石人沟铁矿开采地表移动规律研究

石人沟铁矿开采地表移动规律研究

1地表沉陷的研究进展地下开采和岩层流动是一个复杂的物理和机械变化过程，包括地下开采和采矿工程的各个领域。在国外,早在15世纪,地表开采沉陷问题就已被人们所注意。但这个时期开采沉陷理论发展较慢,直到19世纪,相继出现了德国人依琴斯凯的“二等分线理论”,耳西哈的“自然斜面理论”,法国人法约尔(Fayol)的开采沉陷“拱形理论”等,人们对开采影响问题才有了一些初步的认识和研究。19世纪末,沉陷理论研究逐步深入,在研究各种沉陷分布与各类角度的同时,也开始了对开采引起的地表下沉与变形规律的研究。1953年波兰学者萨武斯托维奇提出了将岩体视为均质线弹性体,提出计算岩体下沉的方法。随后李特维尼申等学者应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学研究岩层及地表移动问题,用概率论的方法建立由地下单元开采所引起的岩层及地表单元下沉盆地表达式、单元水平移动表达式,经迭加建立下沉的剖面方程及其移动与变形分布表达式。随后通过实践应用到20世纪70年代末期,形成了地表移动破坏的理论体系。从20世纪70年代至今,随着科学技术的发展和研究手段的提高,开采沉陷理论中渗透了其它相关学科的理论,得到了进一步的发展。在这一阶段,陆续问世的有限元、离散元、边界元及各种算法和程序充分发挥了各自的长处,在很大程度上促进了岩石软科学研究以及岩体地下工程的发展。在我国,地下开采引起的岩层移动及地表沉陷理论是建国以后发展起来的。一些学者从不同的侧面用不同的方法对开采沉陷理论进行了探讨研究。1981年刘天泉与仲惟林等学者合作,提出了覆岩破坏的基本规律和冒落带高度的计算方法。李增琪(1985)采用Fourier变换推出了岩层与地表移动表达式。杨硕(1990)提出了开采沉陷的力学预测模式。李永树(1995～1997)等建立了褶曲构造煤层三维空间开采时地表单元下沉盆地和单元水平移动表达式。崔希民(1996)对主断面的地表移动与变形进行了实时位移的分析,应用流变模型进行开采沉陷研究。另外,一些现场技术人员对采动滑坡、采动对断层的影响、巨厚松散层下采矿对地表移动规律、条带开采地表移动规律等方面也进行了大量的研究。总之,经过几十年的研究,开采沉陷理论已取得了很大发展和完善。2露天开采境界及矿体特征石人沟铁矿位于河北省遵化市境内。矿区所处区域地质构造位置为燕山沉降带马兰峪复背斜轴部。矿区为一单斜构造。工程地质条件属简单型。石人沟铁矿矿体走向长2.6km,自南向北分布在30号勘探线至5号勘探线之间。矿区浅部矿体采用露天开采,露天开采境界最低标高为0m,一般在16～25m之间。露天开采境界南北长2.8km。由南向北分为三个采区,28～18线为南区,18～8线为中区,8线以北为北区。石人沟铁矿矿体赋存于太古界迁西群马兰峪组片麻岩中。磁铁石英岩矿体与角闪斜长片麻岩岩层相互平行产出,有M0,M1～M5计6个矿体,属多层矿。据统计,各矿体之间夹层平均厚度为21.3m。矿体走向近南北,向西倾斜,倾角50°～70°,平均倾角60°,属急倾斜矿体。矿体顶底板围岩为角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩,岩石普氏硬度系数为6～10,体重2.8t/m3,松散系数1.5;矿石为磁铁石英岩,普氏硬度系数10～12,体重3.4t/m3,松散系数1.5,矿体与围岩均比较稳固。矿区示意图如图1所示。3地下开采过程地下开采过程模拟本次研究分别以南区、北区为例,应用FLAC软件进行数值模拟,模拟石人沟铁矿露天转地下后,地下开采引起的岩层破坏和地表移动的过程,分析不同开采中段、不同岩层的移动角,并最终得出地表下沉曲线模型。3.1计算模型及计算参数在数值模拟过程中,为了使计算结果比较接近实际情况,对岩体介质性质、计算模型、矿山地质条件、受力条件、采矿工艺及采矿方法等都作了必要的假设。(1)对矿岩性质的假设。假设矿岩为各向同性、均质且符合摩尔—库仑弹塑性模型的介质。(2)对计算模型的假设。对地下工程开挖来说,地下矿山开采是一个空间问题,应采用三维空间计算模型更为合理。但一般来说,在同等条件下,二维数值模拟结果与三维数值模拟的计算结果比较接近。因此,计算模型简化为二维平面模型。(3)矿房结构的简化。