充填采矿法和崩落采矿法对地表影响的计算机数值模拟分析-矿业114网 
充填采矿法和崩落采矿法对地表影响的计算机数值模拟分析
2011-08-23
是在基于OpenSees计算平台上,运用孔隙介质固液耦合的三维有限单元法,对某矿山西区的采矿行 为进行了数值模拟,从不同部位进行全方位全面的对比分析,评价了采用两种采矿方法而引起的地表沉降问题。
AugSuustpꢀpl2. 009ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 200增9年ꢀ 刊8 月 METAL MINE 充填采矿法和崩落采矿法对地表影响的 计算机数值模拟分析 1 , 2 2 1 王 ꢀ 平 ꢀ 许 梦 国 ꢀ 李 惠 强 ( 1. 华 中 科 技 大 学 ; 2. 武 汉 科 技 大 学 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 是 在 基 于 OpenSees 计 算 平 台 上 , 运 用 孔 隙 介 质 固 液 耦 合 的 三 维 有 限 单 元 法 , 对 某 矿 山 西 区 的 采 矿 行 为 进 行 了 数 值 模 拟 , 从 不 同 部 位 进 行 全 方 位 全 面 的 对 比 分 析 , 评 价 了 采 用 两 种 采 矿 方 法 而 引 起 的 地 表 沉 降 问 题 。 关 键 词 ꢀ 固 液 耦 合 ꢀ 数 值 模 拟 ꢀ 地 表 沉 降 Computer Simulation Analysis of the Impact of Backfill Mining Method and Caving Method on the Surface Wang Pingꢀ Xu Mengguoꢀ Li Huiqiang ( 1. Huazhong University of Science and Technology ; 2 . Wuhan University of Science and Technology. ) Abstractꢀ Based on the OpenSees computing platform, the 3D finite element method of porous medium coupled solid - liquid model is adopted to make the numerical simulation for mining methods in west district of a mine. Then the land subsidence problem caused by both of mining methods are contrastively analyzed and evaluated from different angles. Keywordsꢀ Coupled solid - liquid model; Numerical simulation; Land subsidence ꢀ ꢀ 为 了 探 讨 充 填 采 矿 法 和 崩 落 采 矿 法 对 地 表 建 筑 孔 隙 水 压 力 , u 为 位 移 张 量 ; δij 则 表 示 Kronecker 记 物 的 影 响 , 可 采 用 物 理 力 学 模 型 模 拟 的 方 法 对 两 种 采 矿 方 法 在 深 部 开 采 过 程 中 对 地 表 的 影 响 进 行 实 验 分 析 研 究 , 得 出 不 同 的 采 矿 方 法 而 引 起 的 地 表 的 移 动 参 数 。 但 是 由 于 采 场 和 矿 区 地 质 条 件 的 复 杂 性 , 且 物 理 模 型 主 要 表 现 了 一 个 断 面 的 情 况 , 因 此 , 采 用 物 理 力 学 模 型 模 拟 方 法 所 得 出 的 结 论 尚 不 足 以 完 全 说 明 地 表 的 移 动 规 律 。 采 用 数 值 模 拟 的 方 法 , 对 深 部 采 矿 方 法 对 地 表 的 影 响 进 行 分 析 研 究 , 可 以 弥 补 上 述 缺 陷 , 同 时 将 两 者 结 果 进 行 对 比 , 相 互 验 证 , 使 研 究 结 果 更 加 符 合 现 场 实 际 。 