石人溝鐵礦開采地表移動規(guī)律研究

1地表沉陷的研究進展地下開采和巖層流動是一個復雜的物理和機械變化過程，包括地下開采和采礦工程的各個領域。在國外,早在15世紀,地表開采沉陷問題就已被人們所注意。但這個時期開采沉陷理論發(fā)展較慢,直到19世紀,相繼出現(xiàn)了德國人依琴斯凱的“二等分線理論”,耳西哈的“自然斜面理論”,法國人法約爾(Fayol)的開采沉陷“拱形理論”等,人們對開采影響問題才有了一些初步的認識和研究。19世紀末,沉陷理論研究逐步深入,在研究各種沉陷分布與各類角度的同時,也開始了對開采引起的地表下沉與變形規(guī)律的研究。1953年波蘭學者薩武斯托維奇提出了將巖體視為均質線彈性體,提出計算巖體下沉的方法。隨后李特維尼申等學者應用非連續(xù)介質力學中的顆粒體介質力學研究巖層及地表移動問題,用概率論的方法建立由地下單元開采所引起的巖層及地表單元下沉盆地表達式、單元水平移動表達式,經迭加建立下沉的剖面方程及其移動與變形分布表達式。隨后通過實踐應用到20世紀70年代末期,形成了地表移動破壞的理論體系。從20世紀70年代至今,隨著科學技術的發(fā)展和研究手段的提高,開采沉陷理論中滲透了其它相關學科的理論,得到了進一步的發(fā)展。在這一階段,陸續(xù)問世的有限元、離散元、邊界元及各種算法和程序充分發(fā)揮了各自的長處,在很大程度上促進了巖石軟科學研究以及巖體地下工程的發(fā)展。在我國,地下開采引起的巖層移動及地表沉陷理論是建國以后發(fā)展起來的。一些學者從不同的側面用不同的方法對開采沉陷理論進行了探討研究。1981年劉天泉與仲惟林等學者合作,提出了覆巖破壞的基本規(guī)律和冒落帶高度的計算方法。李增琪(1985)采用Fourier變換推出了巖層與地表移動表達式。楊碩(1990)提出了開采沉陷的力學預測模式。李永樹(1995～1997)等建立了褶曲構造煤層三維空間開采時地表單元下沉盆地和單元水平移動表達式。崔希民(1996)對主斷面的地表移動與變形進行了實時位移的分析,應用流變模型進行開采沉陷研究。另外,一些現(xiàn)場技術人員對采動滑坡、采動對斷層的影響、巨厚松散層下采礦對地表移動規(guī)律、條帶開采地表移動規(guī)律等方面也進行了大量的研究?？傊?經過幾十年的研究,開采沉陷理論已取得了很大發(fā)展和完善。2露天開采境界及礦體特征石人溝鐵礦位于河北省遵化市境內。礦區(qū)所處區(qū)域地質構造位置為燕山沉降帶馬蘭峪復背斜軸部。礦區(qū)為一單斜構造。工程地質條件屬簡單型。石人溝鐵礦礦體走向長2.6km,自南向北分布在30號勘探線至5號勘探線之間。礦區(qū)淺部礦體采用露天開采,露天開采境界最低標高為0m,一般在16～25m之間。露天開采境界南北長2.8km。由南向北分為三個采區(qū),28～18線為南區(qū),18～8線為中區(qū),8線以北為北區(qū)。石人溝鐵礦礦體賦存于太古界遷西群馬蘭峪組片麻巖中。磁鐵石英巖礦體與角閃斜長片麻巖巖層相互平行產出,有M0,M1～M5計6個礦體,屬多層礦。據(jù)統(tǒng)計,各礦體之間夾層平均厚度為21.3m。礦體走向近南北,向西傾斜,傾角50°～70°,平均傾角60°,屬急傾斜礦體。礦體頂?shù)装鍑鷰r為角閃斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖,巖石普氏硬度系數(shù)為6～10,體重2.8t/m3,松散系數(shù)1.5;礦石為磁鐵石英巖,普氏硬度系數(shù)10～12,體重3.4t/m3,松散系數(shù)1.5,礦體與圍巖均比較穩(wěn)固。礦區(qū)示意圖如圖1所示。3地下開采過程地下開采過程模擬本次研究分別以南區(qū)、北區(qū)為例,應用FLAC軟件進行數(shù)值模擬,模擬石人溝鐵礦露天轉地下后,地下開采引起的巖層破壞和地表移動的過程,分析不同開采中段、不同巖層的移動角,并最終得出地表下沉曲線模型。3.1計算模型及計算參數(shù)在數(shù)值模擬過程中,為了使計算結果比較接近實際情況,對巖體介質性質、計算模型、礦山地質條件、受力條件、采礦工藝及采礦方法等都作了必要的假設。(1)對礦巖性質的假設。假設礦巖為各向同性、均質且符合摩爾—庫侖彈塑性模型的介質。(2)對計算模型的假設。對地下工程開挖來說,地下礦山開采是一個空間問題,應采用三維空間計算模型更為合理。但一般來說,在同等條件下,二維數(shù)值模擬結果與三維數(shù)值模擬的計算結果比較接近。因此,計算模型簡化為二維平面模型。(3)礦房結構的簡化。為模擬方便,對巷道工程、每一礦房的開挖步數(shù)等不予考慮,模擬時簡化為實體。