地下复杂采空区引起地表塌陷渐进发展过程数值模拟研究①

王飞飞， 田春艳， 任青阳， 邹 平1，， 虎万杰1，， 马 增1，

(1.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙410012；2.重庆交通大学土木工程学院,重庆400074；3.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南长沙410012； 4.沧州职业技术学院,河北 沧州061001)

地下开采矿体引起地表塌陷的灾害问题,近些年逐渐加剧［1］。 地表塌陷引起的地质灾害,如垮塌岩土体造成井下冲击波、井下泥石流、淹井等［2］,逐渐被人们所重视。 对于已形成的地表塌陷需要及时采取安全措施,防止次生灾害发生［3］。

目前已有学者开展了地表塌陷区形成与发展机理的相关研究［4-12］,取得了丰富的研究成果。 但开展塌陷区发展趋势方面的研究很少有报道。

每个矿山都有其特有的工程地质环境。 为了揭示查干敖包铁锌矿塌陷区发展机制,以现场调查为基础,建立地下采空区、塌陷区、围岩体及矿体三维模型,模拟矿体开采情况,得到了塌陷区位移与塑性区分布情况。通过位移变化趋势与塑性区分布区域,预测随着地下矿体开采地表塌陷区发展的详细过程与最终形成塌陷区的大小,研究结果可为塌陷区治理设计提供参考。

1 矿区概况

1.1 地层与构造

矿区内出露地层比较简单,主要有奥陶系中统多宝山组(O2d)及二叠系下统宝力格组(P1b)及第四系(Qh)。

区内以北东向断裂构造为主,主要有F1 和F2。F1 断裂控制矿体的分布,为成矿期构造,位于矿区中南部,为矿区内主要控制构造,延长800 m,断裂带宽20～50 m,断层面产状:倾向293°～305°,倾角50°～80°,断层性质为压性；断裂带内岩石节理裂隙较发育。北西向断裂构造不明显,为成矿后构造。 F2 断裂位于矿区中部偏北处,延长400 m,断裂带宽10 ～30 m,断层面产状:倾向315°～320°,倾角60°～70°,断层性质为压性。 矿区内的北西向断裂一般规模较小不明显,为成矿后构造,仅局部节理裂隙发育,但对矿(化)体无明显破坏。

1.2 工程地质概况

根据以往地质资料、现场钻孔岩心工程地质编录成果,以及室内岩石物理力学参数试验研究成果,矿区工程地质岩组按岩性组成及力学特征分类,分为1 类土体、1 类岩体。

土体广泛分布于矿区,岩性以残坡亚砂土含碎石、风成砂为主,一般厚0.8 ～25 m,局部低洼处厚度可达38 m 以上。

岩体根据地层岩性、地质构造及节理裂隙发育程度、岩石质量指标(RQD)、岩体结构面特征及岩石力学特征,塌陷区岩体分为1 类地质岩组。

矽卡岩节理、裂隙闭合,一般为压-压扭性。 裂宽一般小于1 mm,调查区域个别裂隙宽度达到100 mm。充填物为方解石、石英、铁锌矿物等,整体胶结好。 调查区域基本无水,局部有地下水沿节理、裂隙渗出形成滴水,流量小于0.5 m3/h。 结构面以弯曲粗糙为主,少量平直粗糙。 调查区域结构面一般为Ⅴ级结构面,仅发育3 条Ⅳ级结构面(占1.28%)。

凝灰岩节理、裂隙闭合,一般为压-压扭性。 裂宽一般小于1 mm。 充填物为石英、铁锌矿物等,整体胶结好。 调查区域基本无水,局部潮湿或有地下水沿节理、裂隙渗出形成滴水,流量小于0.5 m3/h。 结构面以弯曲粗糙为主,少量平直粗糙。 调查区域结构面一般为Ⅴ级结构面,仅发育6 条Ⅳ级结构面(占2.67%)。

1.3 开采现状

矿山采矿面积为2.40 km2,开采深度由+1 227 m至+890 m 标高。 在同一水平内按照由上盘到下盘开采顺序。 中段开采顺序为自上中段到下中段。 在中段水平上自北翼风井向提升井由远及近后退式回采。 对厚大矿体使用无底柱分段崩落法,薄到中厚、及厚大矿体的边角部分使用浅孔留矿法和分段空场法。

目前,井下998 m 分层以上分层已经回采完毕,现回采998 m、986 m、976 m、962 m、950 m 分层,下部分层正在开拓巷道。

1.4 岩体力学参数

在开展室内岩石力学基础上,采用RQD 分级法、节理岩体的CSIR 分级法、Q 系统分级法、GSI 分类法、岩土规范法等对塌陷区边坡岩石物理力学试验参数进行工程处理,得到了岩体综合力学参数如表1 所示。

表1 塌陷区边坡岩土体力学参数

2 塌陷区概况

2.1 塌陷区形成

查干敖包铁锌矿矿区于2005 年开始有大量地表建筑物出现,随着矿山的生产运行,地表在2008 年末出现塌陷坑。 2009 年后,随着井下矿体的开采,塌陷坑塌陷规模逐渐扩大。 2019 年初,地表塌陷已发展成一个近似椭圆的、南北约275 m、东西约210 m 的塌陷坑,坑口面积约5.4 万平方米。

