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马城矿多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响
2018-10-10
地下矿产开采过程中诱发的上部岩体移动将严重影响生产安全,主要原因是大规模的地下开采引起 围岩移动,破坏了围岩原有的力学平衡状态,造成应力重分布,岩石移动逐渐波及到地表,引起了地表变形。为了研 究多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响,以马城矿工程为例,运用MIDAS,FLAC3D 等数值模拟方法模拟不同 开采中段条件下地表移动与变形特点,得出各阶段沉降与水平位移值,计算相应变形值,简要介绍了地下开采引起的 地表移动变形5项指标对地表建筑物的影响。研究表明:最终地表移动变形是多次重复开采扰动的叠加作用,并根 据国家标准界定出移动角,从而为同类矿山的开采设计提供了科学依据
Series No. 507 金 属 矿 山 总第 507 期 September 2018 METAL MINE 2018 年第 9 期 马城矿多中段叠加开采对上覆岩体移动 与变形的影响 孙世国 马银阁 (北方工业大学土木工程学院,北京 100144) 摘 要 地下矿产开采过程中诱发的上部岩体移动将严重影响生产安全,主要原因是大规模的地下开采引起 围岩移动,破坏了围岩原有的力学平衡状态,造成应力重分布,岩石移动逐渐波及到地表,引起了地表变形。为了研 3 D 究多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响,以马城矿工程为例,运用MIDAS,FLAC 等数值模拟方法模拟不同 开采中段条件下地表移动与变形特点,得出各阶段沉降与水平位移值,计算相应变形值,简要介绍了地下开采引起的 地表移动变形 5 项指标对地表建筑物的影响。研究表明:最终地表移动变形是多次重复开采扰动的叠加作用,并根 据国家标准界定出移动角,从而为同类矿山的开采设计提供了科学依据。 关键词 地下开采 数值模拟 地表变形 移动角 中图分类号 TD879 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-09-181-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201809033 Influence of Superimposed Mining of Multiple Middle Section on Movement and Deformation of Overlying Rock in Macheng Coal Mine Sun Shiguo Ma Yinge (Scholl of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China) Abstract The movement of the upper rock induced by the mining of underground minerals will seriously affect the safe⁃ ty of production. The main reason is that the large-scale underground mining causes the movement of surrounding rock,which destroys the original mechanical balance state of surrounding rock,resulting in the stress redistribution. The rock movement gradually spreads to the surface,causing the surface deformation. In order to study the influence of superimposed mining of multi-section on the movement and deformation of overlying rocks,and taking Macheng mining project as a case,MIDAS and 3D FLAC numerical simulation methods are adopted to simulate the surface movement and deformation characteristics under conditions of different mining section and to obtain the values of settlement and horizontal displacement at each stage. The cor⁃ responding deformation values are calculated,and influences of 5 indexes of surface movement and deformation caused by un⁃ derground mining on the surface buildings are briefly introduced. The results show that the final surface movement and defor⁃ mation are the superposition of multiple repeated mining disturbances,and the moving angle is defined according to the na⁃ tional standard,thus providing a scientific basis for the mining design of the similar mines. Keywords Underground mining,Numerical simulation,Surface deformation,Moving angle [ 4] 地下矿产资源开发诱发地表移动变形的研究一 矿等均己进入地下1 000多 m的深度开采 。在多次 重复开采的过程中,地下采空区会对上覆岩体的变 [1-3] 直是我国岩土工程领域研究中的重点课题 。