礦房結構參數(shù):礦塊長度:60m;境界頂柱:16m;中段高度:44m;間柱寬度:10m。(4)計算不考慮時間有關的物理量。3.2y軸豎直力進行模擬計算的模型采用FLAC2.25建立,坐標原點設在左下角,X軸水平,由左向右方向為正方向;Y軸豎直,由下向上為正。在模型的左側,固定X、Y方向位移,在其底部只固定Y方向位移,在其右側只固定X方向位移。3.3網格密度劃分由于此次模擬是二維模擬,并考慮了計算機的內存和軟件的版本問題,所以網格數(shù)不能超過1500個。網格密度的劃分應視研究的內容和重點進行。開采范圍內的礦體以及圍巖處網格劃分的比較密集,其它部分的網格劃分的比較大。3.4材料模型及參數(shù)在本次模擬過程中,力學模型選為線彈性模型,依據(jù)分析需要將整個模型劃分為三種材料,即:M1礦體、M2礦體、黑云母角閃斜長片麻巖,其參數(shù)數(shù)值如表1所示。3.5應力應力場計算邊界條件按剖面所處位置的應力條件以及按照開采沉陷的原理確定。邊界條件為:水平方向上左右兩側取水平位移約束邊界(即ux=0),下邊界取垂直位移約束邊界(垂直位移uy=0),上邊界(地表)為自由邊界。由于研究區(qū)域范圍不大,可以認為研究區(qū)域處于均勻分布的應力場中,并且認為巖石中不存在構造應力,則巖石中的應力主要由上覆巖石的重量引起,垂直應力和水平應力可以分別由下式求得:σz=γH(1)σx=σy=μ1?μγH(2)σx=σy=μ1-μγΗ(2)式中:γ——上覆巖石的重力密度;H——單元立方體所在的深度;μ——巖石的泊松比。在模擬過程中,模型的邊界約束條件如圖2、圖3所示。4數(shù)值模擬結果的分析4.1礦柱開挖對應力的影響從礦房分步開挖的模擬結果看,最大、最小主應力隨開采的進行,在空區(qū)兩側應力值逐漸增加,均高于原巖應力值。開挖區(qū)域越大,向空區(qū)兩側重分布的應力越大。北區(qū)開挖8個礦房后最大拉應力和最大壓應力值都沒有達到相應的極限強度,空區(qū)相對來說比較穩(wěn)定。但結合實際開采情況,北區(qū)開挖8個礦房后就回收礦柱,處理了采空區(qū)。南區(qū)在開挖5個礦房后,拉應力和壓應力都達到了極限強度,礦房頂、底板受到了不同程度的破壞。所以當采完第5個礦房后就處理了空區(qū),即崩落巖層。在后面的礦房開采中,每開挖4～5個礦房就處理一次采空區(qū)。在南區(qū)整個模擬開采過程中,進行了3次礦柱回收?；厥盏V柱后,應力再次重新分布,產生應力降低區(qū)。隨著地下礦房的開挖,應力又逐漸增大。直到達到抗壓強度和抗拉強度,再次破壞頂板巖層。4.2研究方法的選取。對于采空區(qū)上地由于此次模擬采用FLAC軟件模擬,運用FLAC程序可以對一些關鍵點的歷史位移和最大主應力、最小主應力進行跟蹤記錄。在此次研究過程中,每個模型都選取了采空區(qū)上方地表的許多關鍵點進行記錄。根據(jù)歷史位移記錄曲線得出豎直方向的位移值,畫出每個模型在開采過程中地表沉陷的移動曲線。4.2.1地表沉陷過程圖根據(jù)前面的數(shù)值模擬結果和對地表關鍵點的歷史位移的記錄,得出了地表沉陷過程圖。由于北區(qū)在開挖1個和2個礦房時,移動量非常微小,無法在圖形上表示。所以北區(qū)只畫出了開挖8個礦房且開挖礦柱后的移動曲線圖。其動態(tài)移動曲線圖見圖4。4.2.2礦柱的回收情況根據(jù)數(shù)值模擬結果和歷史位移記錄可知,南區(qū)由于上部為廢石松散層,垂直位移量較大。在開采過程中,當開挖5個礦房后,就要處理礦柱和空區(qū);當開采到第9個礦房時,第二次回收礦柱和處理空區(qū);當開采到11個礦房時,又進行了礦柱回收。因此,在此次模擬過程中,共回收了三次礦柱。第一次回收礦柱后地表最大下沉值為18m,第二次回收礦柱后地表最大下沉值為26m,第三次回收礦柱后地表最大下沉值為27m。5地表移動角和圈定移動范圍的確定依據(jù)及方法應力狀態(tài)分析:從礦房分步開挖的模擬結果看,最大、最小主應力隨開采的進行,在空區(qū)兩側應力值逐漸增加,均高于原巖應力值。開挖區(qū)域越大,向空區(qū)兩側重分布的應力越大。垂直位移分析:在地下開采過程中,頂、底板產生豎直向下的位移,這是由于頂、底板處的拉應力引起的。隨著礦房不斷開采,最大下沉值越來越大。最大下沉值發(fā)生在空區(qū)中部的上方,礦房的上部和礦房與礦柱接觸的角點附近,且偏向于開采前進的一側,呈不對稱的拱形分布,向兩側逐漸減小。通過對模型結果的分析,結合地表沉陷隨開挖過程的動態(tài)移動曲線,得出了巖層及地表移動破壞的規(guī)律,并對確定移動角和圈定移動范圍提出了特殊的方法。在開采前,先根據(jù)工程類比法和經驗公