上向水平分層充填法采礦地表變形研究

王 偉 李云安 王欽剛 胡麗珍 雷 銀 鄒濟韜

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430000)

上向水平分層充填法采礦地表變形研究

王 偉 李云安 王欽剛 胡麗珍 雷 銀 鄒濟韜

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430000)

開采地下礦產(chǎn)會造成地表開裂、變形，破壞建筑物，對人們的生產(chǎn)、生活造成嚴重的影響，礦區(qū)地表變形問題一直是影響礦山安全生產(chǎn)的一個重要方面。應用FLAC3D數(shù)值分析軟件，建立三維地質模型，模擬計算司家營鐵礦分步開采回填后相應地表變形情況，并與經(jīng)驗公式計算的地表沉降值進行對比分析。提出了司家營礦區(qū)地表變形的一般規(guī)律及變形機制，對地表變形的地質災害做出分析評價。研究結果表明，上向水平分層填充法采礦能有效的控制地表變形問題，填充體對減小變形具有重要的作用。對比分析表明數(shù)值模擬結果比經(jīng)驗公式結果偏小，但在合理許可范圍內(nèi)，表明FLAC3D是預測地表變形的一種有效手段,對其他相似采礦引起的地表變形研究和預測具有重要的參考價值。

上向水平分層充填法 地表變形 數(shù)值模擬 經(jīng)驗公式

隨著國內(nèi)外資源日趨減少，而國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展對鋼鐵需求的不斷增長。由于開采深度增加，環(huán)境保護要求嚴格，充填采礦法適應性強，礦石回采率高，貧化率低，作業(yè)較安全，能利用工業(yè)廢料，保護地表等，充填采礦法的應用比例逐年增加。上向水平分層充填法是自下而上分層回采，每分層先采出礦石，而后填入充填料，以支撐采空區(qū)兩幫和作為工作平臺。該方法為工作面循環(huán)作業(yè)，鑿巖爆破、出礦、充填和護頂完成一個循環(huán)后，進行下一分層的循環(huán)；回采空間和范圍可以控制，可以用任何充填材料進行充填[1-3]。

礦區(qū)地表變形問題一直是礦山安全生產(chǎn)的一個重要方面，研究人員運用很多方法研究這一問題，常用的研究方法有現(xiàn)場監(jiān)測、理論研究、物理模擬及數(shù)值模擬等方法，每種方法有其各自的特點。礦區(qū)的地表變形是一個非常復雜的問題，影響因素有很多，包括礦山的開采方法、地層產(chǎn)狀、巖土體的物理力學性質、結構構造、地下水等等。

近年來，數(shù)值模擬方法應用非常廣泛，它可以模擬任意尺度的地質體，有非常強的可操作性和可重復性，這是其他研究方法所不具有的特點。對于本研究的地表變形問題，數(shù)值模擬可以很好的模擬真實開挖填充的全過程，把影響范圍內(nèi)的巖土體作為一個整體進行分析，獲得普遍適用的規(guī)律。

本研究采用有限差分方法，選擇由美國Itasca公司開發(fā)的大型巖土工程計算軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模擬，研究上向分層水平充填法采礦引起的地表變形規(guī)律及機制。

1 鐵礦工程地質概況

司家營南區(qū)位于華北臺塊東北端次級構造單元—燕山臺褶皺帶的古隆起東南部位。礦區(qū)地層主要為前震旦系、震旦系和第四系地層。司家營鐵礦為一大型鞍山式沉積變質鐵礦床，以S6勘探線為界，分南北兩區(qū)，總面積約為36 km2，南區(qū)為大賈莊礦段。選取大賈莊礦段Ⅰ礦體為數(shù)值模擬對象，位于S66線以北，S58線以南。該段礦體均為第四系覆蓋之下的隱伏礦體。礦體主要賦存于黑云變粒巖中，產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體走向近南北，傾向西，傾角30°～60°。礦石普氏硬度系數(shù)f=12～16。區(qū)內(nèi)構造不發(fā)育。礦區(qū)地表條件較為復雜，新河位于礦區(qū)東側并穿過礦區(qū)上部。礦區(qū)地表為村莊和農(nóng)田，村莊比較密集。采礦條件復雜對研究采礦引起的地表變形具有非常重要的影響。

綜合礦體賦存條件、開采條件和開發(fā)建設環(huán)境、要求等因素，設計確定采用地下開采，采礦方法采用上向水平分層充填采礦法。上向水平分層充填法的優(yōu)點主要是對礦體賦存條件適應性好，夾石易剔除混入率較低，上盤暴露面積小并且容易控制。本研究采用現(xiàn)場勘查分析、數(shù)值模擬研究和經(jīng)驗公式計算分析等綜合手段研究了地表規(guī)律，為沉降變形預測及防治提供了重要的理論依據(jù)。