法 ; α 为 与 岩 石 弹 性 模 量 E 和 岩 体 弹 性 模 量 E 有 关 m 的 材 料 常 数 ; ρ 表 示 固 体 的 单 位 质 量 ; b 是 单 位 质 量 s i 所 受 到 的 体 积 力 ; R 为 渗 透 力 。 同 一 系 统 内 液 相 的 i 平 衡 方 程 可 表 述 为 2 d U 2 - np i + nρf bi - nρf i - Ri = 0, ( 3) , ( ) dt 式 中 , ρ 表 示 液 体 的 单 位 质 量 ; n 为 孔 隙 率 ; U 表 示 f 流 体 的 绝 对 位 移 。 dU = ( α - n) ( dε 1 dp, Q dt - n i, i + ( 4) ( ) ) dt dt i, i 式 中 , ε 为 应 变 张 量 ; Q 是 一 个 常 数 , 它 与 固 液 两 相 1 ꢀ 有 限 元 计 算 模 型 的 其 它 材 料 常 数 相 关 。 1 . 1ꢀ 本 构 方 程 1 . 2ꢀ 计 算 模 型 富 含 地 下 水 的 地 质 体 , 其 力 学 行 为 可 用 孔 隙 介 质 固 液 耦 合 模 型 来 描 述 。 固 相 的 平 衡 方 程 可 表 述 [ 为 1. 2. 1ꢀ 计 算 模 型 范 围 的 选 取 1] 地 下 矿 体 开 采 及 运 行 期 间 , 应 力 扰 动 不 波 及 到 边 界 , 亦 即 模 型 周 边 始 终 保 持 初 始 应 力 状 态 。 由 于 ′ σ - ( α - n) p + ( 1 - n) ρs bi - ij, j , i d u 2 ( 1 - n) ρs i + Ri = 0, ( 1) ( 2) ( 2 ) dt 王 ꢀ 平 ( 1972— ) , 男 , 华 中 科 技 大 学 , 博 士 研 究 生 ; 武 汉 科 技 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 , 讲 师 , 430081 湖 北 省 武 汉 科 技 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 293 信 箱 。 ′ σ = σ + αδ p, ij ij ij ′ ′ 式 中 , σ 为 有 效 应 力 张 量 ; σ 为 全 应 力 张 量 ; p 为 ij, j ij · 94· ꢀ ꢀ ꢀ 王 ꢀ 平 等 : 充 填 采 矿 法 和 崩 落 采 矿 法 对 地 表 影 响 的 计 算 机 数 值 模 拟 分 析 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 8 月 本 次 研 究 只 考 虑 开 挖 至 地 表 以 下 500 m, 总 开 挖 的 矿 体 深 度 是 300 m, 总 开 挖 宽 度 是 600 m, 按 照 圣 维 南 原 理 , 避 免 开 挖 影 响 周 边 的 力 学 情 况 , 并 考 虑 到 围 岩 原 岩 应 力 场 受 采 矿 扰 动 而 重 新 调 整 的 影 响 和 加 载 边 界 的 影 响 范 围 , 所 以 计 算 模 型 的 宽 度 为 2 000 m, 深 度 为 地 表 以 下 1 200 m, 长 度 为 1 200 m。 确 定 好 模 型 的 大 小 后 , 选 取 合 适 的 坐 标 系 。 图 1ꢀ 计 算 模 型 1 . 2. 2ꢀ 建 模 在 数 值 模 拟 中 , 要 了 解 模 拟 的 需 求 。 本 研 究 的 模 型 需 求 主 要 有 以 下 几 点 : 1) 计 算 模 型 能 够 反 映 出 西 区 矿 岩 在 空 间 上 的 基 本 情 况 ; ( ( ( ( 2) 计 算 模 型 要 便 于 程 序 的 编 写 与 调 试 ; 3) 计 算 模 型 要 便 于 网 格 划 分 ; 图 2ꢀ 网 格 划 分 单 元 组 成 以 及 材 料 号 ; 3) 材 料 信 息 。 