采矿导致地表采空区塌陷机理研究

采矿导致地表采空区塌陷机理研究

杜洋

徐州大屯工程咨询有限公司，江苏 徐州，221611

摘要:矿山地表发生塌陷的主要原因是矿区较大水平构造应力的释放，以及采空区未及时回填而使上盘形成悬臂结构;塌陷废石回填了部分采空区，并在一定程度上限制了围岩的水平变形;地表位移的缓慢变形阶段和加速变形阶段的拐点表示围岩塌陷的开始，可作为预测地表塌陷的指标。

关键词:采矿工程;地表变形;地下采矿;地表塌陷;围岩移动;PFC2D;速度倒数

在采矿工程中，地下采矿引起的围岩移动和地表塌陷不仅会损坏矿区地表建筑物和地下采矿设备，给矿山造成巨大的经济损失;同时，地表塌陷还会破坏地表原有生态环境，给当地生态环境和当地居民造成严重的影响［1］。就金属矿山而言，地下采矿引起的地表塌陷不仅与矿区地层结构、节理断层分布、围岩强度、矿体赋存条件等自然因素有关，还与矿体开采顺序，采矿方法等密切相关［2］。地下采矿影响因素的多样性导致了地表塌陷机理的复杂性，以及地表变形预测的困难性，地表塌陷成为影响矿山安全生产的重要问题之一。为此，国内外学者利用理论研究、数值模拟、物理模型试验、现场监测等多种手段对金属矿山地下采矿引起的地表变形规律和地表塌陷机理进行了许多研究［3,4］。

一直以来，对矿山地表位移规律的研究主要以现场监测手段为主，因为现场监测数据能够真实地反映矿山地表的位移规律，矿山通过现场监测数据能够实时掌握地下采矿引起的地表变形情况。然而，现场监测方法仅限于地表位移记录，监测数据无法体现围岩移动过程中裂纹的产生和扩展机制，也无法体现地下采矿引起的应力调整和应力集中现象。近年来，随着计算机仿真技术的快速发展，数值模拟已逐渐成为一种研究矿山岩石力学问题的新手段，而以离散单元法为基础的颗粒流程序PFC，在岩石断裂和散体移动规律研究等方面有明显的优势。在PFC模型中，不需要预先定义模型的本构关系和破坏准则，只需定义一组能够反映岩石宏观力学行为的微观参数，模型的颗粒之间服从牛顿第二定律;外荷载作用下，颗粒集合体能够断裂破坏为散体，能够同时模拟完整岩体和散体的力学表现，所以PFC很适合模拟矿山围岩塌陷和大型边坡滑坡等工程问题。但由于目前计算机运算能力有限，PFC还难以通过三维模型模拟矿山地表塌陷等大型工程问题。所以，本文采用PFC2D建立二维数值模型，模拟地下采矿引起的围岩变形和地表塌陷，揭示铜矿的地表塌陷机理，旨在为矿山的地表变形预测和地下采空区的治理提供指导。

工程概况

1．1矿山开采现状和地表塌陷情况

试验矿主要矿段总长1350m，宽100m，走向北东55°～59°，倾向北西，倾角80°，剖面图如图1所示。目前矿区共有9个中段，其中995m中段以上已基本完成回采，并发生了部分塌陷;955m和905m中段的矿房已基本回采完成，形成了大面积的空区，矿柱正在回收;855m和805m中段目前是矿山的主要生产中段;755m和705m中段正在开拓阶段。研究矿区目前采用盘区阶段空场崩落联合采矿法，分段高度50m，预留临时顶柱10～15m，矿块沿走向长50m，其中矿房32m，间柱18m，矿块宽为矿体厚度，约40m。由于上部矿柱相继回收，在17号勘探线处形成了宽约85m、深约80m的塌陷坑;地表塌陷主要发生在上盘，上盘地表出现了大量沿矿体走向发育的拉伸裂缝，裂缝区宽度约80m。由于905m中段以上的矿房已基本完成回采，形成了大量空区，地表塌陷废石沿空区进入地下采场，905m中段以上的许多空区已被废石充填。

