結(jié)束后，采區(qū)圍巖最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、中間主應(yīng)力場(chǎng)如圖5所示。670 m剖面位移場(chǎng)如圖6所示。

鄰近礦體回采并充填結(jié)束后，礦體周邊圍巖出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中和應(yīng)力釋放區(qū)，鄰近兩處礦體最大主應(yīng)力分別為40 MPa、92 MPa，最大主應(yīng)力分布于礦體兩端，未出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力重 分布影響區(qū)域不大，分布在礦體周邊20 m以內(nèi)區(qū)域，距離帷幕注漿體最近處約60 m。帷幕注漿區(qū)域最大位移僅為3.1 mm。

圖5 670 m礦體回采并充填結(jié)束后的應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖6 670 m剖面位移場(chǎng)

846 m中段礦體回采并充填結(jié)束后，采區(qū)圍巖最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、中間主應(yīng)力場(chǎng)如圖7所示。846 m剖面位移場(chǎng)如圖8所示。

圖7 846 m礦體回采并充填結(jié)束后的應(yīng)力云圖

圖8 846 m剖面位移場(chǎng)

鄰近礦體回采并充填結(jié)束后，礦體周邊圍巖出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中和應(yīng)力釋放區(qū)，鄰近兩處礦體最大主應(yīng)力分別為23 MPa、19 MPa，最大主應(yīng)力分布于礦體兩端，未出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力重分布影響區(qū)域不大，分布在礦體周邊20 m以內(nèi)區(qū)域，未大范圍影響到帷幕注漿體區(qū)域。帷幕注漿區(qū)域最大位移僅為5.8 mm。

4 結(jié)論

（1）本次數(shù)值模擬計(jì)算的初始應(yīng)力場(chǎng)與地應(yīng)力實(shí)測(cè)值吻合，為礦山回采注漿體穩(wěn)定性影響分析奠定了很好的基礎(chǔ)。

（2）參考國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的漿液-巖體結(jié)合體力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式滿足本次計(jì)算的要求，計(jì)算參數(shù)選取可靠。

（3）隨著開采深度的增加，礦體開采應(yīng)力、位移影響范圍逐漸增大，在本次計(jì)算范圍以內(nèi)，礦體回采影響區(qū)域未大范圍波及帷幕注漿區(qū)域。礦山在目前所探知的礦體范圍內(nèi)回采對(duì)帷幕注漿體不會(huì)產(chǎn)生大范圍影響，注漿體內(nèi)部應(yīng)力重分布較緩，不會(huì)出現(xiàn)較多斷裂、較大位移等不良情況，帷幕注漿體總體穩(wěn)定性狀態(tài)良好。