主 要 包 括 矿 岩 的 弹 性 模 量 、 孔 隙 度 、 比 重 等 参 数 ; 4) 计 算 模 型 能 够 模 拟 充 填 和 崩 落 两 种 采 矿 行 ( 为 ; ( ( 5) 计 算 模 型 要 便 于 各 种 材 料 的 选 取 ; ( ( 4) 荷 载 信 息 。 本 研 究 主 要 考 虑 重 力 荷 载 ; 5) 边 界 条 件 。 其 中 包 括 位 移 边 界 条 件 和 孔 隙 6) 计 算 模 型 能 够 处 理 固 液 相 耦 合 的 问 题 。 有 了 上 述 的 需 求 分 析 , 就 可 以 准 确 而 合 理 的 建 水 压 力 条 件 ; 立 三 维 模 型 。 为 了 便 于 材 料 常 数 的 赋 值 , 在 建 模 中 , 将 不 同 类 型 的 矿 岩 分 图 层 处 理 。 结 合 矿 区 工 程 地 质 条 件 , 得 出 本 研 究 的 计 算 模 型 , 如 图 2 所 示 , 其 中 上 盘 围 岩 为 大 理 岩 , 下 盘 围 岩 为 花 岗 岩 。 中 间 的 部 分 为 底 板 、 尚 未 开 采 的 矿 体 以 及 - 500 m 以 下 的 矿 体 。 ( 6) 结 果 输 出 。 以 数 据 的 形 式 输 出 节 点 自 由 度 、 单 元 力 等 信 息 ; ( 7) 计 算 分 析 。 这 里 主 要 包 括 收 敛 极 限 、 收 敛 方 法 、 分 析 类 型 等 。 2 ꢀ 物 理 力 学 参 数 的 选 取 1 . 2. 3ꢀ 网 格 划 分 及 程 序 编 制 2. 1ꢀ 矿 岩 力 学 参 数 的 确 定 在 划 分 单 元 之 前 , 同 样 要 进 行 需 求 分 析 。 在 划 岩 体 物 理 参 数 的 选 取 会 直 接 影 响 分 析 计 算 结 果 的 可 能 性 。 本 研 究 中 矿 岩 物 理 力 学 参 数 的 选 取 , 采 用 矿 岩 工 程 分 级 结 果 提 供 的 参 考 值 。 因 此 , 有 限 元 分 析 中 要 考 虑 的 主 要 岩 类 为 矿 体 铁 矿 、 大 理 岩 、 花 岗 岩 。 根 据 ①综 合 评 价 《 工 程 岩 体 分 级 标 准 ( GB50218 - 94) 》 规 范 ; ②工 程 类 比 ; ③据 对 西 区 各 类 岩 体 的 室 内 外 岩 石 力 学 试 验 结 果 等 原 则 , 综 合 选 取 岩 类 的 物 理 力 学 参 数 。 分 网 格 的 时 候 要 注 意 以 下 几 点 : ( 一 些 ; ( 1) 主 次 分 明 。 在 矿 体 周 围 的 单 元 要 相 对 密 集 2) 过 渡 性 。 相 邻 的 单 元 间 的 尺 寸 变 化 不 要 太 悬 殊 , 以 免 造 成 较 大 的 误 差 ; ( 3) 尽 量 少 的 出 现 死 角 , 以 至 发 生 应 力 集 中 的 现 象 。 如 图 1 的 计 算 模 型 中 , 共 包 括 180 个 六 面 体 , 28 个 四 边 形 面 。 依 据 上 述 的 划 分 原 则 , 对 180 个 2. 2ꢀ 岩 体 弹 性 模 量 Em 的 确 定 6 岩 体 的 弹 性 模 量 主 要 受 岩 体 内 裂 隙 、 溶 洞 的 影 响 。 地 下 岩 体 结 构 复 杂 且 范 围 大 , 无 法 直 接 获 取 岩 体 内 裂 隙 及 溶 洞 的 数 据 。 然 而 , 在 裂 隙 岩 体 中 , 地 下 水 的 流 动 主 要 受 裂 隙 控 制 , 涌 水 量 的 大 小 可 直 接 反 映 岩 体 中 裂 隙 的 多 少 。 因 此 , 可 以 借 助 等 效 水 力 模 型 , 用 岩 石 的 力 学 参 数 和 岩 体 的 涌 水 量 大 小 来 描 述 六 面 体 进 行 单 元 划 分 。 尽 量 使 大 多 数 的 单 元 处 在 亚 正 方 体 的 状 态 下 , 减 小 应 力 集 中 现 象 的 发 生 。 