《典型算例模拟演示》之岩层移动

ISSN1671-2900采矿技术第20卷第2期2020年3月CN43-1347/TD Mining Technology，Vol.20，No.2Mar.2020水下开采岩层移动变形规律及突水类型分析张平发(赤峰中色白音诺尔矿业有限公司，内蒙古赤峰市025450)摘要:采用数值模拟手段对某大型海底矿山开采岩层移动变形规律进行分析，并结合矿山水文地质和开采技术条件探讨矿体主要开采突水类型及其机理，研究结果表明：急倾斜矿体开采下盘破碎带加速了夹持下盘中间岩体的破坏，同时采空区为中间岩体的运动创造了条件，并为急倾斜不稳定破碎带提供了塌落空间，造成破碎带失稳，引起下盘采准巷道塌方和抽冒；西南翼矿体开采可能存在巷道塌方抽冒型突水和下盘滑移型突水2种突水类型，且发生巷道塌方抽冒型突水的可能性最大，矿山生产中应加强对破碎带稳定性的监测评估和水样调查分析，及早进行预警。

关键词:海底开采;破碎带;岩层移动;突水类型;机理分析0引言某金矿是目前世界上唯一在采的海底大型金属矿山，生产能力达到13000t/d，下属新立矿区位于莱州湾畔，矿区西南翼矿段（119#~179#）被海水和第四系覆盖，其中海水深度10m以内，第四系为厚度不明、连续性不详的砂砾层及厚度约0.5~1.5 m的黏土隔水层组成[1-2]。

西南翼矿段矿体厚度约14~45m，倾角60°~75°左右，除上盘紧覆矿体存有F1大断裂外，靠近下盘矿体存在一厚度较大、倾角为50°~80°左右的极不稳定的破碎带，破碎带内次生裂隙多，松散无碎胀，稍微受扰动即发生失稳冒落，下盘井巷工程难以形成[3]。

目前，西南翼矿段采用点柱式上向分层充填和上向进路充填采矿法进行海下开采，且盘区留有3~5m间柱，自−165~−400m中段均进行了不同程度的回采[1,4-7]。

由于西南翼矿段矿体倾角陡、上下盘为破碎带、充填体具有可压缩性以及充填质量差、海下开采多中段多采场同时高强度作业、采场走向上连通后空区暴露体积大、爆破震动效应强和矿山支护系统选择不当等，采场顶板及围岩巷道出现了大量坍塌与抽冒现象，突水风险极大，给海下开采带来重大安全隐患[3,8-11]。

第一节 煤矿地表岩移观测点及观测线设计一、参数取值由于煤矿过去未开展过岩移工作，没有地表移动各项参数，因此采用类比的方法取用各参数。

该煤系地层上覆岩性可定为中硬，参照《煤矿测量手册》取定各参数如下：走向移动角：δ=550 上山移动角：γ=550 下山移动角：β=550最大下沉角：θ=90-0.6α 松散层移动角：Φ=450煤层移动角的修正值：Δγ=Δδ=Δβ=200α――为煤层倾角 二、平面位置设计 1、走向观测线的设计根据最大下沉值，在倾向主断面上确定出地表最大下沉点，通过该点沿矿体走向做剖面线，即得到走向观测线平面位置，并且依据移动角值确定开采影响范围的边界点。

工作面地表岩移观测站沿走向布设一条观测线。

2、倾向观测线的设计倾向观测线位于主断面内，和走向观测线垂直，在走向主断面图上自开切眼用(δ-Δδ)角和Φ角向工作面推进方向划线交地表于E 点，倾向线必须在工作面推进方向上超过E 点的位置。

