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基于现场监测与数值模拟的浅层采空区稳定性分析
2020-02-20
隐患采空区是目前影响露天开采矿山安全生产的主要危害源之一。随着台阶开采的不断剥离,露天 开采境界内各台阶与地下空区群的隔离层厚度越来越薄,随时有可能发生采空区顶板坍塌事故。考虑到露天矿采 空区地质赋存条件和围岩稳固性等特征,以弓长岭露天铁矿浅层采空区为工程背景,运用现场监测和数值模拟相 结合的手段综合分析了浅层采空区的稳定性。将液体静力水准地表沉降监测系统的监测数据与FLAC数值模拟结 果对比,调整蠕变参数使得数值模拟的蠕变速率与现场监测结果一致,而后据此进行未来结果的预测。最终根据 地表沉降数据确定的蠕变参数取值为 A=1.0×10-12、m=1.75、n=0.35。研究表明:静力水准测点地...
Series No. 523 January 2020 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 523 期 2020 年第 1 期 基于现场监测与数值模拟的浅层采空区 稳定性分析 贾瀚文1,2 刘洪磊1,2 张忠政3 朱万成1,2 王雷鸣1,2 杨 震1,21 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2. 东北大学岩石破裂与失稳研究所,辽宁 沈阳 110819; 3 . 鞍钢集团矿业公司弓长岭有限公司露采分公司,辽宁 辽阳 111008) 摘 要 隐患采空区是目前影响露天开采矿山安全生产的主要危害源之一。随着台阶开采的不断剥离,露天 开采境界内各台阶与地下空区群的隔离层厚度越来越薄,随时有可能发生采空区顶板坍塌事故。考虑到露天矿采 空区地质赋存条件和围岩稳固性等特征,以弓长岭露天铁矿浅层采空区为工程背景,运用现场监测和数值模拟相 结合的手段综合分析了浅层采空区的稳定性。将液体静力水准地表沉降监测系统的监测数据与 FLAC 数值模拟结 果对比,调整蠕变参数使得数值模拟的蠕变速率与现场监测结果一致,而后据此进行未来结果的预测。最终根据 - 12 地表沉降数据确定的蠕变参数取值为 A=1.0×10 、m=1.75、n=0.35。研究表明:静力水准测点地表最大沉降位移 为-9.8 mm,蠕变计算结果顶板最大垂直位移约 20.4 mm,应力最大值约 25 MPa,综合分析显示该采空区较稳定。上 述研究提供了一种基于采空区现场监测数据的数值模拟蠕变分析方法,可为类似矿山采空区稳定性分析提供借 鉴。 关键词 采空区 静力水准监测系统 数值模拟 变形监测 中图分类号 TD85,TD325 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2020)-01-1179-07 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202001022 Stability Analysis of Shallow Goaf Based on Field Monitoring and Numerical Simulation 1 ,2 1,2 3 1,2 1,2 1,22 Jia Hanwen Liu Honglei Zhang Zhongzheng Zhu Wancheng Wang Leiming Yang Zhen ( 1. School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2. Institute of Rock Instability and Seismicity Research,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3. Open-pit Mining Branch,Gongchangling Mining Corporation of Ansteel Mining Co.,Ltd.,Liaoyang 111008,China) Abstract Hidden danger goaf is one of the main hazard sources that affect the safety production of open-pit mines at present.During the process of peeling off of overlying strata,the thickness between pit bottom and roofs of the cavities is be⁃ coming thinner and thinner,which leads to the roof collapse.In this study,considering the characteristics of underground cavi⁃ ty in open-pit mine,geotechnical conditions and stability of surrounding rock,taking the