划 分 后 的 网 格 如 图 2 所 示 。 利 用 Python 语 言 编 制 有 限 元 的 计 算 程 序 , 其 中 包 括 下 面 几 部 分 内 容 : ( 1) 分 析 模 型 。 本 研 究 的 分 析 模 型 为 孔 弹 性 体 的 三 维 模 拟 ; 2) 网 格 信 息 。 包 括 节 点 号 , 单 元 号 , 节 点 坐 标 , 岩 体 的 弹 性 模 量 E 。 m [ 2] 2. 2. 1ꢀ 双 重 流 模 型 ( 如 图 3 所 示 , 半 径 为 r 的 圆 形 隧 道 位 于 深 度 为 H · 95· 增 刊 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 8 月 的 地 表 下 。 圆 形 隧 道 单 位 长 度 上 的 体 积 流 量 Q 可 以 m, 地 下 开 挖 区 平 均 半 径 r = 2 m, 平 均 涌 水 量 Q = 3 用 沉 流 和 源 流 构 成 的 双 重 流 模 型 来 描 述 。 假 定 h 为 1 000 m / d。 根 据 上 述 圆 形 隧 道 双 重 流 模 型 , 可 以 b 圆 形 隧 道 边 界 上 的 水 头 , 沉 流 中 心 坐 标 值 为 ( 0, H + r) , 具 有 同 样 强 度 的 源 流 位 于 ( 0, - ( H + r) ) 。 对 于 无 穷 多 个 平 行 相 距 2L 的 沉 流 隧 道 的 情 形 , Polubari nova - Kochina, P. Ya 运 用 叠 加 法 导 出 其 解 析 解 : 计 算 出 水 力 传 导 系 数 K : 表 1ꢀ 裂 隙 平 均 密 度 岩 ꢀ ꢀ 性 闪 长 岩 花 岗 岩 矿 ꢀ 体 合 ꢀ 计 平 均 密 度 / ( 条 / m) 8. 1 9. 6 4. 2 6. 7 2 ) ) pKh - ln sh( L ) ) b ln( sh( 2L pH pr Q =  ( 5) K = Q· ( - ln sh( L ) ) ) = ) ) ( ln( sh( 2pLH pr ( 2 2 ph b - 5 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 7 × 10 m / sec 应 变 D = 10 4 。 由 表 2 可 知 , 岩 体 平 均 裂 ( 隙10密) - e 度 为 6. 7 条 / m, 所 以 裂 隙 平 均 间 距 S = 0. 15 m, 裂 隙 开 口 < 0. 001 m。 将 这 些 数 据 带 入 相 应 的 方 程 式 , 可 以 得 到 : 3 1 12Kgmk S - B) - B S 图 3ꢀ 圆 形 隧 道 双 重 流 模 型 Rm = 1 - ( ) = 0. 4  ( [ 3] SDe 2 . 2. 2ꢀ RMR 水 力 传 导 模 型 槡 ( 11) 对 于 开 口 为 B 间 距 为 S 的 裂 隙 组 岩 体 , 由 于 裂 隙 开 口 值 非 常 小 , 裂 隙 中 水 流 可 作 为 层 流 处 理 , 其 等 E m = R m E  ( 12) 效 孔 隙 介 质 的 水 力 传 导 系 数 K 为 ꢀ ꢀ Peres - Rodrigues 对 含 有 单 一 裂 隙 组 岩 体 的 弹 3 gB 性 模 量 提 出 下 列 表 达 式 : K = , ( 6) 1 2m S k E Em =  ( 13) 2 式 中 , g 是 重 力 加 速 度 , 9. 81 cm / s; mk 是 粘 滞 系 数 1 + αI 2 其 中 , α 是 待 定 常 数 , I 是 裂 隙 平 均 密 度 。 系 数 ( 1 + ( 水 在 20 ℃的 粘 滞 系 数 为 0. 010 1 cm / s) 。 将 次 生 应 变 和 RMR 岩 体 分 类 指 标 R 引 入 到 上 式 后 , 水 力 aI) - 1 与 前 面 定 义 的 R m 等 效 。 