查干敖包铁锌矿于2008 年6 月按1158 中段放顶设计进行了放顶施工之后,井下采空区垮塌冒落后与地表连通,形成最初的地表塌陷坑。 由于地表塌陷坑一般不会一次形成,在2008 年之前井下矿体开采已经导致了采空区上覆岩层的垮塌冒落,形成了较大的冒落空区。 2008 年6 月1158 中段放顶施工触发了地表塌陷坑的最终形成。 该塌陷坑与卫星遥感图像显示的塌陷坑在形成时间上一致,在形成后的图像中可以看到,随着矿山的开采,塌陷坑范围不断发展扩大。

2.2 塌陷区现状

随着矿山生产的推进, 2019 年5 月塌陷区已形成一个南北长约275 m、东西宽约210 m 的开口近似椭圆、呈漏斗状的塌陷坑,见图1。 其上口面积约5.4 万平方米,下口约0.78 万平方米,最大深度135 m,经测算塌陷坑陷落漏斗体积约267 万立方米。 塌陷坑范围地表高程约+1 170～+1 220 m,陷坑周边区域总体呈北部低、东南和西南高。

图1 塌陷坑周边地形地貌

在塌陷坑的东侧与东南侧170 m 左右存在主副井、矿区工业场地、发电机房、信号塔与值班室等建筑(构)物。 塌陷坑的西侧没有任何建筑(构)物,只是坡度较缓的山坡。 塌陷坑的南侧有生活区,但距离较远。塌陷坑的北侧有矿山运输公路,东北侧有氧化矿堆放场地。 随着地下矿体的开采,上盘岩体会渐进崩落垮塌,塌陷坑会逐渐变大,且会沿着走向和上盘的方向发展,总体上预测会向西部及西北发展。

2.3 塌陷区发展

为了得到塌陷区发展趋势,通过对塌陷坑现场调查,分析其垮塌崩落规律,以便预测塌陷区的发展。

由现场调查结果可知,塌陷坑在东西南三侧形成了陡立的岩体临空面,高度在70 ～135 m 范围,主要以倾倒形式破坏垮塌,不断向岩体临空面后侧发展。 塌陷坑北侧目前已形成了滑坡,主要以弧形滑坡形式向后侧发展,边坡坡肩出现错台裂缝。

随着地下矿体的开采,塌陷区逐渐扩大,主要发展方向为西部及北西向。

3 数值模拟

3.1 建立数值模型

Rhino(犀牛)专业3D 造型软件具有强大的前处理功能,利用kubrix 和griddle 能进行复杂地质体及工程结构的网格划分。 将Rhino 建立的模型导入FLAC3D中,见图2。

图2 三维数值模型

模型中限制边界条件和自由面,即在x=600 675 m、601 612 m 平面上所有节点在x方向固定,即滑动铰支座；y=5 096 694 m、5 097 577 m 平面上所有节点在y方向固定,即滑动铰支座；z=769 m 平面上所有节点在x、y、z方向上固定,即固定铰支座；地表为自由面。 三维数值模拟采用摩尔-库伦本构模型和摩尔-库仑屈服准则。

根据矿山的工程地质特征,计算中考虑了6 种力学介质:矽卡岩(风化带)岩土、矽卡岩(完整带)、第四系、凝灰岩(完整带)、凝灰岩(风化带)、塌陷坑废石,其力学参数见表1。

3.2 结果分析

为了得到塌陷坑随地下矿体开采的发展趋势,在塌陷区现状基础之上,通过数值模拟方式模拟分析了地下矿体开采过程,得到了塌陷区位移与塑性区分布,见图3～5。

图3 塌陷区上盘岩体位移云图

图4 岩体位移剖面图

图5 岩体塑性区分布

由图3 可知,随着地下矿体的开采,上盘岩体会逐渐垮塌崩落。 以塌陷区现状为基础,当井下矿体开采完毕后,上盘岩体垮塌崩落范围预测为长轴412 m、短轴312 m。

由图4 可知,岩体位移主要发生在上盘,下盘岩体相对稳定。 上部岩体位移大于下部岩体位移。 随着地下矿体的开采,上部岩体垮塌崩落到采空区中。

由图5 可知,随着地下矿体的开采,现有塌陷区岩体以及上盘岩体均有塑性区分布,说明现有塌陷坑会进一步垮塌崩落,且发展方向为上盘塑性区分布的方向。 数值模拟分析得到的塌陷区发展方向与现场调查分析结论一致。

4 结 论

为了得到查干敖包铁锌矿塌陷区后期发展情况,依据现场调查为基础,建立含地下采空区和塌陷坑的三维模型,模拟矿体开采情况,得到了塌陷区位移与塑性区分布情况:

1) 塌陷坑在东西南三侧形成了陡立的岩体临空面,主要以倾倒形式垮塌,不断向岩体临空面后侧发展。 塌陷坑北侧目前已形成滑坡,主要以弧形滑坡形式向后侧发展。

2) 随着地下矿体的开采,塌陷区逐渐扩大,主要发展方向为西及北西向。

3) 随着地下矿体的开采,上盘岩体会逐渐垮塌崩落。 以塌陷区现状为基础,当井下矿体开采完毕后,上盘岩体垮塌崩落范围预测为长轴412 m、短轴312 m的椭圆。

4) 随着地下矿体开采,现有塌陷区岩体以及上盘岩体均有塑性区分布。 现有塌陷坑会进一步垮塌崩落,且发展方向为上盘塑性区分布的方向。 数值模拟分析得到的塌陷区发展方向与现场调查分析结论一致。