某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性及處理數(shù)值模擬

程立年 葉振華

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性及處理數(shù)值模擬

程立年1,2,3葉振華1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

基于某鐵礦Ⅱ#礦帶采空區(qū)現(xiàn)狀，首先采用FLAC3D軟件進(jìn)行穩(wěn)定性模擬，然后根據(jù)FLAC3D軟件計(jì)算結(jié)果以及安全因素設(shè)計(jì)出合理的采空區(qū)處理方案，最后模擬出采空區(qū)處理后的期望結(jié)果。結(jié)果表明，基于FLAC3D軟件模擬采空區(qū)處理過程能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)采空區(qū)治理方案提供較為可靠的依據(jù)，在一定程度上具有優(yōu)化采空區(qū)治理方案的作用。

采空區(qū) 穩(wěn)定性 數(shù)值模擬 FLAC3D

某鐵礦正處于露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期，Ⅱ#礦帶104 m水平以上已形成長約400 m、寬約20 m、高50～75 m、體積50余萬m3的采空區(qū)；104～56 m的8#～14#采場現(xiàn)已回采完畢，采空區(qū)體積約15萬m3，目前采空區(qū)總體積為65萬m3。至44 m水平以上生產(chǎn)結(jié)束時，將形成一個高100～120 m、體積約120萬m3的巨大采空區(qū)，該采空區(qū)的地表北部為標(biāo)高210～277 m的山頭，長200 m；南部標(biāo)高209 m，長200 m，且坡下有廢石堆和已廢棄的露天采場，廢石堆積和采場的實(shí)際坑底資料不詳。初步勘查原露天采場的最低水平約為180 m，地下采空區(qū)的原采礦頂板標(biāo)高為174 m，如果原露天采場的最低位置正好處于采空區(qū)上部，那么采空區(qū)的最小頂板厚度約6 m。為防止采空區(qū)破壞以突然崩塌的形式出現(xiàn)，有必要對采空區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，獲取必要的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的方法對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價并提出處理方案，以確保生產(chǎn)安全。

1 FLAC3D軟件簡介

FLAC3D自美國ITASCA咨詢集團(tuán)公司推出后，已成為目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值方法，是二維的有限差分程序FLAC的擴(kuò)展，用于模擬三維土體、巖體或其他材料體力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限的塑性流變特性[1-3]。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性及處理方案數(shù)值模擬

2.1 建 模

由于采空區(qū)對圍巖的影響范圍大致為采空區(qū)面積的 3～5倍，采空區(qū)高約56 m、寬約30 m，因此計(jì)算模型的幾何尺寸應(yīng)取 280 m×260 m×140 m。該模型地貌較復(fù)雜，且空區(qū)頂板距離地表較淺，無法忽略地表形態(tài)對空區(qū)受力分析的影響，因此在建模時應(yīng)參照實(shí)測的地表等高線圖來建立模型。

2.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件及屈服條件確定

考慮到采空區(qū)對圍巖的影響范圍，在設(shè)置邊界約束條件時，模型前后2個邊界面主要約束Y方向位移，左右2個邊界面主要約束X方向位移，底面主要約束Z方向位移。強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系。屈服條件如下

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ,

式中，fs為屈服強(qiáng)度，MPa；σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力，MPa；c為巖體的黏接力，MPa；φ為摩擦角，(°)。

當(dāng)fs<0時，巖體將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)材料達(dá)到屈服極限后，在穩(wěn)定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度，巖體將發(fā)生拉伸破壞。

2.4 采空區(qū)現(xiàn)狀模擬

由于礦區(qū)之前沒有進(jìn)行過地應(yīng)力的原位測試，因而，此次計(jì)算初始地應(yīng)力場僅按巖體自重應(yīng)力場來考慮，垂直應(yīng)力按巖體及以上覆巖層總重力計(jì)算。由于采空區(qū)是在采礦過程中逐步形成的，因此根據(jù)以上建立的網(wǎng)格模型和設(shè)定的邊界條件，模擬計(jì)算首先按模型所在的深度向模型施加自重荷載，讓模型在自重應(yīng)力的作用下趨于穩(wěn)定，建立背景初始應(yīng)力場；然后清除初始應(yīng)力作用造成的位移，按照實(shí)際開采的順序，每一循環(huán)模擬一次開采步驟。為了節(jié)省時間，在計(jì)算過程中，模擬開采是對采空區(qū)的一次性開挖，求解開采后的應(yīng)力場。模擬結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可知，采空區(qū)頂板所受最大拉應(yīng)力為0.102 MPa，基本達(dá)到圍巖拉應(yīng)力值；由圖1(b)可知，圍巖最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在空區(qū)頂板角部，壓應(yīng)力值為8.523 MPa，超過圍巖的壓應(yīng)力值。因此，采空區(qū)頂板將在中間出現(xiàn)局部受拉破壞，在角部出現(xiàn)受壓破壞，形成塌落拱，這與現(xiàn)場探查所得的空區(qū)形態(tài)基本一致?？諈^(qū)上、下盤的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于圍巖所能承受的最大拉、壓應(yīng)力值。由圖1(c)可知，采空區(qū)頂板沒有太大的位移，可以推測出目前采空區(qū)比較穩(wěn)定。164巷道壁的圍巖基本處于受壓狀態(tài)，而最大壓應(yīng)力也小于圍巖所能承受的最大壓應(yīng)力值，因此該巷道也相當(dāng)穩(wěn)定。綜合判斷可知，目前采空區(qū)南部區(qū)域整體比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大的頂板塌陷危險，若要處理采空區(qū)，需要對采空區(qū)頂板進(jìn)行擾動或爆破。另外，164巷道比較穩(wěn)定，通過該巷道進(jìn)行工程爆破作業(yè)是安全可靠的。

