基于离散元的倾斜薄矿体开采对上部隔水层稳定性的影响

郭延辉，李克钢，王建国，杨志全，杨八九

(1. 云南农业大学 建筑工程学院，昆明 650201；2. 昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；3. 云南亚融矿业科技有限公司，昆明 650093)

随着国家对矿产资源需求的不断增加和开采规模的不断扩大，越来越多的矿山企业不得不转向深部开采和那些开采条件极其复杂的矿山[1-2]。强富水金属矿山作为开采技术条件极其复杂的一类矿山，越来越受到人们的关注，若矿体回采的方法或预留矿柱不合理，往往会破坏隔水层的稳定性，从而引起采场及巷道涌水量大大增加，严重影响到矿山企业的安全生产[3-4]。本文以某铅锌矿倾斜薄矿体开采对上部隔水层的稳定性为研究对象，在现场调研和岩石力学实验的基础上，采用离散单元法2D-block，探讨矿体开采对上部隔水层的稳定性的影响，为矿山开采及隔水层的保护提供理论支撑，同时为类似工程条件下矿体的回采提供参考。

1 工程概况

某铅锌矿区地处保山—镇康弧后盆地中部姚关—酒房复式向斜南缘，位于近南北向的勐兴次级向斜构造之东翼。矿区出露地层有第四系、侏罗系中统、三叠系中统、泥盆系中下统、志留系、奥陶系、寒武系公养河群变质岩等。矿体主要赋存于志留系中统(S21) 生物碎屑灰岩中，呈似层状、透镜状、豆荚状顺层产出，产出状态与围岩一致。矿体走向近南北向，西倾，矿带延伸近10 km，倾角29°～70°。岩性主要为砂岩，一般为千枚岩、层纹灰岩、矿体、结晶灰岩等。 研究区段矿体35°～60°，主要采用全面留矿法。

区域所属的水文地质单元为一完整的岩溶地下水均衡区，地下水主要以暗河形式由南而北排入怒江，次级水文地质单元又可分为岩溶水区和裂隙水区。以泥盆系灰岩与志留系千枚岩为界，西为岩溶水区，东为裂隙水区，铅锌矿床则处于怒江与勐兴坝子之间的分水岭以西斜坡地带的裂隙水区内。志留系(S)为矿区含矿岩系，也是与矿床充水有关的地层，根据岩层水文地质特征可划分为两个含水层和两个隔水层。含水层包括志留系中统上段(S22上含水层)和志留系下统(S1下含水层)两个层位；隔水层包括志留系上统(S3)和中统下段(S21)两个层位。上隔水层(S3)为灰色、灰黑色、紫色薄层状千枚岩，称为一般千枚岩，是矿区两个含水层的隔水顶板，隔水性良好，对矿床地下水向勐兴坝子排泄起隔水作用，隔水层厚度48～120 m。

2 宏观岩体力学参数

数值仿真所采用的的矿岩宏观岩体力学参数，是在室内实验的基础上得到各岩块力学参数基础上，采用Hoek-Brown强度准则和经验折减而确定[5]，计算采用各岩性宏观岩体力学参数见表1所示。

表1 岩体力学参数表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

3 倾斜薄矿体开采离散元模拟分析

3.1 计算模型的建立

计算模型以矿区20#勘探线为例，根据该勘探线岩层分布的实际情况，构建离散单元法模型。模型采用与矿岩体倾向、倾角一致的结构单元，单元大小为：远离矿体的间接底板砂岩、间接顶板一般千枚岩采用5 m×5 m的结构单元，矿体、直接顶底板层纹灰岩、顶板砂岩采用2 m×2 m的结构单元，20#勘探线剖面计算模型单元划分为34 768个。计算模型图见图1所示。

3.2 开采模拟采用弹塑性模型

3.2.1 地下开采卸荷模拟方法

矿体开采卸荷其本质相当于在初始应力的作用下岩体中施加了一个反向拉应力[6-7]，所以数值模拟仿真过程中，假如将岩体卸荷以前的应力状态视为初始应力状态，那么卸荷应力可以看作为作用在同一岩体上的拉应力，最大拉应力大小为σ0+Rt，σ0+Rt值看作是等效抗拉强度。也就是说卸荷问题本质是由卸荷前的应力、应变场和卸荷应力、应变场相叠加。卸荷应力分解如图2所示。

图1 计算模型图Fig.1 Computational model diagram

图2 卸荷应力分解图Fig.2 Stress decompose of unloading

3.2.2 地下开采卸荷模拟采用弹塑性模型

计算模拟选用的屈服准则为Drucker-Prager准则[8]，是在Mohr-Coulomb准则和Mises屈服准则的基础上发展而来，能够比较地模拟分析岩体的破坏强度特性。该屈服准则的表达式如下：

(1)