shallow goaf of Gongchangling Open- pit Iron Mine as the engineering background,the stability of the shallow goaf is comprehensively analyzed by the combination of field monitoring and numerical simulation.By comparing the monitoring data of the hydrostatic leveling system with the FLAC numerical simulation results,the creep parameters are adjusted to make the creep rate of the numerical simulation con⁃ sistent with the field monitoring results,and then the future results are predicted based on it. Finally,according to the surface - 12 relative settlement data,the creep parameters are determined as A=1.0×10 ,m=1.75,n=0.35.The study results show that the maximum ground settlement displacement of the monitoring point is -9.8mm,the maximum vertical displacement of the roof is about 20.4 mm and the maximum stress is about 25 MPa.The comprehensive analysis shows that the goaf is relatively stable. The above study results provides a numerical simulation creep analysis method based on the monitoring data of goaf,which can be used for reference for similar mine goaf stability analysis. Keywords Goaf,Hydrostatic leveling monitoring system,Numerical simulation,Settlement monitoring 基收稿金项日期目 “20十19三-五12”-国19家重点研发计划项目(编号:2016YFC0801607),国家自然科学基金项目(编号:51525402,51874069,51761135102),中央高 校基本科研业务费专项(编号:N170108028,N180115009,N180101028),辽宁省“兴辽英才”计划项目(编号:XLYC1802031)。 作者简介 贾瀚文(1990—),男,博士研究生。通讯作者 刘洪磊(1981—),男,副教授,博士,硕士研究生导师。 · 179 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 在我国多空区矿山的露天开采过程中,随着台 阶开采的不断剥离,露天开采境界内各台阶与地下 空区群的隔离层厚度越来越薄,随时有可能发生采 空区顶板坍塌事故,从而危及采场工作人员和大型 采掘及运输设备的安全。而在多数矿区内,由于历 史原因,大多数地下采空区往往资料不详,同时还存 在大量的盲釆空区,且由于安全原因,这些采空区已 无法进入。因此,露天采空区顶板监测预警以及对 其稳定性进行安全评估,已成为当前多空区露天矿 山生产中亟待解决的问题。 现,数值模拟方法和现场监测手段往往是独立存在 的,彼此仅仅起到了互相验证的作用。数值模拟计 算一般对岩体的现场情况进行简化,模拟结果与现 场真实情况存在一定的误差,同时现场监测数据一 般通过数据拐点的出现判断岩体失稳,无法进行长 期预测。因此需要一种基于现场监测数据的数值模 拟计算方法分析采空区稳定性,将现场监测数据作 为数值模拟计算的输入端,从而可以充分利用两者 的优势。本研究以弓长岭露天铁矿浅层采空区为工 程背景,建立采空区地表沉降监测系统,将地表沉降 数据反馈至数值模拟计算模型,综合分析该浅层采 空区的稳定性。 釆空区稳定性分析研究一直是个热点问题,也 是一个极其复杂的问题,众多学者采用数值模拟法 [ 1] 和现场监测方法进行了研究。徐恒等 采用尖点突 1 工程地质概况 变理论和 FLAC 数值模拟进行了充填体下采空区稳 弓长岭露天铁矿位于为我国东北地区鞍山市 东,矿山地理坐标:E 123°30′00″,N 41°07′40″。矿 区最低温度可达-28 ℃,昼夜温差最大可达 30 ℃。 弓长岭露天铁矿分为独木采区、何家采区以及大砬 子采区。目前独木采区共有 6个生产水平,最高生产 水平为+292 m,最低生产水平为+120 m。