2.5 Ⅱ#礦帶采空區(qū)頂板崩落處理方案

圖1 采空區(qū)現(xiàn)狀模擬結(jié)果

為了防止突然垮冒對地下作業(yè)人員、設(shè)施的巨大沖擊，選擇已經(jīng)形成的薄弱處開拓一個具有卸壓能力的窗口，作為采空區(qū)處置的應(yīng)急措施，即開天窗工程。

爆破區(qū)域主要設(shè)在采空區(qū)頂板靠近下盤，如圖2所示。由于模擬過程應(yīng)該是在開挖天窗后再在頂板上施加一個爆破震動，這樣的模擬比較接近實(shí)際過程。但真實(shí)的爆破震動僅能通過爆破后的儀器測得，因此將開天窗處理的過程簡化為僅考慮頂板開挖的影響，省略了受到爆破震動波的影響。相關(guān)模擬結(jié)果見圖3。

由圖3(a)、圖3(b)可知，頂板開挖后Y=70 m(開挖部分)的應(yīng)力云圖與開挖前的云圖差異較大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂的右下部，超過圍巖所能承受的最大拉應(yīng)力值，因此該處會發(fā)生受拉破壞；最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在懸臂根底部，超過圍巖所能承受的最大壓應(yīng)力值，并且整個懸臂根部的壓應(yīng)力值也超過圍巖所能承受的最大壓應(yīng)力值，因此在懸臂根部會發(fā)生受壓破壞。可以預(yù)測，開天窗爆破發(fā)生后，開挖部分截面會形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于應(yīng)力的重新分布，懸臂根部的壓應(yīng)力超過圍巖所能承受的最大壓應(yīng)力，懸臂端部的拉應(yīng)力也超過圍巖所能承受的最大拉應(yīng)力，整個懸臂結(jié)構(gòu)將會破壞坍塌，從而使天窗口的范圍擴(kuò)展至整個跨度區(qū)域。

圖2 開天窗爆破示意

由圖3(c)、圖3(d)可知，Y=30 m(非開挖部分)截面Z方向位移較小，開天窗爆破后，非開挖部分的應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化，圍巖仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。頂板開挖后天窗上部覆土層產(chǎn)生了較大位移，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般圍巖的最大變形值，因此，頂板開挖后，天窗上部覆土層會沿著爆破口往下冒落塌陷。

由圖3(e)可知，采空區(qū)頂板斷層處的大部分均發(fā)生過剪切屈服現(xiàn)象，特別是天窗口的北部邊界與斷層之間的區(qū)域在整個計(jì)算過程中均呈現(xiàn)出剪切屈服破壞，可以推測，斷層對頂板的受剪切破壞有較大影響，會使天窗口北部邊界與斷層之間的區(qū)域發(fā)生剪切破壞而塌陷，從而使得天窗口的范圍在沿采空區(qū)縱向進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 結(jié) 語

采用FLAC3D軟件分別對某鐵礦采空區(qū)現(xiàn)狀以及該礦Ⅱ#礦帶采空區(qū)頂板崩落處理方案進(jìn)行了模擬，對于采空區(qū)的安全處理具有一定的參考價值。

圖3 Ⅱ#礦帶采空區(qū)模擬結(jié)果

[1] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 閆長斌，徐國元，李夕兵，等.爆破振動對采空區(qū)穩(wěn)定性影響的FlAC3D分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005(6)：2894-2898.

[3] 孫國權(quán)，李 娟，胡杏保.基于FLAC3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2007(2)：29-32.

2015-01-07)

程立年(1987—)，男，助理工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。