3.3 计算方案

数值模拟计算分为两种情况：1)完全空场条件下不同开采深度上盘围岩的破坏范围；2)各中段之间预留6 m顶底柱，采场内留3 m×3 m点柱，点柱之间跨度6 m，分析不同开挖深度对上盘围岩的影响。分步开采计算步骤为：1)初始模型，不开挖；2)开采至600 m水平；3)开采至500 m水平；4)开采至400 m水平；5)开采至300 m水平。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 完全空场情况隔水层的稳定性

计算模拟第一步，把外部荷载及边界约束施加到所研究的区域中，形成初始应力场。计算模拟第二步，将矿体开采至600 m水平后，矿体上盘围岩出现垮塌及离层现象，上盘围岩最大垮塌高度约为12 m。计算模拟第三步矿体上盘围岩出现垮塌及离层的范围明显增加，上盘围岩最大垮塌高度约为44 m。计算模拟第四步，矿体上盘围岩出现垮塌及离层的范围与开采至500 m相比没有明显变化，从剖面局部放大图中可以看到上盘围岩最大垮塌高度也没有明显变化，上盘围岩最大垮塌高度仍为44 m左右。说明400 m水平以上矿体开采后，不足以影响上部隔水层的稳定，顶板冒落范围距隔水层约有20 m距离。计算模拟第五步，当矿体回采至300 m水平后，矿体上盘围岩出现垮塌及离层的范围比起开采至500 m、400 m水平又有了明显增加，上盘围岩最大垮塌高度约为74 m，此时垮塌范围已超出隔水层大约10 m，隔水层局部已发生破坏。图3为完全空场情况下回采至各水平后顶板位移分布图。

图3 完全空场情况下回采至各水平后顶板位移分布Fig.3 Distribution map of roof displacement after mining in all open spaces

3.4.2 预留顶底柱、间柱情况下隔水层的稳定性

本方案是在各中段之间预留6 m顶底柱，采场内留3 m×3 m点柱，点柱之间跨度6 m，分析不同开采阶段对顶板及上部隔水层的影响。模拟第一步，不进行任何开挖活动，把外部荷载及边界约束施加到所研究的区域中，形成初始应力场。将矿体开采至600 m水平，上盘围岩最大垮塌高度约为6 m。矿体开采至500 m水平， 矿体上盘围岩出现垮塌及离层的范围有所增加，上盘围岩最大垮塌高度约为12 m，与空场条件下的44 m有较大区别，说明预留顶底柱、点柱对抑制顶板冒落有明显的作用。模拟第四步，是在第三步的基础上将矿体开采至400 m水平，上盘围岩最大垮塌高度仍为12 m左右，离隔水层大约还有50 m距离，因此，在预留顶底柱、点柱的情况下，矿体开采至400 m不会对隔水层造成破坏。模拟第五步将矿体开采至300 m水平，矿体上盘围岩出现垮塌及离层的范围有所增加，上盘围岩出现离层的位置与开采至400 m水平相比大约增加了6 m，最大垮塌高度约为18 m，与空场条件下的离层74 m相比，离层的范围仅为空场状态下的四分之一，且隔水层与矿体的距离约为60 m左右，说明预留顶底柱、点柱情况下，矿体开采后不会对隔水层造成破坏。图4为两种不同情况下回采至各水平后顶板最大垮塌高度对比图。图5为预留顶底柱和间柱情况下回采至各水平后顶板位移分布图。

图4 两种不同情况下回采至各水平后顶板最大垮塌高度对比图Fig.4 Comparison of the maximum collapse height at two different conditions

4 结论

1)采用离散元法模拟矿体不同开采深度情况下，顶板及上覆岩层移动破坏规律及其力学行为进行科学分析，研究结论符合岩体力学的规律，在方法上是可行的。该方法形象直观，能较好地模拟各步骤开挖情况下顶板及隔水层稳定性及其破坏过程。

2)在完全空场条件下，矿体开采至600、500、400、300 m水平时上盘围岩最大垮落范围约为12、44、44、74 m，而隔水层距矿体的距离约为60 m，因此，在完全空场条件下，矿体开采至400 m时，冒落区顶板距隔水层有20 m。在当矿体开采至300 m时上盘围岩最大垮落范围约为74 m，顶板破坏范围已超过隔水层14 m，所以在完全空场条件下，矿体开采至300 m时将会影响到隔水层的稳定。

图5 预留顶底柱和间柱情况下回采至各水平后顶板位移分布图Fig.5 Roof displacement distribution of reserved pillar and barrier pillar after mining to all levels

3)预留6 m顶底柱、3 m点柱情况下，矿体开采至600、500、400、300 m水平时上盘围岩最大垮落范围约为6、12、12、18 m，均不会影响到隔水层，说明预留顶底柱、点柱对抑制顶板冒落有明显的作用，表明在开采过程中预留顶底柱、间柱以及点柱十分必要。预留6 m顶底柱、3 m点柱能够确保上部隔水层的稳定性。研究成果为矿区后续开采提供参考。