2 建立三維數(shù)值模型

2.1 計算模型的建立

基于司家營鐵礦大賈莊Ⅰ礦體的開采設計，為了實現(xiàn)多階段開采的數(shù)值模擬，本研究應用ANSYS 建立礦山三維數(shù)值模型并劃分網(wǎng)格，然后使用FLAC3D-ANSYS 接口程序導入到FLAC3D中進行數(shù)值模擬。從下到上建立了8個盤區(qū)，模擬依次開挖回填過程，盤區(qū)內(nèi)沿走向每隔100 m設4 m厚間柱，在盤區(qū)沿走向平均劃分為4個采場，每個采場長48 m。根據(jù)礦體開挖范圍，考慮數(shù)值計算模型的邊界效應，以礦體傾向方向為X軸方向，總長800 m; 以礦體走向方向為Y軸方向，取一個盤區(qū)的長度，即200 m; 以豎直方向為Z軸方向，總高450 m，地表高程450 m。整個三維模型的尺寸定為長×寬×高=800 m×200 m×450 m，具體模型見圖1。模型從上到下依次為地表第四系、強風化巖體、弱風化巖體、礦體及圍巖，此外模型中間還包括開挖礦體，具體模型見圖2。模型總共劃分51 960個單元，56 616個節(jié)點。為了研究地表變形的規(guī)律及機制分析，通過FLAC3D具有的跟蹤功能，地表中線處每40 m布置2個監(jiān)測點，分別監(jiān)測垂直位移及水平位移，共布置監(jiān)測點42 個。對這些點的位移情況進行全過程的追蹤記錄[4-6]。

圖1 ANSYS三維數(shù)值計算模型

圖2 工程地質分組模型

2.2 計算參數(shù)的選取

計算將采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則，在查明了礦區(qū)工程地質條件的基礎上，結合現(xiàn)場勘探資料和以往地質資料，巖土體和充填體力學參數(shù)采用表1中所確定的物理力學參數(shù)。

表1 巖土體的物理力學參數(shù)

該三維數(shù)值計算模型的幾點假設：①采用彈塑性物理模型，選取摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則；②假設巖層為均質、各向同性連續(xù)介質，不考慮動荷載及復雜應力的作用；③根據(jù)水壓致裂地應力測量原位試驗得到的應力值，能較好的模擬真實應力情況，前后、左右邊界施加梯度應力邊界條件，下邊界約束水平X、Y向和豎直Z向位移，上邊界(地面)為自由面；④模擬計算首先讓模型在應力、位移邊界條件作用下穩(wěn)定,建立初始自重應力場,然后清除初始應力產(chǎn)生的位移,逐步模擬開采回填過程，記錄每一次開挖回填后監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。

3 計算結果分析

根據(jù)采礦方案設計，對該模型礦體進行8步開挖回填，通過模擬得到應力場、位移場，研究開挖回填過程和填充體對地表變形的影響。

通過地表設置的42個監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)，繪制各監(jiān)測點垂直位移及水平位移變化曲線，如圖3、圖4所示。約定垂直位移以向上拱起為正，以向下沉降為負；水平位移以向右為負，以向左為正。

圖3 地表監(jiān)測點垂直位移變化曲線

圖4 地表監(jiān)測點水平位移變化曲線

由圖3可得，垂直變形曲線為V字形。隨著開采回填的進行，沉降范圍逐漸擴大，沉降量也逐步增大，最大沉降量為325.3 mm，位于地表水平距離320 m處；而拱起變形范圍逐漸減小，沉降量也慢慢減小，最終變形值為39 mm。因礦體傾斜的緣故，沉降中心位于上盤靠近礦體的地方，隨著開采的進行，其沉降中心也發(fā)生變化，逐漸向右移動。上盤的變形值和變形范圍大于下盤。

由圖4可得，水平變形曲線為正弦曲線形狀。地表水平位移上盤明顯大于下盤，因為礦體傾角的因素，上盤位移大約是下盤位移的2倍，位移值隨開挖深度的減小而增大。向左變形最大值為261 mm，位于地表220 m處；向右變形最大值為138 mm，位于地表520 m處。開采深度對地表變形特征有很大的影響，隨著開采深度的減少，地表的各種變形隨之增大。

4 經(jīng)驗公式計算分析

依據(jù)該礦區(qū)的覆巖巖性、地質構造以及司家營鐵礦開采方案等情況，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》附錄五中類似礦區(qū)的地表移動參數(shù)，選取合適的計算參數(shù)，按下列經(jīng)驗公式估算：

