鐵礦床多層空區(qū)穩(wěn)定性分析及評價

任家新　陳　超

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團有限公司黑山鐵礦)

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鐵礦床多層空區(qū)穩(wěn)定性分析及評價

任家新1,2陳超1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團有限公司黑山鐵礦)

摘要通過數(shù)值模擬軟件ANSYS對某地下礦采空區(qū)穩(wěn)定性進行分析。選擇不同階段高度、暴露面積較大的采空區(qū)為對象，建立數(shù)值模型，設(shè)置邊界條件及物理參數(shù)。模擬結(jié)果表明，在自重應(yīng)力下對礦體開挖后，目前采空區(qū)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但各中段采空區(qū)在空間位置上重疊的部位容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在安全隱患。

關(guān)鍵詞采空區(qū)數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

礦石開采形成了地下采空區(qū)，破壞了原巖應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)，產(chǎn)生的次生應(yīng)力場使圍巖的應(yīng)力重新分布，達到新的平衡。在這一過程中，如果對空區(qū)處理不及時或方法不當，將會發(fā)生一系列的地質(zhì)災(zāi)害，嚴重影響人的生命財產(chǎn)安全，給企業(yè)發(fā)展帶來不利因素，后果嚴重。

以河北承德某礦為研究背景，該礦2006年投產(chǎn)，主要開采Fe23礦體。該礦區(qū)地表南側(cè)100 m處修建了鐵路、公路、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、文化活動中心等公共設(shè)施，采空區(qū)的存在對地表建筑的安全構(gòu)成了威脅。礦區(qū)東側(cè)還有相鄰礦區(qū)開采，而且部分巷道相通，二者開采互相影響。礦山經(jīng)多年開采形成一定規(guī)模的采空區(qū)，目前，空區(qū)還未出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，但隨著采空區(qū)暴露時間的增加，空區(qū)圍巖應(yīng)力值的改變，地壓活動也會愈加頻繁、明顯[1]，逐漸威脅地表建筑物的安全。所以，應(yīng)對現(xiàn)已有空區(qū)的穩(wěn)定性進行分析，為礦山進行采空區(qū)處理提供合理的建議，保障礦區(qū)及附近居民生命財產(chǎn)和建筑物的安全[2]。

1　工程概況

1.1礦體特征

該鐵礦賦存于太古界單塔子群白廟組地層中，多呈似層狀或透鏡狀分布，總體傾向自北向東，傾角33°～85°，厚度Fe23為8.37～10.16 m，礦體的形態(tài)和產(chǎn)狀嚴格受片麻巖構(gòu)造線方向及產(chǎn)狀控制。

1.2采空區(qū)現(xiàn)狀

礦區(qū)目前已建礦井2個，均在巖石移動界線之內(nèi)，現(xiàn)已開采346，323和303 m 3個中段，空場法開采，為巷道挑頂型采場，運輸巷道布置在脈內(nèi)，巷道即采場，采高10 m左右，頂柱高10 m左右。采空區(qū)情況詳見表1。

表1　采空區(qū)情況

2　模擬結(jié)果分析

2.1模型參數(shù)設(shè)置

通過對礦山采空區(qū)的實際調(diào)研并對部分采空區(qū)進行簡化后，模型尺寸(長×寬)為340 m×380 m，總單元數(shù)為3 134個，節(jié)點數(shù)為9 633個。把模型X軸方向設(shè)置為水平位移，模型Y軸從底部到地表方向設(shè)置為垂直位移，模型上部邊界應(yīng)力施加相應(yīng)的垂直荷載。模型變形設(shè)置為大變形。為了計算方便，假設(shè)模型介質(zhì)是連續(xù)、均質(zhì)、無初始應(yīng)力和各向同性的彈塑性材料。選取材料力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　數(shù)值模擬計算參數(shù)

2.2模擬結(jié)果

本次采空區(qū)穩(wěn)定性計算采用二維模型，對初始模型設(shè)置應(yīng)力參數(shù)及邊界條件后，先進行未開采模型計算，再進行采空區(qū)模型計算。計算結(jié)果主要有：采空區(qū)剖面模型開采前和開采后X、Y方向的位移；采空區(qū)剖面模型開采前和開采后Y方向應(yīng)力及剪切方向應(yīng)力。

通過ANSYS程序模擬計算，得出空區(qū)周圍的應(yīng)力分布和位移分布圖，以Y=25 m，Y=80 m和Y=100 m的不同斷面為例，分析計算空區(qū)結(jié)果。

由模擬圖可知，礦體被開采完后，原巖應(yīng)力場的自然平衡狀態(tài)被打破，在上覆巖層的作用下，采空區(qū)周圍巖體及頂板被破壞的應(yīng)力重新分布平衡，采場內(nèi)側(cè)巖體產(chǎn)生的集中應(yīng)力得到了釋放減緩，采場上盤圍巖失去其下部原有礦體的支撐，在采場的頂?shù)装寮皣鷰r的不同位置均產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于下覆巖層的作用，采空區(qū)周圍巖體被破壞的應(yīng)力重新分布平衡，采場內(nèi)側(cè)巖體產(chǎn)生的集中應(yīng)力得到了釋放減緩。分別對這些壓應(yīng)力集中及拉應(yīng)力集中的地方進行分析，通過結(jié)果判斷其影響范圍及位移大小。