Peres - Rodrigues 对 m 传 导 系 数 K 可 写 为 : 石 灰 岩 , 片 麻 岩 和 花 岗 岩 进 行 过 测 定 , 其 a 值 分 别 为 0. 084 85, 0. 151 16 和 0. 041 68。 作 为 验 证 , 将 矿 山 的 裂 隙 平 均 密 度 6. 7 和 不 同 的 a 值 带 入 上 式 , 可 得 R 的 数 值 为 0. 5 ~ 0. 78。 基 于 地 下 水 涌 水 量 直 接 反 映 岩 体 裂 隙 的 特 性 , 加 上 岩 体 为 含 水 孔 隙 介 质 , 采 用 g B + ( S( 1 - Rm) + B) De]3 , ( 7) K = [ 1 2 mk S m m E m , 其 中 Em 是 岩 体 弹 性 模 量 , E 是 岩 石 式 中 , Rm 弹 性 模 量 。 = E R = 0. 4 更 符 合 矿 山 实 际 情 况 , 即 岩 体 弹 性 模 量 E m 对 极 软 弱 的 岩 体 , Rm 趋 近 于 零 , 于 是 有 : 分 别 为 10. 8 GPa、 7. 01 GPa 和 14. 1 GPa。 此 外 , 本 研 究 中 还 涉 及 到 孔 隙 水 问 题 , 这 里 列 举 出 相 应 的 水 力 学 参 数 ( 见 表 2) 。 g 3 K = [ B + ( S + B) De ]  ( 8) ( 9) 1 2 m S k ꢀ ꢀ 对 于 完 好 岩 体 , R = 1, 于 是 有 : m 表 2ꢀ 岩 体 水 力 学 参 数 渗 透 系 数 k g K = [ B + BDe ] 3  孔 隙 度 体 积 模 / ( kN/ m2 ) 1 2 mk S 岩 石 种 类 a 值 n / ( m/ s) 2 . 2. 3ꢀ 裂 隙 平 均 密 度 - 8 6 大 理 岩 花 岗 岩 0. 2 0. 21 0. 15 0. 4 3. 8 × 10 3. 6 × 10 2. 4 × 10 2. 1 × 10 9. 8 × 10 0. 59 0. 6 0. 51 1 裂 隙 平 均 密 度 是 基 于 以 节 理 裂 隙 为 基 础 的 工 程 - 8 6 8. 6 × 10 - - 8 6 7 地 质 调 查 。 该 调 查 是 在 选 用 了 RQD, RMQ, RMR 及 综 合 分 级 的 方 法 后 进 行 的 。 调 查 结 果 表 明 , 由 于 各 种 方 向 、 大 小 应 力 场 作 用 的 结 果 , 区 段 内 的 裂 隙 形 迹 几 乎 全 方 位 发 育 。 裂 隙 平 均 密 度 见 表 1。 矿 ꢀ 体 1. 7 × 10 5 充 填 体 1. 4 × 10 3 ꢀ 计 算 结 果 分 析 3. 2ꢀ 充 填 法 的 结 果 分 析 2 . 2. 4ꢀ 岩 体 弹 性 模 量 的 计 算 首 先 , 分 析 充 填 法 对 孔 隙 水 压 力 的 影 响 。 开 挖 岩 体 宽 度 L = 1 000 m, 平 均 深 度 h0 = h = 200 区 域 周 边 孔 隙 水 压 力 的 分 布 仍 呈 现 层 状 分 布 , 并 随 · 96· ꢀ ꢀ ꢀ 王 ꢀ 平 等 : 充 填 采 矿 法 和 崩 落 采 矿 法 对 地 表 影 响 的 计 算 机 数 值 模 拟 分 析 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 8 月 深 度 的 增 加 而 增 加 , 地 表 的 压 力 为 零 , 最 大 孔 隙 水 压 力 为 2. 5 MPa, 发 生 在 下 盘 围 岩 的 边 界 处 , 这 与 开 采 前 基 本 相 同 。 不 同 之 处 就 在 于 , 开 挖 区 域 的 孔 隙 水 减 小 , 并 在 开 挖 区 域 的 上 方 形 成 了 一 个 降 水 漏 斗 。 随 着 充 填 法 采 矿 的 实 施 , 充 填 区 域 内 分 布 着 很 多 与 大 气 相 通 的 巷 道 , 而 且 充 填 体 的 孔 隙 度 交 矿 体 而 言 大 大 增 加 , 使 得 开 挖 区 域 内 的 水 都 以 自 由 水 的 方 式 流 入 采 场 水 沟 , 通 过 矿 井 排 水 系 统 排 出 地 表 。 