式中,q為下沉系數(shù),mm/m，取0.08；Mc為計算開采厚度,m，

hm為充填前頂?shù)装宓囊平浚琺，按類似礦區(qū)經(jīng)驗，取0.15；hf為充填的不充分量,m，按類似礦區(qū)經(jīng)驗，取0.1；B為沉縮率，按全部充填后考慮充填材料的沉縮率，取0.03；M為累計采厚，m，按主要開采礦體厚度累加，取185 m；α為礦層傾角,(°)，取40°。

代入相關參數(shù)，計算得最大下沉值為

三維數(shù)值計算結果值與經(jīng)驗公式計算值結果相比后，數(shù)值模擬的結果小于理論計算的結果。經(jīng)分析原因有以下幾點原因：①只模擬了開采過程中的彈塑性變形過程，沒有考慮殘余變形及時間效應；②假設巖層為均質、各向同性連續(xù)介質，忽略地質構造的影響；③在計算模型的建立中，存在一定的邊界效應，會產(chǎn)生一定的誤差；④使用的是巖石力學參數(shù)，而不是巖體力學參數(shù)。

礦山地表變形是一個復雜的過程，它與開采、地下水、充填質量及爆破擾動等因素有關，它是各種影響因素的外在表現(xiàn)。數(shù)值模擬忽略一些不重要的因素，模擬值與理論值有一定的差距，但兩者差距不大，是比較合理的。取兩者的平均值作為最終的最大沉降值：

地表的破壞及產(chǎn)生地裂縫很大程度上取決于地表傾斜(icm)、地表變形曲率(kcm)、最大水平移動值(Ucm)、地表水平變形值(εcm)的大小。

最大傾斜值：

最大曲率值：

最大水平移動值：

最大水平變形值：

式中,r為地表影響區(qū)半徑(m)，按式r=H/tanβ計算；H為開采深度(m)，取425；Β為移動角(°)，取70°；b為水平移動系數(shù)，取0.33；

計算結果如下：

最大傾斜值：

icm=2.19mm/m.

最大曲率值：

最大水平移動值：

Ucm=113.3mm.

最大水平變形值：

從上述計算結果分析，地面沉降、最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動值、最大水平變形值均小于允許值，對地面建筑影響較小。

充填法采礦具有其不同于其他采礦方向的特征，由于充填了采礦區(qū)，限制了圍巖的變形，調(diào)整圍巖應力狀態(tài)，使圍巖應力集中現(xiàn)象消失，具有一定的強度和抵抗變形的能力，起到一定轉移和傳遞變形的作用，從而減小了地表變形[7-8]。

5 結 論

(1)研究結果表明，司家營大賈莊礦段采用上向水平分層充填法采礦能較好的控制地表位移，效果顯著，對地面建筑物和農(nóng)田影響較小。

(2)采用填充法開采的傾斜礦體，沉降中心位于上盤靠近礦體的地方，隨著開采的進行，其沉降中心也發(fā)生變化。

(3)填充體的存在調(diào)整圍巖應力狀態(tài)，使圍巖應力集中現(xiàn)象消失，具有一定的強度和抵抗變形的能力，起到一定轉移和傳遞變形的作用。

(4)數(shù)值模擬沉降值比經(jīng)驗公式計算值偏小，但在合理的范圍內(nèi)，表明FLAC3D數(shù)值模擬能較好的預測地表變形的趨勢。

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(責任編輯 石海林)

Analysis of Surface Deformation Caused by Upward Horizontal Slicing and Filling Stoping Method

Wang Wei Li Yun′an Wang Qingang Hu Lizhen Lei Yin Zou Jitao

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeoscience，Wuhan430000，China)

Exploration of underground minerals usually results in surface cracking，surface deformation，and damage to buildings，which has a serious impact on people′s production and life.Surface deformation in mining area is always an important aspect affecting mining safety.FLAC3Dsoftware was applied to build a three-dimensional geological model for simulating the surface deformation caused by the upward horizontal slicing and filling stoping in Sijiaying Iron Mine and a contrast with the surface subsidence value calculated by the empirical formula was made.Thus，the general rule and the deformation mechanism concerning surface deformation in Sijiaying Iron Mine were put forwards，and the geological hazards of surface deformation were assessed.The results showed that the upward horizontal slicing and filling stoping method effectively controlled surface deformation and the filling body played an important role in reducing deformation.The contrastive analysis showed that the numerical simulation result is smaller than that by the empirical formulas，but still within a reasonable limit permitted，indicating that FLAC3Dis an effective way of predicting surface deformation.The research has important reference value for research and prediction of surface deformation caused by other similar mining method.

Upward horizontal slicing and filling stoping method，Surface deformation，Numerical simulation，Empirical formula

2014-03-09

王 偉(1989—)，男，碩士研究生。

TD325

A

1001-1250(2014)-08-139-04