鐵礦床滯留采空區(qū)充填治理順序優(yōu)化方法

盧宏建 趙永雙 高 鋒 李嘉慧

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室，河北唐山063009)

礦床在開采過程中，由于沒有及時處理采空區(qū)，使大量滯留采空區(qū)給礦山后期生產造成重大安全隱患。滯留的空區(qū)隨著時間的增加會引起覆巖塌陷，導致地表移動，最終影響到地表建構筑的穩(wěn)定，給附近居民造成災難性的后果，嚴重威脅人民生命財產安全，影響社會和諧穩(wěn)定。因此，滯留采空區(qū)的治理工作對保證礦山持續(xù)發(fā)展有重要意義［1-4］。近年來，研究者對滯留采空區(qū)探測與治理、采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價等方面較為重視，取得了一些研究成果［5-10］。目前采空區(qū)治理多采用充填法，其治理順序的優(yōu)化，對治理效果極為重要，但在這方面的研究尚不多見［11-13］。本研究以河北某礦山為例，基于有限元理論，在分析滯留采空區(qū)的應力場和地表變形規(guī)律的基礎上，對采空區(qū)的危險等級進行了劃分，最終確定了滯留采空區(qū)的充填滯留順序。

1 工程背景

某典型地表復雜礦山，目前已開采346 m、323 m和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，運輸巷道布置在脈內，采高15 m左右，頂柱高10 m左右，空區(qū)現(xiàn)狀詳見表1與圖1。

表1 空區(qū)現(xiàn)狀調查統(tǒng)計Table 1 Investigation of current situation of goaf

圖1 礦山空區(qū)現(xiàn)狀、方位與計算坐標系Fig.1 Current situation，orientation and calculation coordinate system of mine goaf

雖然礦山沒有出現(xiàn)采空區(qū)垮落現(xiàn)象，但隨著采空區(qū)暴露時間的增加，地壓活動也會逐漸增強，逐漸威脅各個井筒和地表建筑物的安全，因此采空區(qū)充填治理工作亟待進行。

2 滯留采空區(qū)治理優(yōu)化順序分析模型

采用大型有限元模擬軟件對礦區(qū)開采過程采空區(qū)與地表沉降過程進行了三維仿真模擬。模擬步驟為，首先進行了原巖應力計算，其次為分步開挖形成地下采空區(qū)，計算時共分3步開挖形成現(xiàn)狀空區(qū)。模擬計算根據(jù)地質詳查報告選取，力學參數(shù)見表2。

表2 力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters

3 滯留采空區(qū)應力場分布與地表變形規(guī)律

3.1 滯留采空區(qū)應力場分布規(guī)律

采場空間和方位分布及計算位移方向如圖1所示，應力場模擬結果如圖2所示，圖2中數(shù)據(jù)“+”號代表拉應力，“－”號代表壓應力。

圖2 采空區(qū)最大主應力分布云圖Fig.2 Maximum main stress distribution nephogram of the goaf

第一水平采空區(qū)應力場分布規(guī)律。第一水平采空區(qū)最大主應力σ1中，西側采空區(qū)以拉應力為主，最大拉應力為0.26 MPa，東側采空區(qū)以壓應力為主，最大壓應力為0.19 MPa，主要分布在空區(qū)底板?？諈^(qū)邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.3 MPa左右。

第二水平采空區(qū)應力場分布規(guī)律。第二水平采空區(qū)最大主應力σ1中，東側采空區(qū)以拉應力為主，最大拉應力為0.29 MPa，西側采空區(qū)以壓應力為主，最大壓應力為0.13 MPa，主要分布在空區(qū)底板?？諈^(qū)邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.5 MPa左右。

第三水平采空區(qū)應力場分布規(guī)律。第三水平采空區(qū)最大主應力σ1中，以壓應力為主，北側采空區(qū)最大壓應力為0.56 MPa，南側采空區(qū)以壓應力為主，最大壓應力為0.72 MPa，主要分布在空區(qū)底板。空區(qū)邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.68 MPa左右。

3.2 地表變形規(guī)律

(1)第一水平采空區(qū)對地表變形影響分析，如圖3所示。

根據(jù)第一水平開挖后地表水平X方向位移變形云圖得出:西側采空區(qū)對地表影響范圍較大，西側采空區(qū)東西兩側向采空區(qū)中部產生了移動，西側位移范圍在10.2～30.5 mm，東側位移范圍在10.7～40.1 mm。東側采空區(qū)因曝露面積較小，位移變形未影響到地表。