这 时 由 于 充 填 区 域 内 孔 隙 水 压 力 的 减 小 , 使 得 在 充 填 体 上 方 形 成 了 一 个 降 水 漏 斗 。 单 位 : m 图 4ꢀ 充 填 法 下 地 表 的 沉 降 示 意 3 . 3ꢀ 崩 落 法 的 结 果 分 析 崩 落 法 与 充 填 法 不 同 , 崩 落 法 在 采 场 内 不 设 分 接 下 来 分 析 充 填 法 对 应 力 的 影 响 。 在 重 力 方 向 上 应 力 呈 层 状 分 布 。 应 力 的 大 小 与 矿 岩 的 容 重 有 关 , 由 于 大 理 岩 和 花 岗 岩 的 容 重 大 致 相 当 , 所 以 在 图 中 的 应 力 大 小 几 乎 相 等 。 当 矿 体 未 开 采 前 , 矿 体 中 的 应 力 最 大 , 而 开 采 后 , 由 于 充 填 体 的 比 重 较 小 , 弹 性 模 量 较 小 , 充 填 区 域 的 应 力 会 发 生 很 大 的 变 化 。 在 顶 底 板 周 围 的 围 岩 中 会 出 现 局 部 的 拉 应 力 区 , 数 值 在 1 ~ 3 MPa 之 间 。 顶 底 板 中 的 压 应 力 会 增 加 , 数 值 在 18 ~ 25 MPa 之 间 。 在 局 部 区 域 还 会 出 现 压 应 力 集 中 现 象 , 需 要 对 采 场 顶 板 进 行 支 护 。 段 顶 底 柱 , 采 出 矿 体 后 上 盘 顶 板 围 岩 按 自 由 崩 落 的 方 法 进 行 崩 落 , 地 表 将 随 着 上 盘 岩 体 的 崩 落 而 沉 降 , 直 至 崩 落 至 地 表 。 崩 落 法 的 实 施 而 导 致 的 地 表 沉 降 , 如 图 5 所 示 。 再 者 , 分 析 充 填 法 对 地 表 位 移 的 影 响 。 在 有 限 元 分 析 模 拟 中 , 对 包 括 重 力 的 开 挖 模 型 , 位 移 包 括 两 部 分 的 内 容 。 一 部 分 是 由 于 重 力 而 引 起 的 位 移 , 另 一 部 分 是 由 于 开 挖 而 引 起 的 位 移 。 前 者 在 开 挖 前 已 经 发 生 , 因 此 在 有 限 元 分 析 模 拟 中 位 移 仅 考 虑 后 者 。 在 采 空 区 内 进 行 充 填 , 会 大 大 减 小 地 表 的 沉 降 量 , 但 是 , 充 填 体 的 弹 性 模 量 远 远 小 于 原 先 的 矿 体 , 因 此 在 充 填 区 域 内 仍 将 出 现 位 移 集 中 的 现 象 。 也 就 是 说 , 由 于 开 挖 所 引 起 的 位 移 均 指 向 采 空 区 。 并 且 , 充 填 区 以 上 的 位 移 要 大 于 以 下 的 位 移 。 这 是 因 为 , 由 于 采 矿 活 动 的 进 行 , 使 得 充 填 区 以 上 的 矿 体 性 质 发 生 了 改 变 , 节 理 和 裂 隙 明 显 增 加 。 这 使 得 上 方 区 域 中 的 孔 隙 水 压 力 明 显 的 减 小 , 岩 石 中 的 有 效 应 力 增 加 。 这 样 , 会 直 接 导 致 沉 降 速 率 的 提 高 , 沉 降 量 的 增 加 。 分 析 由 于 充 填 法 的 实 施 而 导 致 的 地 表 沉 降 。 如 图 4 所 示 , 尽 管 充 填 法 对 采 空 区 进 行 了 充 填 , 但 是 由 于 存 在 着 接 顶 质 量 不 易 保 证 、 地 下 水 疏 干 等 影 响 , 地 表 还 是 发 生 了 不 同 程 度 的 沉 降 。 在 采 区 的 上 方 形 成 一 个 沉 降 漏 斗 , 最 大 位 移 数 值 为 1. 08 m。 在 东 西 区 交 界 的 位 移 值 为 0. 6 m。 由 于 沉 降 的 影 响 , 在 沉 降 漏 斗 的 周 围 , 地 表 会 稍 稍 翘 起 , 但 位 移 值 不 是 很 大 , 均 小 于 0. 