基于现场监测与数值模拟结合的采动诱发围岩失稳与地表沉降研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.02.011

摘要/Abstract

摘要：

基于3Dmine与无人机倾斜摄影技术建立集成真实地表地貌、矿体及巷道的三维地质模型，结合Rhino6-FLAC^3D建立矿体回采数值计算模型，对浅部岩层移动和地表变形的影响进行模拟分析，结合InSAR地表变形监测数据对模拟结果的有效性进行对比验证。结果表明：模拟结果与InSAR地表变形监测数据具有较好的一致性，表明基于多手段的数值建模计算与现场监测数据相结合的分析方法的有效性；对空场采矿法残留的采空区采用废石充填能够在有效控制空区围岩塑性区发展基础上维持充填体稳定性；矿区深部矿体的回采与充填可能对浅部已充填采场围岩的稳定性产生一定影响，浅部已充填采场受扰动严重程度与深部作业区域距离呈负相关；由InSAR监测数据和数值模拟结果可知，深部矿体回采扰动和浅部空区二次破坏对地表沉降影响较小.

关键词: 地表变形, 采空区, 数值模拟, 充填体, InSAR监测

Abstract:

A three-dimensional geological model integrating real ground topography, ore bodies, and tunnels was established by 3Dmine and UAV. Combined with Rhino6-FLAC^3D, a numerical calculation model for ore body extraction was developed. The impact of rock movement and surface deformation was simulated and analyzed. The effectiveness of simulation results was verified through InSAR monitoring. The results indicate that the simulation results are consistent with InSAR monitoring, indicating that the research method combining monitoring and simulation is effective. For the goaf left by open-pit mining, dry filling can limit the damage of surrounding rock and filling body. The stability of shallow filled mining areas might be affected by deep operations in the mining area, and there is a negative correlation between the severity of disturbance and the distance from deep work areas. According to InSAR monitoring and numerical simulation, the impact of goaf destruction and mining disturbance on the surface subsidence is weak.

Key words: surface deformation, goaf, numerical simulation, filling body, InSAR monitoring

中图分类号:

TD 853

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图/表 25

图1 基于3Dmine的矿体三维地质模型

Fig. 1 3D geological model of ore body based on 3Dmine

图2 基于无人机摄影-3Dmine-Rhino-FLAC3D多手段建立的数值计算模型

Fig. 2 Numerical calculation model based on multi means of UAV?3Dmine?Rhino?FLAC3D

图3 模拟方案

Fig. 3 Simulation scheme

图4 模型俯视图

Fig. 4 Top view of model

表1 FLAC3D数值模拟参数

Table 1 FLAC3D numerical simulation parameters

名称	块体密度/（g·cm^-3）	变形模量×10^-4/MPa	抗拉强度/MPa	内聚力C/MPa	内摩擦角 $φ$ /（°）	泊松比
矿体	3.875	2.09	4.84	8.37	42.86	0.21
浅部围岩	2.72	0.10	0.1	0.26	35.06	0.26
深部围岩	2.72	5.20	5	13.00	35.06	0.26
破碎带	2.72	0.05	0.14	0.40	31	0.26
废石充填	2.72	2.11	2.4	6.25	35.06	0.26
胶结充填	2.02	0.12	0.4	0.93	40	0.28

表1 FLAC3D数值模拟参数

Table 1 FLAC3D numerical simulation parameters

名称	块体密度/（g·cm^-3）	变形模量×10^-4/MPa	抗拉强度/MPa	内聚力C/MPa	内摩擦角 $φ$ /（°）	泊松比
矿体	3.875	2.09	4.84	8.37	42.86	0.21
浅部围岩	2.72	0.10	0.1	0.26	35.06	0.26
深部围岩	2.72	5.20	5	13.00	35.06	0.26
破碎带	2.72	0.05	0.14	0.40	31	0.26
废石充填	2.72	2.11	2.4	6.25	35.06	0.26
胶结充填	2.02	0.12	0.4	0.93	40	0.28

图5 采用空场采矿法对浅部矿体（+928～+808）回采后的力学响应（a）—最大主应力云图；（b）—塑性区云图.

Fig. 5 Mechanical response after mining of shallow ore body （+928～+808） by open stoping method

图6 对西部浅部空区（+928～+808）采用废石充填后的力学响应（a）—最大主应力云图；（b）—塑性区云图.

