某鐵礦地下開采地表變形數(shù)值模擬

徐祥熙　武　斌

(山東金嶺礦業(yè)股份有限公司)

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某鐵礦地下開采地表變形數(shù)值模擬

徐祥熙武斌

(山東金嶺礦業(yè)股份有限公司)

地下礦產(chǎn)的開發(fā)不可避免地造成地表沉陷和移動變形，對礦區(qū)地表建(構(gòu))筑物造成一定的影響。為定性和定量研究礦區(qū)地表變形特征，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對某鐵礦開采引起的地表變形區(qū)域進(jìn)行了劃分，結(jié)果表明，地表建(構(gòu))筑物大多位于地表移動邊界之外，擴(kuò)界開采帶來的影響較小。

地下開采開采沉陷地表沉降數(shù)值模擬移動邊界

地下礦山開采對地表產(chǎn)生了不同程度的影響，隨著地下采掘范圍的擴(kuò)大，導(dǎo)致地表出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重者甚至造成地表塌陷，在礦區(qū)附近地表往往會出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫等采礦活動引起的地表大變形現(xiàn)象[1-4]。若采場距地表建筑(構(gòu))物較近，便會導(dǎo)致建筑(構(gòu))物地基的穩(wěn)定性受到影響，造成地表房屋開裂、破壞。為確保某鐵礦在擴(kuò)界開挖過程中，礦區(qū)附近的居民房屋安全以及企事業(yè)單位的正常運(yùn)行，需對采礦引起的地表變形程度和范圍進(jìn)行定性定量分析。

1　工程背景

某鐵礦至今開采已逾50 a，目前開采標(biāo)高+250～-200 m，采區(qū)面積1.048 4 km2，采礦方法為下向進(jìn)路膠結(jié)充填法，生產(chǎn)規(guī)模45萬t/a。經(jīng)擴(kuò)界后礦區(qū)在開采面積上有所增加，開采深度從-200 m延深至-350 m。該礦礦體分布較復(fù)雜，礦體形態(tài)不規(guī)則，分布有零星礦體無法開采，但總體而言，礦體位于大理巖和閃長巖接觸帶中，頂板多為大理巖，底板為矽卡巖及蝕變閃長巖。該鐵礦采用的下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法可有效限制采礦活動引起的地表變形，為遏制地表變形發(fā)展發(fā)揮了積極作用。該方法自上而下分層回采、分層充填，以巷道進(jìn)路方式在上分層的人工假底保護(hù)下進(jìn)行回采，每一分層回采是在掘進(jìn)完分層聯(lián)絡(luò)道后，以分層全高垂直走向或沿走向劃分進(jìn)路，間隔或連續(xù)地進(jìn)行進(jìn)路采礦，第一批進(jìn)路回采完畢后便立即鋪設(shè)人工假底并進(jìn)行膠結(jié)充填接頂，在此基礎(chǔ)上回采并充填相鄰進(jìn)路，待整個分層的回采與鋪設(shè)人工假底、充填工作結(jié)束后，再進(jìn)行進(jìn)路回采下一分層。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于回采安全，礦石回收率高，貧化率低，進(jìn)路的方向、位置及數(shù)量可根據(jù)礦山地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，靈活性強(qiáng)。

2　數(shù)值模擬

2.1模型構(gòu)建

該鐵礦礦區(qū)面積較大，礦體廣泛分布于-1#～53#線，原礦體豎向分布主要從地表附近至-200 m，擴(kuò)界的豎向區(qū)域主要為-200～-350 m，但擴(kuò)界區(qū)域內(nèi)礦體較薄，主要分布于19#～23#線，部分區(qū)域礦脈厚度較小，無法開采。礦區(qū)地表有較薄的第四系地表土，地表大部分區(qū)域直接與巖石接觸，地表以下主要巖石為大理巖，其間夾雜少量的礫石和灰?guī)r，該部分可簡化為大理巖層，而實(shí)際地層為傾斜地層，為簡化數(shù)值模擬過程，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，將該部分地層簡化為水平地層，大理巖地層下伏為閃長巖層。根據(jù)該礦圈定的研究范圍，建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，最終模型尺寸為2 500 m×1 300 m×630 m(長×寬×高)，計(jì)算模型共分為2個地質(zhì)地層，3個計(jì)算組(大理巖、閃長巖和礦體)，模型總計(jì)267 534個三維計(jì)算單元，48 685個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。三維仿真模型及礦體形態(tài)如圖1所示。