2.2.1Y=50 m

從圖1～圖4可以看出，不同深度中段的采空區(qū)出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且有的地方可看作是對稱分布。其中303 m 中段由于空區(qū)所處位置及埋藏較深，空區(qū)頂?shù)装寮皟蓚?cè)都出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力,局部地區(qū)的最大拉應(yīng)力達到了1.41 MPa，空區(qū)兩幫偏上部分地區(qū)表現(xiàn)出了壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力值為3.04 MPa。從空區(qū)周圍的剪應(yīng)力等值線分布看出，303 m中段的空區(qū)剪應(yīng)力最大值分布在空區(qū)的兩個對角上，剪應(yīng)力的最大值是1.24 MPa。

圖1　Y=25 m空區(qū)分布

圖2　Y=25m豎直應(yīng)力分布

圖3　Y=25 m剪切應(yīng)力分布

圖4　Y=25 m豎直方向位移

從Y軸的縱向位移剖面圖可知，空區(qū)四周的巖體(包括空區(qū)頂?shù)装寮皟蓭?都出現(xiàn)了向空區(qū)內(nèi)部有大小不同的位移，其中303 m中段空區(qū)的頂板向下移動的最大值是13.3 cm，相對來說位移較大。

2.2.2Y=80 m

圖5～圖8是礦體開挖后，采場Y=80 m縱截面內(nèi)空區(qū)、受力、位移分布趨勢。

圖5　Y=80 m空區(qū)分布

圖6　Y=80 m豎直應(yīng)力分布

圖7　Y=80 m剪切應(yīng)力分布

圖8　Y=80 m豎直方向位移

由圖6可知，由于303,323,343 m中段空區(qū)的形成，在各個空區(qū)頂板偏兩側(cè)的位置表現(xiàn)出了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力為1.83 MPa，而空區(qū)周圍則表現(xiàn)壓應(yīng)力，其最大值為3.53 MPa。從圖7可知，空區(qū)剪應(yīng)力主要分布在空區(qū)的頂角位置，剪應(yīng)力的最大值是1.06 MPa。

圖8表示開挖完畢后，在采場Y=80 m處的縱截面豎直方向位移，從圖中可以看出，采場上盤圍巖下沉，位移最大值為66 mm，發(fā)生在343 m中段空區(qū)的頂板圍巖處，應(yīng)多加注意觀察。

2.2.3Y=100 m

圖9～圖12為礦體開挖后采場Y=100 m縱截面內(nèi)的空區(qū)、應(yīng)力、位移分布趨勢。

圖9　Y=100 m空區(qū)分布

圖10　Y=100 m豎直應(yīng)力分布

圖11　Y=100 m剪切應(yīng)力分布

圖12　Y=100 m豎直方向位移

由圖10、圖11可知，礦體開采后，采空區(qū)圍巖內(nèi)側(cè)巖體的應(yīng)力得到了釋放，采場上盤圍巖失去其下部原有礦體的支撐，在采場的頂?shù)装逅慕翘幎汲霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值是1.47 MPa，而在303 m中段處有壓應(yīng)力2.54 MPa。

圖12表示開挖完畢后，在采場Y=100m處的縱截面豎直方向位移，從圖中可以看出，采場上盤圍巖下沉，位移值為1.4cm，礦體四周也出現(xiàn)了不同程度的輕微位移。

3　結(jié)　論

(1)由于埋藏較深，在不同斷面分析中，303m中段的采空區(qū)頂板與圍巖均有較大位移，頂板、圍巖和礦柱都會出現(xiàn)不同程度的冒落和塌陷等危險，空區(qū)圍巖不穩(wěn)定，需要加強檢測和安全防護。

(2)采空區(qū)形成后，303m中段采空區(qū)的頂板和礦柱部分區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為嚴重，對礦柱和頂板都有較大的影響。

(3)在303，323，343m中段中，303m中段采空區(qū)穩(wěn)定性最差，垮塌可能性最大，急需加強監(jiān)測與治理。

參考文獻

[1]付士根,李全明,王云海,等.采空區(qū)對地表建筑物的影響評價方法研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007(8):143-147，2.

[2]盧宏建,甘德清.鐵礦床滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型[J].金屬礦山,2013(3):62-65.

(收稿日期2016-05-12)

Stability Analysis and Evaluation of Multi-layer Goaf of Iron Deposit

Ren Jiaxin1,2Chenchao1

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology;2.Heishan Iron Mine,Hebei Iron & Steel Group Co.,Ltd.)

AbstractThe stability of the goaf of a underground mine is analyzed by adopting ANSYS numerical simulation software.The goaf with the characteristics of difference section height and large expose area is taken as the study example to establish numerical model,the model boundary conditions and physical parameters.The simulation results show that under the action of gravity stress,after the excavation of the ore-body,the goaf is maintained a relatively stable state,the overlapping parts of the goafs of different section on the spatial location is easy to cause the stress concentration phenomenon,therefore,the safe hidden trouble is existed.

KeywordsGoaf,Numerical simulation,Stability analysis

任家新(1982—)，男，助理工程師，碩士研究生，067412 河北省承德縣高寺臺鎮(zhèn)。