根據(jù)第一水平開挖后地表水平Y方向位移變形云圖得出:西側采空區(qū)對地表影響范圍較大，西側采空區(qū)南北兩側向采空區(qū)中部產生了移動，南側位移范圍在10.6～39.3 mm，北側位移范圍在12.9～43.3 mm。東側采空區(qū)對地表影響范圍較小，規(guī)律和西側相同，南側位移范圍在8.2～12.4 mm，北側位移范圍在9.2～13.8 mm。

根據(jù)第一水平開挖后地表水平Z方向位移變形云圖得出:西側采空區(qū)對地表影響范圍大于東側，采空區(qū)頂板位置對應的地表變形值最大，西側位移范圍在12～134 mm，東側位移范圍在8.5～25 mm。

(2)第二水平采空區(qū)對地表變形影響分析，如圖4所示。

根據(jù)第二水平開挖后地表水平X方向位移變形云圖得出:西側采空區(qū)位于第一水平采空區(qū)正下方，其對地表位移影響范圍變化影響不大，但位移值增加了，西側采空區(qū)西側位移范圍在16.5～46.5 mm，東側位移范圍在13.1～40.6 mm。東側第二水平采空區(qū)面積大于第一水平，其開挖后，位移變形影響到地表，東側采空區(qū)西側位移范圍在13.8～37.7 mm，東側位移范圍在10.2～36.1 mm。

圖3 第一水平開挖后地表位移變形云圖Fig.3 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 1

根據(jù)第二水平開挖后地表水平Y方向位移變形云圖得出:西側采空區(qū)位于第一水平采空區(qū)正下方，其對地表位移影響范圍變化影響不大，但位移值增加了，東側第二水平采空區(qū)面積大于第一水平，其開挖后，位移變形發(fā)展到地表，影響范圍擴大。且在兩層采空區(qū)影響下東西采空區(qū)對地表影響范圍耦合在一起，采空區(qū)南北兩側位移值范圍相差不大。采空區(qū)南側位移范圍在11.2～46.3 mm，北側位移范圍在10.7～51.8 mm。

圖4 第二水平開挖后地表位移變形云圖Fig.4 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 2

根據(jù)第二水平開挖后地表水平Z方向位移變形云圖得出:在第二水平礦體開挖后，西側采空區(qū)位于第一水平采空區(qū)正下方，其對地表位移影響范圍變化不大，但位移值增加了，東側第二水平采空區(qū)面積大于第一水平，其開挖后地表影響范圍擴大。且2層采空區(qū)對地表影響范圍耦合在一起，面積大于西側采空區(qū)范圍，但最大位移值小于西側采空區(qū)，西側位移范圍在10.5～159 mm，東側位移范圍在10.5～124 mm。

(3)第三水平采空區(qū)對地表變形影響分析，如圖5所示。

圖5 第三水平開挖后地表位移變形云圖Fig.5 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 3

根據(jù)第三水平開挖后地表3方向位移變形云圖得出:在第3水平礦體開挖后，地表3方向的位移影響范圍沒有擴大，只是變形值增加了。在X方向上，西側采空區(qū)西側位移范圍在16.8～48.9 mm，東側位移范圍在14.8～42.5 mm。東側采空區(qū)西側位移范圍在14.8～38.7 mm，東側位移范圍在11.2～38.1 mm。在Y方向上，采空區(qū)南側位移范圍在12.2～46.8 mm，北側位移范圍在11.7～53.8 mm。在Z方向上，西側位移范圍在11.3～162 mm，東側位移范圍在10.5～128 mm。

4 滯留采空區(qū)充填順序優(yōu)化

地下采空區(qū)的危險度分為4級，對應的危險狀態(tài)等級評定如下:Ⅰ級特大危險性、Ⅱ級重大危險性、Ⅲ級較大危險性和Ⅳ級一般危險性?；诓煽諈^(qū)圍巖應力分布規(guī)律和采空區(qū)對地表影響程度對其進行危險度分級。分級情況如表3所示。

表3 各水平采空區(qū)危險等級Table 3 Danger grade list of goafs on each sublevel

在確定地下采空區(qū)充填順序時，先充填危險度最大的采空區(qū)，其次充填危險度較小的采空區(qū)。對于危險度相同的采空區(qū)，則先充填下中段采空區(qū)，再充填上中段采空區(qū)。根據(jù)上述原則，可確定礦山采空區(qū)的治理順序如表3所示。

5 結論

(1)基于構建的滯留采空區(qū)充填治理順序優(yōu)化數(shù)值模型，在系統(tǒng)分析采空區(qū)圍巖的應力分布規(guī)律和采空區(qū)對地表影響影響程度的基礎上，確定了空區(qū)治理順序。

(2)提出的鐵礦床滯留采空區(qū)治理順序優(yōu)化方法，對礦山地下滯留采空區(qū)的治理、礦柱回采、深部開采方案的制定及安全生產具有重要的指導意義。

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