我国 金属矿产资源丰富,随着我国工业化进程的加快,对 能源与矿产的需求日益增长。浅部矿山已经逐渐开 采完毕,许多矿山开始向更深范围开采,如红透山铜 [5] 形产生叠加作用 。本研究以马城矿为依托,模拟不 同开采中段对采空区上覆岩体的稳定性影响,在分 析地表沉降与水平变形的基础上,重点分析了倾斜、 收稿日期 2018-06-07 项目基金 国家自然科学基金项目(编号:41772335),科技创新能力建设项目(编号:PXM2017-014212-000015),中冶交通建设集团科技项目(编 号:2017-SZ1),首钢矿业公司项目(编号:2017-SG1),国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0701810)。 作者简介 孙世国(1959—),男,教授,博士,博士研究生导师。 · 181 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 曲率、水平变形等指标的变化,为实际工程提供参 考。 计开采对象为 17 个矿体中的 6 个,即 I 号、II 号、III 号、V 号、XI 号和 XII 号矿体,范围为-240~-900 m, 并划分为 2 个采区,其中-240~-540 m 为上部采 区,-540~-900 m 为下部采区,以 60 m 为一个中段, 上、下采区同时开采。本模型(见图 1)尺寸:东西长 度为 3 168 m、南北长度为 6 850 m、深度 1 670 m。三 维模型划分 216 703 个单元,84 153 个节点,其中含 3 条断裂带F1、F2、F3以及构造破碎带。 1 工程概况 马城矿段为一大型鞍山式沉积变质铁矿床,隶属 河北省滦南县马城镇所辖,矿区南北长约6 km,东西 长约 2 km,地面海拔标高 15~20 m。全区共分为 17 个矿体,依次编号为Ⅰ~ⅩⅦ,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号为主 矿体。矿体总体呈北北西走向,层状产出,倾向北西 或南西,倾角 39°~56°。矿区断裂构造发育,分别命 名为 F1、F2、F3,3 条断裂带相互关联、互相影响。由 于马城矿体赋存条件和水文地质、地表环境条件的 复杂性,设计采用嗣后充填法。 2 上覆岩体移动与变形 2 . 1 计算模型设计参数的选取 3D 应用 FLAC 软件建立模型,如图 1 所示,本次设 力学参数如表1所示。 2 2 . 2 地表移动变形规律综合分析 . 2. 1 地表位移规律 不同开采厚度诱发走向方向地表沉降曲线如图 2 所示。随着采空区顶板面积增大,临空面失去支撑 而产生了下沉并依次向上传递,最后传到地表,并逐 渐在地面形成一个下沉盆地。随着各中段的不断开 采,工作面不断向上部推进,由于接顶率无法达到 100%,导致各个中段开采诱发的变形产生叠加效应, 由此地表下沉量随开采中段数的增加而逐渐增大。 地表变形与开采扰动相关,距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号矿体 较远区域,开采扰动效应逐渐减小,地表位移量也逐 渐减小,直至变为零而无影响。6 个中段开采结束 后,地表最大沉降量为4.13 m(Y=1 800 m),下沉盆地 范围在Y=400~4 500 m之间,长约4 100 m。 中可以看出,矿产开挖初期,地表的水平位移基本呈 对称状态。随着矿产资源的不断开挖,当进行到第 三中段时,地表水平位移逐渐呈现不对称分布,且逐 渐增大。远离采空区水平位移逐渐变为零。地表水 走向方向地表水平位移曲线如图 3 所示。从图 · 182 · 孙世国等:马城矿多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响 2018年第9期 平 位 移 的 最 大 值 分 别 为 1.16 m(Y=1 600 m)以 及-0.40 m(Y=3 400 m),水平位移范围大概在Y=600~ 4 500 m之间,长约3 900 m。 筑物或构筑物的影响很大,会使这些建筑重心发生 偏斜,引起应力重新分布,当倾斜过大时,会使构筑 物折断或倾倒。 不同开挖高度下倾向地表沉降曲线如图 4 所 走向方向地表倾斜变形曲线如图 6 所示。随着 开采工作面不断向上部推进,地表倾斜变形量也逐 渐增大。左侧模型埋深较深,所以模型右侧地表倾 斜变形特征比左侧明显。6 个中段开采完成后,模 型左侧地表倾斜变形最大值为-6.57 mm/m(Y=800 m),模型右侧地表倾斜变形最大值为 6.22 mm/m(Y= 示。可以看出随着开采工作面不断向上部推进,地 表下沉量也逐渐增大,6 个中段开采完成后,最大沉 降量为-4.22 m(X=2 000 m),下沉盆地范围大概在X= 7 50~2 750 m之间,长约2 000 m。 2 600 m)。 倾向方向地表水平位移曲线如图 5 所示。倾向 方向水平位移与走向方向水平位移变化趋势基本一 致,随着矿产资源的不断开挖,地表水平位移逐渐呈 现不对称分布,且逐渐增大。地表水平位移的最大值 倾向地表倾斜变形曲线如图 7 所示。同样随着 开采工作面不断向上部推进,地表倾斜变形量也逐 分别为1.86 m(X=1 600 m)以及-1.53 m(X=2 200 m), 渐增大。6个中段开采完成后,模型左右两侧地表倾 水平位移范围大概在 X=550~2 800 m 之间,长约 2 斜变形最小值为-9.75 mm/m(X=1 400 m)和最大值 10.41 mm/m(X =2 000 m)。 250 m。 2 . 2. 2 倾斜变形 2. 2. 3 地表曲率变形 地表倾斜往往发生在移动盆地边缘区,位于拐 地表曲率有正、负曲率之分,由不均匀沉降引起 的地表曲率变形会引起管道在竖向面内产生弯曲。 地表曲率变形同样会引起建筑物上附加应力增大, 一般是随着曲率半径减小、建筑物长度增大,建筑物 产生的破坏也加大。 点处的地表倾斜最大。地表倾斜能使排水系统改变 坡度,这对于靠流体重力作用的自流管道影响很 大。地表倾斜变形也会对铁路、公路有一定的危害, 尤其是铁路,线路的坡度的增加将使列车运行阻力 有所增加。同样,地表倾斜对底面积小、高度大的建 走向方向地表曲率变形曲线如图8所示,可以看 · 183 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 2 型地表曲率变形最大值为-0.027 mm/m(Y=1 200 m)。 