圖1　數(shù)值計(jì)算模型

該計(jì)算模型采用的邊界條件為側(cè)面限制水平移動，底面固定，模型上表面為自由邊界。模型全部采用實(shí)體單元模擬，巖土體材料破壞特征符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型計(jì)算所需的力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1　某鐵礦數(shù)值模擬各地層力學(xué)參數(shù)

模型數(shù)值模擬運(yùn)算過程為：①在給定的力學(xué)條件和邊界約束情況下，計(jì)算模型的初始應(yīng)力，以達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)；②計(jì)算實(shí)際分步開采回填過程中地表的沉降變形，得到地表移動邊界，分析開采過程中地表建(構(gòu))筑物的安全性。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際礦體開采情況(0 m以上采用崩落法開采，0～-200 m為充填法開采，擴(kuò)界開采部分也采用充填法開采)，得到地表變形位移云圖，如圖2所示。由圖2可知：礦區(qū)地表主要有2個沉降盆地，左側(cè)盆地最大沉降量約25 mm，右側(cè)約75 mm，該2個盆地為礦體集中分布區(qū)域，兩處礦體均較厚大，采出土石及礦石方量大，故地表沉降值較大，與地表在兩處形成塌陷坑的實(shí)際情況相符。由于該礦前期采用崩落法開采，未能及時進(jìn)行填充才造成了塌陷坑的生成，現(xiàn)已對老采空區(qū)進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填處理，地表塌陷坑也進(jìn)行了填埋，地表沉降已基本趨于穩(wěn)定。取沉降15 mm作為移動邊界(圖2中黑色粗實(shí)線)，則可知該礦區(qū)地表主要建筑(構(gòu))物和民居都位于移動邊界外，該鐵礦地下開采對地表建(構(gòu))筑物的影響較小。對該礦區(qū)地表最大沉降量累積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

圖2　地表沉降位移云圖(單位：mm)

由圖3可知：地表最大沉降約為75 mm，擴(kuò)界前的開采過程地表沉降增長速度較快，而擴(kuò)界后地表沉降趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋孩夙敯鍨榇罄硎敯?，較完整，地質(zhì)條件較好，強(qiáng)度較大，抗變形能力強(qiáng)；②隨著開采深度的增大，雖然對地表的影響范圍增大，但對地表的影響程度逐漸減小，擴(kuò)界開采時與地表的距離在300 m以上，因此地表所引起的變形微乎其微；③由于對崩落法采礦造成的老采空區(qū)進(jìn)行了充填，之后的采礦活動采用膠結(jié)充填法致使采礦活動引起的沉陷得到限制，巖土體的強(qiáng)度得到保護(hù)，因此在開采下部礦體時其造成的影響也相應(yīng)減小，擴(kuò)界開采引起地表沉降量變化較小[5-7]。

圖3　地表最大沉降累積

礦區(qū)在井下采掘工作的影響下，地表將形成2個沉降中心。隨著擴(kuò)界開采深度的增加，開采對地表的影響逐漸變小，擴(kuò)界開采并填充采場后，地表受采動影響，產(chǎn)生的沉降變形趨于平緩穩(wěn)定。地表沉降中心位于礦區(qū)內(nèi)部，由于礦體空間位置較集中，地表沉陷云圖呈偏態(tài)閉合橢圓形，最大沉降中心與現(xiàn)有的塌陷坑位置相吻合。礦區(qū)周邊主要建(構(gòu))筑物位于地表移動界限外，擴(kuò)界生產(chǎn)對其造成的影響較小。

3　結(jié)　語

采用FLAC3D軟件對某鐵礦山地下開采對地表變形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，該礦區(qū)地表主要建筑(構(gòu))物均位于開采移動邊界外，礦山開采過程對其影響較小，本研究分析結(jié)果對于確保該礦區(qū)安全生產(chǎn)有一定的參考價值。

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2016-05-06)

徐祥熙(1988—)，男，工程師，255000 山東省淄博市張店區(qū)中埠鎮(zhèn)。