2数值模型建立

为研究矿区地下采矿引起的地表塌陷机理，根据17号勘探线地质剖面图，利用PFC2D建立了二维离散元模型，如图1所示。数值模型以标高+500m为y轴的原点，模型水平宽度为1000m，左右边界高度分别为563m和650m，地表有5°左右的坡度。根据地质剖面图，上、下盘直接围岩均为板岩，矿体上窄下宽，倾角约77°。为提高模型的计算精度和计算效率，将模型分3个区域设置颗粒的半径，区域Ⅰ:0．8～2．4m，区域Ⅱ:1．2～3．6m，区域Ⅲ:1．8～5．4m，模型总颗粒数为28987个。

图1 PFC数值模型

在PFC中，颗粒间的粘结有两种模型:接触粘结模型和平行粘结模型，平行粘结模型更适合模拟岩石类脆性材料，所以本次模拟采用平行粘结模型。根据岩体的宏观物理力学参数，通过“试错法”标定PFC模型的微观参数，直到数值模型与岩体的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比基本相等，得到的微观参数。

数值模拟的开挖顺序为从地表向下开挖到705m中段，每次开挖10m，并记录每个中段开挖完成后模型的塌陷情况与应力分布情况。为监测开挖过程中的应力变化，在矿体的905m，855m，805m，755m中段设置4个应力监测环(A1～A4)，半径为25m;在上盘地表设置4个应力监测环(B1～B4)，半径为12m。

3模拟结果分析

3．1围岩塌陷机理分析

矿体开挖模拟过程中，模型的塌陷情况及相应的应力变化过程，因为在PFC模型中，平行粘结力是2个颗粒间的粘结材料所受的力，大小由粘结刚度决定，存在拉力和压力;而接触力是2个颗粒受到挤压变形产生的力，大小由接触刚度决定，但只存在压力。955m中段以上矿体开挖以后，围岩上盘形成了悬臂结构，同时由于较大的水平应力被释放，导致上盘地表出现了明显的拉应力集中区。随着矿体的开挖，水平压应力被不断释放，然后变为拉应力，且越靠近开挖区，应力下降越快。当水平拉应力达到岩体的抗拉强度时，岩体发生拉伸破坏，导致上盘地表出现了多条拉伸裂纹。随着矿体继续向下开采，地表拉伸裂缝不断扩展贯通，最终导致上盘发生倾倒破坏。随后，矿体继续向下开挖，上盘地表未塌陷区域的水平应力继续释放，拉应力不断增加，当其达到岩体拉伸强度时，上盘将有可能发生第二次大规模塌陷。

3．2地表位移分析

随着矿体的开采，围岩沉降逐渐向上下盘两边扩散，且上盘变形区大于下盘。905m中段开挖以后，矿体上盘发生了塌陷，越靠近塌陷区，围岩的垂直位移越大。

4结论

1)研究矿区地表塌陷的主要原因是地下矿体开采后空区未及时回填，使上盘形成悬臂梁结构，上盘地表在拉应力的作用下产生大量拉伸裂缝，并最终扩展贯通，导致上盘发生大规模塌陷。

2)上盘发生塌陷后，塌陷废石回填了部分采空区，在随后的矿体开采中，塌陷废石对围岩水平变形起到了限制作用，能够为围岩提供一定的支撑反力。

参考文献:

［1］李腾，付建新，宋卫东．厚大铁矿体崩落法开采围岩移动规律研究［J］．采矿与安全工程学报，2018，35(5):978－983．

［2］宋许根，陈从新，夏开宗，等．程潮铁矿塌陷区周边地表变形扩展规律研究［J］．岩石力学与工程学报，2018，37(2):415－429．

［3］付华，陈从新，夏开宗，等．地下采矿引起地表滑移变形分析［J］．岩石力学与工程学报，2016，35(S2):3991－4000．

［4］刘艳章，吴恩桥，冯毓松，等．基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定［J］．矿冶工程，2017(3):15－19．

作者简介：

杜洋，（1988-）,山西芮城县人，工程师，本科，主要从事煤矿井工设计研究。