2 m。 在 选 厂 所 处 的 地 表 垂 直 方 向 的 位 移 为 0. 15 m, 水 平 方 向 的 位 移 为 0. 1 m。 单 位 : m 图 5ꢀ 崩 落 法 下 地 表 沉 降 示 意 孔 隙 水 压 力 的 分 布 与 充 填 法 下 的 结 果 基 本 相 同 。 仍 呈 现 层 状 分 布 , 并 随 深 度 的 增 加 而 增 加 , 地 表 的 压 力 为 零 , 采 区 最 大 孔 隙 水 压 力 为 1. 2 MPa, 发 生 在 下 盘 围 岩 的 边 界 处 , 这 与 开 采 前 基 本 相 同 。 不 同 之 处 就 在 于 , 开 挖 区 域 以 及 由 于 开 挖 而 形 成 的 沉 降 漏 斗 中 的 孔 隙 水 压 力 变 的 更 小 , 可 以 用 地 表 一 样 , 按 零 处 理 。 由 于 , 开 挖 区 域 以 及 由 于 开 挖 而 形 成 的 沉 降 漏 斗 中 的 孔 隙 水 压 力 变 的 更 小 , 这 使 得 岩 体 的 有 效 应 力 变 的 更 大 , 位 移 量 大 幅 度 增 加 。 此 外 , 由 于 采 矿 区 域 内 矿 体 形 态 复 杂 , 采 矿 区 周 边 的 岩 体 内 的 压 应 分 布 变 化 较 大 , 但 不 会 大 面 积 的 应 力 集 中 现 象 , 只 在 局 部 有 较 大 的 拉 应 力 存 在 。 与 此 同 时 , 拉 应 力 也 会 随 之 增 加 , 增 加 幅 度 在 1 ~ 1. 5 MPa 之 间 。 由 于 采 用 崩 落 法 进 行 开 采 , 采 空 区 有 崩 落 的 岩 石 所 充 填 , 周 围 围 岩 力 学 性 质 发 生 了 的 改 变 , 节 理 和 裂 隙 大 幅 度 增 加 , 使 得 岩 体 的 有 效 应 力 达 到 了 最 大 值 。 这 样 , 会 直 接 导 致 沉 降 速 率 的 提 高 , 沉 降 量 急 剧 增 加 。 崩 落 法 下 产 生 的 位 移 与 充 填 法 下 产 生 位 移 的 · 97· 增 刊 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 8 月 规 律 一 样 , 均 指 向 工 作 区 , 但 数 值 确 大 大 增 加 , 以 采 空 区 以 上 的 位 移 增 加 的 最 为 显 著 , 但 采 至 - 500 m 水 平 时 , 矿 区 中 心 地 表 的 位 移 增 量 为 5 ~ 7 m。 从 图 中 可 以 很 清 晰 的 分 辨 出 地 表 与 工 作 区 之 间 形 成 的 沉 降 漏 斗 。 对 地 表 的 位 移 有 一 定 的 影 响 , 分 析 其 原 因 有 两 点 : 一 是 该 区 域 地 质 条 件 较 复 杂 , 部 分 地 层 存 在 岩 石 蚀 变 现 象 , 岩 性 较 弱 ; 二 是 该 区 域 上 方 大 理 岩 中 地 下 水 较 为 丰 富 , 采 矿 活 动 对 地 下 水 的 疏 干 造 成 了 地 表 沉 降 。 因 此 地 表 重 要 建 筑 物 会 受 到 一 定 的 影 响 。 采 用 崩 落 法 进 行 矿 体 开 采 , 地 表 将 会 产 生 很 大 的 沉 降 。 如 图 5 所 示 , 地 表 沉 降 量 达 到 7. 8m, 这 将 对 地 表 以 上 的 建 筑 物 形 成 巨 大 的 影 响 。 在 东 西 区 交 界 的 位 移 值 也 高 达 6 m。 由 于 , 地 表 的 沉 降 很 大 , 使 得 沉 降 漏 斗 的 周 围 的 地 表 翘 起 度 也 大 幅 增 加 。 ( 2) 崩 落 采 矿 法 地 表 沉 降 量 较 大 , 错 动 范 围 内 的 所 有 工 民 建 筑 项 目 均 必 须 搬 迁 。 参 考 文 献 [ [ 1] ꢀ ZienkiewiczOC, Chan A H C, Pastor M, et al. Computational geo2 mechanics with special reference to earthquake engineering[ M] . New York: Wiley, 1999. 