Fig. 6 Mechanical response after filling the western shallow goaf （+928～+808） with waste rock

表2 浅部空区充填前后塑性区体积

Table 2 Plastic area volume before and after filling of shallow goaf

浅部空区充填前塑性区体积×10^-9/m³	浅部空区充填后塑性区体积×10^-9/m³	增长率/%
1.605 4	1.605 64	0.015

图7 矿体与地表建（构）筑物位置关系

Fig. 7 Location relationship between ore body and surface buildings （structures）

表3 各监测点地表沉降数值计算结果

Table 3 Numerical calculation results of surface subsidence at each monitoring point

建（构）筑物	地表沉降数值计算结果/mm
副井	-44.65
办公生活区	-17.32
岩芯库	-10.62
选厂、主井	-25.104
炸药库	-18.804
变电所	-36.01

图8 768中段回采结束后最大主应力云图

Fig. 8 Nephogram of maximum principal stress after stoping in the middle section of +768

图9 768中段开采充填后塑性区云图

Fig. 9 Nephogram of plastic zone after mining and filling in the middle section of +768

图10 728中段开采充填后塑性区云图

Fig. 10 Nephogram of plastic zone after mining and filling in the middle section of +728

表4 +808中段随深部矿体开采的塑性区体积

Table 4 Volume of plastic zone along with deep ore body mining in the middle section of +808

回采进程	+808中段塑性区体积/m³
浅部空区充填	0
+768中段回采—充填	12 438.1
+728中段回采—充填	17 522.6
+688中段回采—充填	19 726.8
+648中段回采—充填	20 005.1
+608中段回采—充填	20 349.7
+568中段回采—充填	20 691.5
+518中段回采—充填	20 814.6
+468中段回采—充填	20 880.8
+428中段回采—充填	20 880.8
+378中段回采—充填	20 880.8
+328中段回采—充填	20 880.8
+278中段回采—充填	20 880.8

图11 278中段回采与充填后浅部空区塑性区云图

Fig. 11 Nephogram of plastic zone of shallow goaf after mining and filling in the middle section +278

图12 928～+768中段充填体沉降云图

Fig. 12 Nephogram of filling body settlement in the middle section +928～+768

表5 深部矿体回采充填导致的地表沉降值

Table 5 Surface subsidence value caused by mining and filling of deep ore body

建（构）筑物	地表沉降值/mm
副井	-0.16
办公生活区	-0.23
岩芯库	-1.35
选厂、主井	-1.65
炸药库	-0.008
变电所	-0.03

图13 InSAR监测点分布

Fig. 13 Distribution of InSAR monitoring points

图14 地表建筑物InSAR监测数据

Fig. 14 InSAR monitoring data of surface buildings

图15 2020年5月InSAR地表累积沉降值

Fig. 15 Accumulated surface subsidence value of InSAR in May 2020

表6 FLAC3D数值模拟结果与InSAR地表变形监测结果

Table 6 FLAC3D numerical simulation results and InSAR surface deformation monitoring results

建（构）筑物	地表累积沉降值/mm	InSAR地表沉降监测结果/mm	最大允许变形值/mm
副井	-44.978	-46	-450
办公生活区	-17.816	-11	-480
岩芯库	-13.382	-5	-200
选厂、主井	-28.969	-27	-270
炸药库	-18.814	-22	-252
变电所	-36.046	-34	-480

表7 两种矿柱回收方案最大主应力云图

Table 7 Maximum principal stress nephogram of two pillar recovery schemes

回采方案	最大主应力云图
由西到东
由东到西

表8 两种回采方案引起的地表沉降值 (mm)

Table 8 Surface subsidence value caused by two mining schemes

建（构）筑物	自西向东	自东向西
副井	-0.172	-0.172
办公生活区	-0.278	-0.278
岩芯库	-1.433	-1.433
选厂、主井	-2.227	-2.227
炸药库	-0.001 4	-0.001 4
变电所	-0.032 7	-0.032 7

表9 两种回采方案产生的围岩塑性区体积 (m3)

Table 9 Plastic zone volume of surrounding rock produced by two mining schemes

塑性破坏状态	自西向东	自东向西
正在拉伸破坏	7.362 7e6	7.926 71e6
正在剪切破坏	5.336 12e7	5.429 84e7
已拉伸破坏	2.863 08e8	2.863 08e8
已剪切破坏	1.326 28e9	1.326 28e9

表10 残矿回收后地表累积沉降值预测

Table 10 Prediction of accumulated surface subsidence value after residual ore recovery

建（构）筑物	残矿回收后地表变形预测结果/mm	最大允许变形值/mm
副井	-45.15	-450
办公生活区	-18.094	-480
岩芯库	-14.815	-200
选厂、主井	-31.196	-270
炸药库	-18.815	-252
变电所	-36.079	-480

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