采区有 4个 铁矿层,分别为 Fe1、Fe2、Fe3 和 Fe4,其中 Fe2 矿体规 模最大,矿体厚度为 34 m。最下层矿体为 Fe1,最上 层矿体为 Fe4,矿层之间有岩石夹层,岩层平均厚度 为 25 m。Fe4矿层距地表 150 m,全部为岩石覆盖层, 矿体倾角为 8°~25°,矿石平均地质品位 32.42%,矿 [ 2] 定性分析。付建新等 建立了深部采空区卸荷失稳 分析模型,引入局部能量释放率指标,采用数值模拟 方法计算了矿房回采过程中局部能量突变判别值。 [3] 朱卫兵等 采用 UDEC 数值模拟方法对下煤层工作 面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程进行了研 [ 4] 究。李世俊等 采用数值模拟与离心模型试验相结 合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及 [5] 破坏模式。汪文勇等 利用 FLAC数值模拟方法分析 了在回采过程中沿空留巷的应力分布以及变形特 [6] 征。苏学贵等 利用 FLAC分析了采空区及其临界巷 [7] 3 3 道的稳定性并提出了相应的支护方案。王朋飞等 石密度 3.3 t/m ,岩石密度 2.6 t/m 。由于历史原因,弓 长岭露天铁矿周边地方小矿点不规范乱采乱挖导致 在独木采区形成了大量的浅层采空区,随着露天采 场开采范围拓展与延伸,采空区随时可能发生塌陷, 从而严重威胁人员及设备安全。为研究浅层采空区 塌陷过程中的地表沉降规律,对其塌陷过程进行预 测预报,有必要对该区域地表进行沉降监测。由于 独木采区空区众多,因此选择该采区+145 m 平台的 小北沟区域采空区作为典型空区进行地表沉降监 测。小北沟区域采空区共分为两个区域(图 1):第一 个区域为北部空区(N1~N6 测点),该区域采空区长约 65 m,宽约 48 m,高度为 6 m 左右,空区顶板厚度为 22~26 m,顶板浮渣厚度为 2~3 m;第二个区域为南部 空区(N7~N12 测点),该区域空区长约 130 m,宽约 40 m,高度为 5 m 左右,空区顶板厚度为 12 ~20 m,顶板 浮渣厚度约5 m。 采用理论分析与数值模拟试验相结合的方法分析了 非充分采动采空区与煤岩柱(体)的耦合作用机制。 [8] 宋许根等 依据地质调查分析以及地表水平位移和 垂直位移监测成果,结合采空区顶板崩落钻孔监测和 崩落区高密度电法勘探等手段分析了程潮铁矿西区 [9] 顶板崩落特征。赵勇等 利用微震监测设备研究了 露天转地下矿山坑底采空区稳定性情况及其随时间 [10] 的劣化过程。宋许根等 结合地表 GPS、水准测量和 三维激光扫描技术,分析了采空区周界变化与移动 [11] 线和陷落线的对应关系。彭府华等 对降雨入渗诱 发采场失稳的典型案例以及采场地压活动的影响规 [12] 律进行了微震监测量化分析。王书文等 研究了工 作面回采过程中采空区侧向支承压力演化及微震活 [13] 动全过程的特征。范洪冬等 研究了一种基于多轨 道 SAR 影像的老采空区地表三维形变监测方法。胡 [14] 静云等 利用多通道微震监测、手持式 GPS 仪和全 站仪等对上覆岩层崩落高度、上覆岩层下沉变形量、 地表开裂范围、地表沉降与水平移动等进行了监测 研究。 2 地表沉降监测系统建立及监测结果 2 . 1 静力水准监测系统建立 静力水准监测具有精度高、价格便宜且同时能 实现区域性实时、自动、连续的垂直位移监测等优点。 通过上述采空区稳定性研究成果分析可以发 [15] 因此,静力水准监测技术被广泛应用于桥梁 、隧 · 180 · 贾瀚文等:基于现场监测与数值模拟的浅层采空区稳定性分析 2020年第1期 [16] [17] [18-19] 道 、地表建筑物 及地下厂房 的沉降位移监 2. 2 监测结果 测。故本研究选用静力水准仪对典型采空区的地表 变形规律进行监测。小北沟区域为浅层空区,其顶板 厚度较小,因此在空区塌陷过程中的地表沉降值较 小,同时+145 m 平台大部分区域内高差较小(约 0.5 m),因此在 N1~N10 测点区域内选用量程为 1.5 m 的传 感器,在 N11~N12 测点区域内选用量程为 2.5 m 的传感 器。由于该区域最低温度可达到-28 ℃,为防止连通 液在冬季结冰,连通液选用冰点为-40 ℃的 55%乙二 醇水溶液。 本研究 HLS 采样时间间隔为 5 min,各测点每日 可分别采集 288 个累计沉降数据。为了更直接地反 映地表累计沉降值随时间的变化规律,对监测数据 采用先剔除异常值后求日均值的方式进行处理。图 3 为 2018 年 1 月 27 日—2018 年 5 月 26 日 N2~N12 各测 点数据处理后获得的累计沉降随时间的变化曲线。 