4 ꢀ 结 ꢀ 论 本 次 研 究 对 充 填 采 矿 法 和 崩 落 采 矿 方 法 分 别 采 2] ꢀ 吴 世 艳 , 周 启 友 , 等 . 双 重 介 质 模 型 在 岩 溶 地 下 水 流 动 系 统 模 拟 中 的 应 用 [ J] . 水 文 地 质 工 程 地 质 , 2008( 6) . 用 了 数 值 模 拟 和 物 理 模 型 试 验 研 究 的 方 法 进 行 了 对 比 研 究 , 两 者 的 结 果 可 以 相 互 验 证 。 从 数 值 分 析 的 结 果 可 以 得 出 以 下 结 论 : [ 3] ꢀ 王 ꢀ 康 , 张 仁 铎 , 等 . 基 于 连 续 分 形 理 论 的 土 壤 非 饱 和 水 力 传 导 度 的 研 究 [ J] . 水 科 学 进 展 , 2004( 4) . ( 收 稿 日 期 ꢀ 20090610) ( 1) 采 用 充 填 采 矿 法 进 行 开 采 时 , 其 采 矿 活 动 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 . ( 上 接 第 85 页 ) [ 3] ꢀ 于 亚 伦 . 工 程 爆 破 理 论 与 技 术 [ M] . 北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 . [ 4] ꢀ U 型 钢 架 在 软 岩 支 护 中 的 应 用 探 讨 [ J] . 科 技 交 流 , 2007, 37 ( 4) . 参 考 文 献 [ [ 1] ꢀ 黄 德 发 . 地 层 注 浆 堵 水 与 加 固 施 工 技 术 [ M] . 北 京 : 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 . ( 收 稿 日 期 ꢀ 20090607) 2] ꢀ 采 矿 设 计 手 册 编 写 组 . 采 矿 设 计 手 册 : 井 巷 工 程 卷 [ M] . 北 京 : 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上 接 第 88 页 ) 定 , 结 合 实 际 情 况 灵 活 调 整 浆 液 浓 度 和 水 灰 比 , 通 过 适 时 调 整 注 浆 压 力 , 使 灌 浆 充 填 体 充 填 饱 满 , 且 围 岩 的 裂 隙 内 也 注 入 了 一 定 的 浆 量 , 灌 浆 质 量 满 足 规 范 和 设 计 的 要 求 , 巷 道 在 投 入 使 用 期 间 是 安 全 的 。 本 工 程 为 以 后 类 似 的 工 程 灌 浆 提 供 了 有 效 的 数 据 保 证 , 也 可 以 作 为 巷 道 顶 板 灌 浆 工 程 的 案 例 加 以 推 广 应 用 。 ( 2) 灌 浆 压 力 的 大 幅 度 提 高 , 提 高 了 灌 浆 结 束 标 准 , 为 灌 浆 质 量 的 提 高 起 到 了 有 力 的 保 证 。 3) 灌 浆 后 , 原 洞 壁 上 的 漏 水 点 变 得 干 燥 , 说 明 了 注 浆 及 堵 漏 的 效 果 是 比 较 理 想 的 。 ( ( 4) 灌 浆 质 量 检 查 时 , 其 灌 浆 压 力 为 1. 2 MPa, 比 设 计 的 0. 2 ~ 0. 3 MPa 提 高 了 4 ~ 6 倍 , 即 使 在 此 压 力 下 进 行 检 查 , 前 10 min 的 单 位 灌 浆 量 仅 为 0. 84 L/ min, 优 于 规 范 规 定 的 10 L/ 10 min 的 合 格 标 准 。 ( 收 稿 日 期 ꢀ 20090621) 7 ꢀ 结 ꢀ 语 综 上 分 析 , 本 次 灌 浆 的 施 工 符 合 规 范 的 有 关 规 · 98·


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