为模拟方便,对巷道工程、每一矿房的开挖步数等不予考虑,模拟时简化为实体。矿房结构参数:矿块长度:60m;境界顶柱:16m;中段高度:44m;间柱宽度:10m。(4)计算不考虑时间有关的物理量。3.2y轴竖直力进行模拟计算的模型采用FLAC2.25建立,坐标原点设在左下角,X轴水平,由左向右方向为正方向;Y轴竖直,由下向上为正。在模型的左侧,固定X、Y方向位移,在其底部只固定Y方向位移,在其右侧只固定X方向位移。3.3网格密度划分由于此次模拟是二维模拟,并考虑了计算机的内存和软件的版本问题,所以网格数不能超过1500个。网格密度的划分应视研究的内容和重点进行。开采范围内的矿体以及围岩处网格划分的比较密集,其它部分的网格划分的比较大。3.4材料模型及参数在本次模拟过程中,力学模型选为线弹性模型,依据分析需要将整个模型划分为三种材料,即:M1矿体、M2矿体、黑云母角闪斜长片麻岩,其参数数值如表1所示。3.5应力应力场计算边界条件按剖面所处位置的应力条件以及按照开采沉陷的原理确定。边界条件为:水平方向上左右两侧取水平位移约束边界(即ux=0),下边界取垂直位移约束边界(垂直位移uy=0),上边界(地表)为自由边界。由于研究区域范围不大,可以认为研究区域处于均匀分布的应力场中,并且认为岩石中不存在构造应力,则岩石中的应力主要由上覆岩石的重量引起,垂直应力和水平应力可以分别由下式求得:σz=γH(1)σx=σy=μ1−μγH(2)σx=σy=μ1-μγΗ(2)式中:γ——上覆岩石的重力密度;H——单元立方体所在的深度;μ——岩石的泊松比。在模拟过程中,模型的边界约束条件如图2、图3所示。4数值模拟结果的分析4.1矿柱开挖对应力的影响从矿房分步开挖的模拟结果看,最大、最小主应力随开采的进行,在空区两侧应力值逐渐增加,均高于原岩应力值。开挖区域越大,向空区两侧重分布的应力越大。北区开挖8个矿房后最大拉应力和最大压应力值都没有达到相应的极限强度,空区相对来说比较稳定。但结合实际开采情况,北区开挖8个矿房后就回收矿柱,处理了采空区。南区在开挖5个矿房后,拉应力和压应力都达到了极限强度,矿房顶、底板受到了不同程度的破坏。所以当采完第5个矿房后就处理了空区,即崩落岩层。在后面的矿房开采中,每开挖4～5个矿房就处理一次采空区。在南区整个模拟开采过程中,进行了3次矿柱回收。回收矿柱后,应力再次重新分布,产生应力降低区。随着地下矿房的开挖,应力又逐渐增大。直到达到抗压强度和抗拉强度,再次破坏顶板岩层。4.2研究方法的选取。对于采空区上地由于此次模拟采用FLAC软件模拟,运用FLAC程序可以对一些关键点的历史位移和最大主应力、最小主应力进行跟踪记录。在此次研究过程中,每个模型都选取了采空区上方地表的许多关键点进行记录。根据历史位移记录曲线得出竖直方向的位移值,画出每个模型在开采过程中地表沉陷的移动曲线。4.2.1地表沉陷过程图根据前面的数值模拟结果和对地表关键点的历史位移的记录,得出了地表沉陷过程图。由于北区在开挖1个和2个矿房时,移动量非常微小,无法在图形上表示。所以北区只画出了开挖8个矿房且开挖矿柱后的移动曲线图。其动态移动曲线图见图4。4.2.2矿柱的回收情况根据数值模拟结果和历史位移记录可知,南区由于上部为废石松散层,垂直位移量较大。在开采过程中,当开挖5个矿房后,就要处理矿柱和空区;当开采到第9个矿房时,第二次回收矿柱和处理空区;当开采到11个矿房时,又进行了矿柱回收。因此,在此次模拟过程中,共回收了三次矿柱。第一次回收矿柱后地表最大下沉值为18m,第二次回收矿柱后地表最大下沉值为26m,第三次回收矿柱后地表最大下沉值为27m。5地表移动角和圈定移动范围的确定依据及方法应力状态分析:从矿房分步开挖的模拟结果看,最大、最小主应力随开采的进行,在空区两侧应力值逐渐增加,均高于原岩应力值。开挖区域越大,向空区两侧重分布的应力越大。垂直位移分析:在地下开采过程中,顶、底板产生竖直向下的位移,这是由于顶、底板处的拉应力引起的。随着矿房不断开采,最大下沉值越来越大。最大下沉值发生在空区中部的上方,矿房的上部和矿房与矿柱接触的角点附近,且偏向于开采前进的一侧,呈不对称的拱形分布,向两侧逐渐减小。通过对模型结果的分析,结合地表沉陷随开挖过程的动态移动曲线,得出了岩层及地表移动破坏的规律,并对确定移动角和圈定移动范围提出了特殊的方法。在开采前,先根据工程类比法和经验公