观测站布设两条倾向观测线。

3、观测线的长度设计观测线的长度应保证两端（半条观测线时为一端）超出采动影响范围，以便建立观测线控制点和测定采动影响边界。

设站时移动盆地边界是根据地质采矿条件类似的其它矿区的沉陷参数类比确定的。

设置走向观测线的具体做法：自开切眼向工作面推进方向，以角值(δ-Δδ)划线与基岩和松散层交接面相交，再从交点以Φ角划线与地表相交于H 点。

H 点便是不受邻区开采影响的点。

在工作面停采线处，向工作面外侧用(δ-Δδ)角划线与基岩和松散层的交接面相交于一点，再从此交点用Φ角划线与地表相交于F 点。

在HF 方向上设走向观测线。

要求走向观测线和倾斜观测线垂直、相交，并稍微超过交点一段距离得G 点（G 点不得超过E 点），HF 便是走向观测线的工作长度，如图（2）。

走向观测线长度HF 按下式计算： l ctg h H ctg HF +∆-⨯-+=)()(220δδϕ 式中： h —表土层厚度 H 0—采深l —工作面走向长度工作面观测站沿走向布设一条观测线长约1000m。

第九章岩石力学的数值模拟分析岩石力学的数值模拟分析是一种重要的研究方法，可用于分析和预测岩石的力学行为和岩石工程的稳定性。

本文将介绍岩石力学数值模拟分析的基本原理、常用方法和应用领域。

首先，岩石力学的数值模拟分析基于岩石的力学性质和载荷作用，通过建立数学模型和求解相应的方程，模拟和预测岩石的变形、破裂和破坏过程。

这些数值模拟的基本原理是根据岩石的本构关系、边界条件和加载路径，将岩石体划分为有限元网格，通过有限元法或离散元法计算和求解岩石的应力、应变和位移场。

常用的数值模拟方法有有限元法和离散元法。

有限元法是一种通过将岩石体划分为有限个单元，建立单元内的应力和位移场，通过单元之间的连续性关系求解全局应力和位移场的方法。

离散元法是一种将岩石体划分为许多离散的颗粒或单元，通过求解颗粒之间的接触力和位移关系，模拟和分析岩石的力学行为的方法。

这两种方法在不同应用领域有不同的优势和适用性，通常根据具体的问题和要求选择合适的方法进行数值模拟分析。

这些数值模拟方法在岩石工程中有广泛的应用。

例如，在岩石开采、地下水开采和地下水储层的开发中，可以采用数值模拟方法分析岩石的稳定性和围岩的破裂和塌陷情况，指导工程的设计和施工。

此外，在岩石边坡、坝基和地下结构的稳定性分析中，数值模拟方法可以模拟和预测岩石的滑动、变形和破坏过程，评估岩石结构的安全性。

另外，在岩石隧道、地下洞室和地下储气库的设计和施工中，数值模拟方法可以模拟和优化岩体的开挖和支护过程，减少地质灾害的风险。

然而，岩石力学的数值模拟分析也面临一些挑战和限制。

首先，岩石的力学性质和行为是复杂和非线性的，需要准确的岩石参数和边界条件来建立数学模型和预测结果。

其次，数值模拟的计算量大，需要高性能计算设备和优化的算法来提高计算效率和准确性。

此外，数值模拟结果的验证和实验数据的比较是必要的，以确保模拟的准确性和可靠性。

总之，岩石力学的数值模拟分析是一种重要的研究方法，可以用于分析和预测岩石的力学行为和岩石工程的稳定性。

切眼
12 11 10
9
8
7
6
5
4
32
s11
1022工 作 面
s10
-305
1 基2 基1
s5
(a) 1022工作面
(b) Ⅱ1022工作面
-550
Ⅲ10
Ⅱ 1022风 巷
Ⅰ35
Ⅰ30
Ⅰ25 交1
Ⅰ20
Ⅰ17 Ⅰ16
s1
交2
Ⅲ13 Ⅲ15
Ⅱ1022工作面
N1
w1 N2 w
w
2
3
w5
Ⅱ 1022机 巷 -618
-200
800 700
下沉速度 mm/d
600
180m处测点Ⅰ
500
130m处测点Ⅱ
400
孔口地面
300
200 100
0 -100-100 0
-200 -300
100 200 300 400 31401工作面与S18孔间距 /m
关键层运动对岩层移动与破坏影响
The research of numerical simulation
Poisson’s ratio
Volume
weight (104kN/m3)
Internal friction angle
(º)
Tensile strength (MPa)
0.29
2.0
5
0.05
0.2
2.7
32
5
0.22
2.5
25
1.2
0.17
2.7
32
2.1
0.2
2.5
25
1.2
关0键.23层运动对岩1.3层移动与1破8 坏影响0.8