深部高階段礦房穩(wěn)定性分析

摘 要：對(duì)田興礦深部礦房進(jìn)行數(shù)值模擬分析后，得出以下結(jié)論：（1）礦房充填后，整個(gè)地表出現(xiàn)的變形值都沒(méi)有超過(guò)一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值，因此，開采后對(duì)空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后，地表的沉降變形不會(huì)對(duì)建（構(gòu)）筑物的安全造成較嚴(yán)重的危害。（2）在充填上分段礦房與下分段礦柱后回采上分段礦柱時(shí)，若同時(shí)開采全部礦柱，盤區(qū)中部充填后的礦房不穩(wěn)定。故在充填礦房與下分段礦柱后，應(yīng)盡量減少同一盤區(qū)同時(shí)回采上分段礦柱個(gè)數(shù)，并先回采上分段中部礦柱。

關(guān)鍵詞：高階段；礦房；穩(wěn)定性

司家營(yíng)鐵礦田興礦地質(zhì)開采條件復(fù)雜，礦床其上地表有大量的村莊和耕地。大部分礦體被第四系表土覆蓋，厚度在60m～130m之間，由北向南厚度逐漸變厚，同時(shí)其含水豐富，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)報(bào)告，采用露天法開采礦體時(shí)的平水期涌水量一般為128萬(wàn)m3/d。設(shè)計(jì)方案采用的開采順序?yàn)樽韵露?，采礦方法為階段空?qǐng)鏊煤蟪涮?，這可以有效地阻止地表變形及塌陷，減少礦山受水患的影響。雖然采用充填法進(jìn)行開采，但是由于礦房高度較大，開采過(guò)程中穩(wěn)定性大小難以保證。同時(shí)，由于充填沉降導(dǎo)致充填不接頂?shù)仍?，?huì)使充填體上部巖體產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)和變形，此變形通常需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到最終的穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間，可能會(huì)對(duì)地表構(gòu)筑物產(chǎn)生一定影響。

1 穩(wěn)定性模擬

本次數(shù)值模擬采用數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)地表沉降變形進(jìn)行模擬分析，對(duì)預(yù)測(cè)地表變形、指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)等有非常重要的意義。為對(duì)地表變形進(jìn)行精確的計(jì)算，根據(jù)司家營(yíng)田興礦體礦體圍巖產(chǎn)狀建立礦體模型，同時(shí)根據(jù)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法中盤區(qū)及采場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，為減少邊界條件對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響程度，把礦體縱深方向取足夠大的長(zhǎng)度。模型高度690m，寬1194m，第四系厚度取100m，強(qiáng)風(fēng)化帶取40m，弱風(fēng)化帶取50m，同時(shí)開采一個(gè)盤區(qū)的16采場(chǎng)，礦房與礦柱均取18m。如圖1、圖3所示。

模型建立完畢后，即設(shè)定模型的整體邊界條件，然后劃分網(wǎng)格并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。形成初始的應(yīng)力場(chǎng)后，首先，為準(zhǔn)確模擬地表的變形程度，在初始條件計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立各階段均被充填的模型，并進(jìn)行計(jì)算分析，其次，在采完-450m至-350m上分段礦房并充填的基礎(chǔ)上，把-450m至-350m水平范圍的盤區(qū)內(nèi)的下分段礦柱進(jìn)行開挖，并充填物理性質(zhì)為充填體的物理力學(xué)參數(shù)，再對(duì)盤區(qū)上分段礦柱進(jìn)行開挖，并對(duì)最后結(jié)果進(jìn)行分析。

計(jì)算模型邊界條件（如圖2所示）確定如下：

（1）模型的左右邊界均施加水平約束條件，邊界水平的初始位移為零。

（2）模型整體底部邊界的水平、垂直的初始位移均為零。

（3）模型頂部為自由邊界。

充填模型設(shè)置的約束條件如圖2所示。

-450水平開挖充填模型如圖3所示。

礦石、巖石和充填體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)列于表1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 地表沉降分析

對(duì)各階段盤區(qū)進(jìn)行充填后，由圖4可知，地表最大沉降距離為2.8cm，并隨豎直標(biāo)高降低，沉降距離越小，-450m水平沉降值只有1.2cm。地表總體保持均勻下沉，由采場(chǎng)向四周變形逐漸變小。在采場(chǎng)上方，地表的主要建筑為村莊，按建筑物保護(hù)等級(jí)及允許變形值分類。我國(guó)一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值為3.0mm/m，經(jīng)計(jì)算，整個(gè)地表出現(xiàn)的變形值都沒(méi)有超過(guò)一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值，因此，開采后對(duì)空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后，地表的沉降變形不會(huì)對(duì)建（構(gòu)）筑物的安全造成較嚴(yán)重的危害。

2.2 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

由圖5可知，開挖后，采場(chǎng)盤區(qū)中央位置沉降值較大，為5.7cm。并且，由盤區(qū)中央向四周豎直沉降位移逐漸減小。開挖引起的最大豎直位移未能超過(guò)10cm，位移沉降較小，不會(huì)對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。

由圖6可知，開挖后空區(qū)上方有較大壓應(yīng)力，為4.8MPa，而盤區(qū)礦柱出現(xiàn)較大拉應(yīng)力集中，為10.1MPa。

其中壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于礦石極限抗壓強(qiáng)度，但盤區(qū)預(yù)留礦柱所承受拉應(yīng)力已接近礦石極限抗拉強(qiáng)度，可能會(huì)引起礦柱片落甚至失穩(wěn)。

盤區(qū)中部充填后的礦房承受的拉應(yīng)力過(guò)大，為5MPa，超過(guò)充填體極限抗拉強(qiáng)度，可能引起采場(chǎng)失穩(wěn)。盤區(qū)兩端充填體礦房拉應(yīng)力較小，為0.14MPa，遠(yuǎn)小于充填體極限抗拉強(qiáng)度，具有一定穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

礦房充填后，整個(gè)地表出現(xiàn)的變形值都沒(méi)有超過(guò)一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值，因此，開采后對(duì)空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后，地表的沉降變形不會(huì)對(duì)建（構(gòu)）筑物的安全造成較嚴(yán)重的危害。在充填上分段礦房與下分段礦柱后回采上分段礦柱時(shí)，若同時(shí)開采全部礦柱，盤區(qū)中部充填后的礦房不穩(wěn)定。故在充填礦房與下分段礦柱后，應(yīng)減少同一盤區(qū)同時(shí)回采上分段礦柱個(gè)數(shù)，并先回采上分段中部礦柱。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì).2014中國(guó)充填采礦新工藝技術(shù)與裝備成果交流會(huì)[C].昆明：中國(guó)金屬協(xié)會(huì)采礦分會(huì)，2014.