由该图分析可知,累积沉降的变化规律可以分为 3 类:第一类为 N2~N6 测点(图 3(a)),在监测期间这 5个 测点的地表累计沉降值在-2~2 mm范围内上下浮动, 可以认为该区域内地表没有发生沉降变化;第 2类为 N7~N9 测点(图 3(b)),这 3 个测点的累计沉降值随时 间变化呈不断增大趋势,N7 测点与 N9 测点的累计沉 降值在 5 月 26 日分别达到-6.6 mm 和-7.2 mm,N8 测 点最大累计沉降值达-9.8 mm,表明该区域地表发生 了微小变形;第 3 类为 N10~N12 测点(图 3(c)),这 3 个 测点在监测期内沉降值波动较大,其中,N10 测点的监 测值在-5~5 mm范围内波动,N11、N12 测点的监测值于 静力水准监测系统选用上海盛迪传感技术公司 生产的 SD-226 型静力水准仪,传感器测量方式采用 2 4 h 自动无间断监测方式,每隔 5 min 采集一次地表 垂直位移数据。根据矿山静力水准测量原则,以第 一个测点为参考点采用“线”形布置方式沿开采沉陷 盆地主断面布置了 12个水准仪测点。由于现场环境 恶劣,故采用 PPR 管对各线路进行保护,测点布置如 图1所示,现场安装实物如图 2所示。 2 018年3月9日后在沉降值10 mm处上下波动。 3 基于监测数据的 FLAC 模拟空区稳定性分 析 3 . 1 模型建立 根据矿山地质资料建立了整个矿区地质模型, 计算模型长 800 m,宽 600 m,模型自上而下厚度不 等,均符合实际情况。其中模型长度方向为 X 轴方 向,宽度方向为 Y 轴方向,高度为 Z轴方向,高度方向 底面为 0 m 水平,顶面随地表起伏高度不等,最高 · 181 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 岩石力学试验得到的岩块基本力学参数基础上,结 合现场结构面赋存情况,对岩体稳固性进行分级,而 后通过 Hoek-Brown 强度进行计算,最终选取的参数 如表1所示。 3 . 3 采空区蠕变计算分析 考虑到 Norton-Bailey蠕变方程参数少、简单容易 获取,故本研究采用该方程进行蠕变计算,根据 Wang [20] 等 研究成果,可得到其张量形式为 3 ε = Si,j Anσ tn - 1 c m - 1 , i,j e 2 该式即为复杂应力状态下的岩石蠕变本构方程,式 中,A、m、n为经验常数;σe 为有效应力;t为蠕变时间; c Si,j 为偏应力张量;ε 为蠕变应变率。但以上所得到 i,j 的蠕变模型只能描述蠕变的前两个阶段,无法得到 加速蠕变阶段。为了得到蠕变全过程曲线,需要建 立一个非线性加速蠕变模型。因此,本研究在蠕变 计算的基础上,考虑单元达到破坏准则后会发生损 伤,分析方法采用与 RFPA 程序类似的弹性损伤本构 [20-21] 关系 。首先假设岩体的某些力学参数,如弹性模 量、强度等为非均质分布,以反应天然岩体介质的非 均匀性;然后选取摩尔-库伦破坏准则对岩体各节点 位置的应力状态加以判断,对于满足破坏准则的位 置,基于损伤力学理论,对其力学参数进行相应调 3 12m、最低 217 m,共划分 749 241 个单元,129 773 个 节点。根据岩体的岩性、结构类型、岩体强度、岩块 硬度等方面的不同,可将矿床的工程地质条件大致 分为 5 个区:(I)铁矿、(II)第四系、(III)页岩、(IV)花 岗岩、(V)角闪岩,如图4所示。 整,从而实现蠕变第三阶段 ——加速蠕变阶段。 该蠕变方程为三参数经验方程,其中 A、m、n 等 参数取值与蠕变曲线的应力、稳定蠕变速率、减速蠕 变速率相关。本研究首先根据现场监测数据与数值 模拟结果对比,调整蠕变参数,使得数值模拟的蠕变 速率与现场监测结果一致,然后据此进行未来结果 - 12 预 测 。 本 研 究 参 数 最 终 取 值 为 A =1.0 × 10 、 m =1.75、n =0.35。 3 . 3. 1 空区顶板力学特性时变演化规律 在实际情况中来看,采空区形成后,空区结构力 学特性随着时间发生劣化,是导致地表塌陷和空区 坍塌的重要因素之一。本研究数值计算过程分为 2 个阶段,分别为回采过程和流变过程。为了考虑时 3 . 2 参数选取 本研究数值模拟参数采用的是在前期大量室内 · 182 · 贾瀚文等:基于现场监测与数值模拟的浅层采空区稳定性分析 2020年第1期 变力学的影响,在蠕变模拟时,将蠕变过程按年分为 若干模拟阶段,在每一阶段中设置时间参数,从而实 现时变模拟。 况,位移最大值为 20.4 mm,最大位移发生在南部较 大空区。图 5(b)和图 5(c)分别为蠕变 5 a 后最小主 应力与最大主应力云图,由于空区埋深较浅,故产生 的最大与最小应力值均较小,应力最大值不超过 25 MPa。 在 Y=230 m 处设置剖面进行采空区应力和位移 分析,图 5(a)为蠕变 5 a 后采空区顶板位移的变化情 3 . 3. 2 空区上方地表变形时变规律 地表下沉是浅埋空区引起的主要灾害之一,当 变形过大时就有可能引起地表塌陷,带来严重的安 [22] 全隐患 。因此,有必要分析浅埋空区引起地表变 形的时变规律。本研究面临的实际问题在于,弓长 岭露天矿的不少空区是早期形成的,其开始形成时 间即空区顶板开始发生明显蠕变变形的时间难以确 定。鉴于此,本研究采用蠕变损伤数值计算与现场 监测相结合的方式实现。对长达 0.5 a 的地表监测获 得的沉降变形量求取平均沉降速率,再将其与数值 计算中相应监测点的模拟沉降速率对应。 根据矿山实际情况,在采空区上方地表布置了 1 2 个水准仪进行地表位移监测。