陶錫坑鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析

鄧 飛，程秋亭，陳艷紅，夏弋江

(江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 江西 贛州市 341000)

陶錫坑鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析

鄧 飛，程秋亭，陳艷紅，夏弋江

(江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 江西 贛州市 341000)

針對陶錫坑鎢礦156 m中段和106 m中段采空區(qū)的問題，對采空區(qū)充填前后的穩(wěn)定性進行了FLAC3D數值模擬，分析計算結果表明采用非膠結體充填的方法處理采空區(qū)后，采場的地壓有明顯的改善，表明了空區(qū)處理方案的選擇是恰當的，最終達到有效控制地壓的目的。

數值模擬；空區(qū)處理；穩(wěn)定性分析

隨著礦山開采的深入，采空區(qū)暴露出來的問題越來越明顯，采空區(qū)一旦失穩(wěn)，將會引起地表沉陷以及空區(qū)垮塌,嚴重危及井下工作人員的生命安全，因此采空區(qū)的穩(wěn)定性監(jiān)測和采空區(qū)及時處理措施直接影響到礦山安全問題。

根據陶錫坑鎢礦礦山對156 m中段、106 m中段采空區(qū)現狀的應力監(jiān)測工作得知,156 m中段、106 m中段的空區(qū)礦柱有部分發(fā)生破壞，因此應盡早選用相對應的空區(qū)處理方法，避免了處理方法的不適用帶來的災害，采空區(qū)得到及時恰當的加固，保證礦山地壓的得到有效控制。

1 工程概述

本礦區(qū)采用的采礦方法為淺孔留礦法和分段空場法，由于大部分礦區(qū)采用留礦法，使各中段礦房間留下大量的礦柱并形成大量采空區(qū)。同時伴隨著礦山的繼續(xù)開采，空區(qū)隱患會對生產作業(yè)人員、機械設備等造成不可預見的威脅。所以必須對其采空區(qū)進行檢測和必要的處理以保證開采的繼續(xù)進行。

2 FLAC3D數值模擬

2.1 實體模型的建立

以AUTOCAD輔助軟件，根據礦山技術部門提供的地質平面圖和礦體剖面圖，對156 m、106 m礦段開采后形成的空區(qū)建立三維模型。首先利用AUTOCAD地質平面圖中的地表邊界的形態(tài)用閉合曲線描好，導入ANSYS軟件中生成地表，再由ANSYS建立圍巖，進行網格劃分。本次數值模擬離散后的模型六面體單元數為1677159個,節(jié)點數282526個。建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 礦區(qū)山體ANSYS模型

2.2 計算參數

由于巖體本身地質結構比較復雜，在巖層中存在斷裂帶、節(jié)理面、爆破震動等因素的影響，經過折減處理后的試驗基本巖石力學參數見表1。

表1 模型計算參數

2.3 數值模擬采空區(qū)形成過程

此次數值模擬采用按礦山實踐開采順序從上部中段156 m到106 m中段向下分步進行回采，而且先從上盤開始開采在采下盤，模型建立了2個中段，分別為156 m、106 m中段，以這兩個中段采空區(qū)主應力、正應力、塑性區(qū)、位移作為研究對象。由之前做過的采空區(qū)各層圍巖穩(wěn)定性分析以及礦山現場檢測調查所以我們這里就具體的分析156 m、106 m中段的主、正應力特征。

圖2 156 m中段σ3主應力

圖3 156 m中段σ1主應力

圖4 106 m中段σ3主應力

圖5 106 m中段σ1主應力

2.4 模擬結果的分析

從圖2～圖9采空區(qū)處理前效果應力云圖分析可得：由主應力分析可知，隨著各階段礦體回采，空區(qū)各間柱及頂底板出現σz應力集中區(qū)。各階段空區(qū)間柱、頂底板、空區(qū)兩側圍巖顯現出壓應力集中區(qū)，隨著向下各階段的逐一回采后，其正壓應力極限值從12 MPa遞增到21.5 MPa，而間柱從上部中段開挖到最后一個中段，則正壓應力變化值為7.5～24.21 MPa。這表明開挖的深度越深，空區(qū)各正應力越集中，從云圖讀取數據可以得到體現，礦山實踐開采應力變化與數值模擬計算結果相呼應。所以礦山從安全角度出發(fā)，這就要求技術人員要對空區(qū)時時監(jiān)測，如果空區(qū)有地壓突出問題可以及時處理。

圖6 156 m中段σ3正應力

圖7 156 m中段σ1正應力

圖8 106 m中段σ3正應力

圖9 106 m中段正主應力

3 采空區(qū)處理及分析

從該礦區(qū)現場實際調查可知該鐵礦106 m中段水平面以上的空區(qū)基本沒有充填，且部分空區(qū)有明顯的垮塌現象，表明156 m、106 m空區(qū)處理迫在眉睫。根據礦山實際給出的采空區(qū)處理措施，采用非膠結體充填的方法處理空采后區(qū)，應用FLAC3D模擬分析采礦區(qū)處理后的采空區(qū)的穩(wěn)定情況。

圖10 156 m中段σ3主應力云圖

圖11 156 m中段σ1主應力云圖

圖12 106 m中段σ3主應力云圖

圖13 106 m中段σ1主應力云圖

圖10～圖17采空區(qū)處理后效果應力云圖相對比可知，尾砂回填后156 m、106 m中段最大壓應力為6.37 MPa、6.97 MPa，而空區(qū)沒有進行充填時最大壓應力為9.45 MPa、10.44 MPa，數據表明充填改善了應力分布，減小了應力集中的情況，運用這一方法可以讓礦山地壓得到有效地控制。所以利用數值模擬可以宏觀的表示空區(qū)回填后的應力分布，與實際充填有一定必然的聯系。

圖14 156 m中段σ3正應力云圖

圖15 156 m中段σ1正應力云圖

圖16 106 m中段σ3正應力云圖

圖17 106 m中段σ1正應力云圖

4 結 論

(1) 從上述采空區(qū)處理前后的效果應力云圖分析可知，空區(qū)上盤圍巖移動位移要比下盤更大，這說明上盤巖層受的應力比下盤集中，且移動指向空區(qū)中心以及空區(qū)呈擠壓狀態(tài)，在空區(qū)兩幫巖層的壓應力的作用下，空區(qū)兩幫、頂板以及礦柱交會的角隅處呈現剪切破壞狀態(tài)，開采深度的延伸，空區(qū)數量增多，體積不斷的變大，以及空區(qū)各交接出現巖層破壞區(qū)。由云圖可知在深部156 m中段、106 m中段的空區(qū)礦柱有部分可以發(fā)生破壞，應盡早開展對礦柱位移和應力的監(jiān)測工作，及時對其進行一些支護和加固工作，保持礦柱強度，但當礦柱無支撐強度時，可以用人工礦柱代替，最終達到控制地壓的目的；

(2) 通過使用FLAC3D軟件計算，綜合分析空區(qū)的主應力、正應力、位移、塑性區(qū)的分布規(guī)律，大致了解分步開挖后采空區(qū)的穩(wěn)定狀況，并通過空區(qū)進行充填后的結果相對比，以及礦山空區(qū)實際情況相結合，以此為依據，提出采空區(qū)最佳治理方案，保證空區(qū)處理的有效性。

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2014-06-26)

鄧 飛，(1966-)，男，副教授，主要從事采礦工程、控制爆破、巖土工程等方面的研究，Email: dengfei_jxust@163.com。