2 . 2. 4 地表水平变形 地表的拉伸和压缩称为水平变形,正值表示拉 伸变形,负值表示压缩变形。 走向方向地表水平变形曲线如图10所示,随着开 采工作面不断向上部推进,地表水平变形量逐渐增 大。6个中段开采完成后,模型地表水平变形最大值 为2.16 mm/m(Y=800 m)和-2.60 mm/m(Y=2 600 m)。 出随着开采工作面不断向上部推进,地表曲率变形 量显著增大,地表曲率变形波动也较大。模型右侧 (X=4 000~6 850 m)地表曲率变形数值基本为0。6个 中段开采完成后,模型地表曲率变形在Y=600 m处出 2 现最小值为-0.023 mm/m 。 23 线剖面(倾向)地表水平变形曲线如图 11 所 示,6 个中段开采完成后,模型地表水平变形最大值 为-7.6 mm/m(Y=2 000 m)。 倾向方向地表曲率变形曲线如图9所示,随着开 采工作面不断向上部推进,地表曲率变形量显著增 大。模型左右两侧(X=0~500 m、X=2 800~3 750 m)地 表曲率变形数值基本为 0。6 个中段开采完成后,模 2 . 2. 5 采空区移动角的确定 在我国通常使用倾斜i、曲率k和水平变形ε来衡 [ 6] 量建筑物的破坏程度。规范规定 :以盆地内地表移 动变形对建筑物有无危害而划分的边界,一般砖石 结构建筑物的临界变形值:倾斜 i=3 mm/m、曲率 k= 2 0.2 mm/m 和水平变形ε=2 mm/m。 确定移动角时以3 个变形值中最外的为边界。图12为移动角示意图。 当开采厚度较小时,其相应的移动角大;当开采 厚度依次增大时,其移动角相应减小,即移动范围增 大;当开采达到一定厚度之后,上覆岩体达到充分采 · 184 · 孙世国等:马城矿多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响 2018年第9期 展 797 m。 参 考 文 献 [ 1] 孙世国,赵雪芳,王 群,等.急倾斜矿体不同开采时序对上覆岩 体变形的影响[J].煤矿安全,2015,46(2):190-192. Sun Shiguo,Zhao Xuefang,Wang Qun,et al.Influence of different mining sequence of steeply inclined orebody on overlying rock mass deformation[J].Safety in Coal Mines,2015,46(2):190-192. 动时,移动角不再减小而稳定在某个数值上;各个中 段开采结束后移动角大小如表2所示,总体移动规律 是随着开采厚度增大移动角变小。由于许多工程设 施位于其危险变形区内,为了保障其安全性,需要强 化动态监测,实时掌握其动态发展趋势,避免地表产 生破坏性变形诱发各种建筑物和市政设施的破坏, 从而诱发次生灾害。 [ 2] 黄平路,陈从新,肖国峰,等.复杂地质条件下矿山地下开采地表 变形规律的研究[J].岩土力学,2009,30(10):3020-3024. Huang Pinglu,Chen Congxin,Xiao Guofeng,et al.Study of rock movement caused by underground mining in mines with complicat- ed geological conditions[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30 (10):3020-3024. [ 3] 杨宝贵,彭杨皓,李 杨,等.充填开采地表移动变形规律数值模 拟分析[J].金属矿山,2014(12):169-174. Yang Baogui,Peng Yanghao,Li Yang,et al.Numerical simulation analysis of ground movement deformation law in backfill mining[J]. Metal Mine,2014(12):169-174. [4] 彭 林.复杂采空区三维建模及稳定性分析研究[D].赣州:江西 理工大学,2014. Peng Lin.Research on 3D Modeling and Stability Analysis of Com- plex Goa[f D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technolo- gy,2014. 3 结 论 (1)多次重复开采加剧了地表位移变形,增大地表 [ 5] 马凤山,赵海军,郭 捷,等.金川二矿区多中段开采对地表岩移 沉陷盆地的范围与水平变形剧烈程度。根据模拟结果 得到,位移值在采空区中心最大,向两侧依次减小; 随 着开采中段的增加,水平位移值、沉降值均增大。 的影响研究[J].工程地质学报,2014,22(4):757-764. Ma Fengshan,Zhan Haijun,Guo Jie,et al.Influence of the multi- level mining on the ground movement in the Jinchuan №.2 Mine[J]. Journal of Engineering Geology,2014,22(4):757-764. (2)分析了地表变形的 3 项指标,均随着开采中 [ 6] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压 段的增加而不断增大。根据倾斜、曲率、水平 3 项变 形值可以更好地预测地表建筑物的破坏程度。 煤开采规程[M].北京: 煤炭工业出版社,2010. State Bureau of Coal Industry.Specification for Coal Pillar and Coal Mining in Buildings,Water Bodies,Railways and Main Roadway (3)确定倾向主断面的移动角以及倾向方向保 护边界,分别是采区上盘移动角为 66.04°,即向左侧 扩展 400 m,采区上盘移动角为 48.47°,即向右侧扩 [ M].Beijing:Coal Industry Press,2010. (责任编辑 徐志宏) · 185 ·
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