在一段时间的监测 后,发现N8点的实际监测位移值最大,在该点位移的基 础上,按年度开展蠕变计算,预测未来5 a的地表位移 情况。蠕变过程中,在空区上方地表对应的监测位置 均设置了数据提取点,图 6为水准仪 N8 点实际监测的 位移值,图7为N8数据提取点蠕变5 a的位移值,图8为 空区上方12个数据提取点蠕变5 a的位移变化情况。 由图 7 可知:空区上方岩体变形逐渐趋于稳定, 未来 5 a 年内不会产生加速破坏。由图 8 可知:随着 蠕变时间的增加,地表下沉情况开始比较明显,而且 越靠近采空区中部,位移越大。其中 N8 数据提取点 处在蠕变计算 5 a 后,位移为 8 mm,而全部 12 个数据 提取点中,沉降位移值最大达到 10 mm。考虑到空区 · 183 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 研究采空边坡渐进破坏特性[J]. 岩土力学,2019 40(4):1577- 地表没有出现大范围失稳破坏以及加速蠕变情况, 认为采空区上方地表在回采 5 a内不会发生明显的沉 陷变形。 1 583,1595. Li Shijun,Ma Changhui,Liu Yingming,et al.Centrifuge model tests and numerical simulation on progressive failure behavior of slope above a mine-out area[J].Rock and Soil Mechanics,2019,40(4): 1577-1583,1595. 4 结 论 以弓长岭露天铁矿为工程背景,选择小北沟区 [ 5] 汪文勇,高明忠,王 满,等 . 深埋沿空留巷采动变形特征及应 域采空区为典型浅层空区,采用现场监测和数值模 拟相结合的方法对该浅层空区进行了稳定性分析, 得出如下结论: 力分布规律探索[J].岩石力学与工程学报,2019,38(S1):2955- 2 963. Wang Wenyong,Gao Mingzhong,Wang Man,et al.Study on charac⁃ teristics of deformation and stress distribution of gob-side entry re⁃ taining in the ultra-deep mine[J].Chinese Journal of Rock Mechan⁃ ics and Engineering,2019,38(S1):2955-2963. (1)建立了小北沟浅层采空区静力水准沉降监 测系统,仅 N7、N8、N9 测点处地表有微小变形,3 处监 测点的变形值分别为-6.6、-9.8、-7.2 mm,现场监测 数据表明该监测区域采空区较为稳定,有待于进一 步监测。 [ 6] 苏学贵,宋选民,原鸿鹄,等 . 受上覆采空区影响的巷道群稳定 性控制研究[J].采矿与安全工程学报,2016,33(3):415-422. Su Xuegui,Song Xuanmin,Yuan Honghu,et al.Stability control of the roadway group under the influence of overlying goaf[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(3):415-422. (2)运用 FLAC 数值模拟方法进行了小北沟浅层 采空区的蠕变计算分析,计算结果显示,蠕变5 a后采 空区顶板位移最大值发生在南部空区为 20.4 mm,但 应力值最大不超过 25 MPa。 [7] 王朋飞,赵景礼,王志强,等 . 非充分采动采空区与煤岩柱(体) 耦合作用机制及应用[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(5): 1 49-164. (3)根据“基于现场监测数据的数值模拟分析方 Wang Pengfei,Zhao Jingli,Wang Zhiqiang,et al.Mechanism of gob- pillar interaction for subcritical panels and its application[J].Chi⁃ nese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(5): 149-164. 法”的研究思路,将数值模拟地表监测点与静力水准 仪监测点的沉降速率进行对比,获取数值模拟中采 空区顶板开始发生明显蠕变变形的时间,从而进行 蠕变求解,数值计算结果表明,12 个监测点 5 a 蠕变 地表发生的最大位移约 10 mm,地表不会出现大范围 失稳破坏以及加速蠕变情况。 [ 8] 宋许根,刘秀敏,陈从新,等 . 程潮铁矿西区采空区地表塌陷机 制与变形规律初探[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37(S2): 4 262-4273. 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