不同開采時(shí)序下傾斜礦體覆巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

冀宇鑫　沈萬虎　宋高峰

摘 要：文章以某鐵礦為工程背景，采用PHASE 2D有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了不同開采時(shí)序下傾斜礦體覆巖破壞及地表沉陷。結(jié)果表明：不同開挖時(shí)序?qū)Ω矌r及地表變形影響顯著，其中上、下部采區(qū)同時(shí)開采時(shí)，覆巖破壞程度最小，且地表位移并不大。綜合考慮覆巖破壞及開采效率，優(yōu)選上、下部采區(qū)同時(shí)開采方案。

關(guān)鍵詞：開采時(shí)序；傾斜礦體；地表位移；數(shù)值模型

目前很多金屬礦山已開采至深部，采場(chǎng)應(yīng)力更加復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性更差；同時(shí)，為提高開采效率，礦山都盡可能提高開采規(guī)模，兩者都對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性控制提出了更高的要求。學(xué)者們通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]、開采順序[2]等因素對(duì)礦區(qū)覆巖破壞及穩(wěn)定性影響[3]。本文采用PHASE 2D有限元軟件，對(duì)不同開采時(shí)序下某礦區(qū)傾斜礦體的覆巖穩(wěn)定性及地表沉陷進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 工程背景

某鐵礦位于陰山—天山緯向構(gòu)造帶東段—燕山南亞帶山海關(guān)臺(tái)拱西南邊緣，全區(qū)共17個(gè)礦體，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號(hào)為主礦體。礦體傾角39～56°，礦帶總體走向長(zhǎng)6 km。采用地下開采嗣后充填采礦法，設(shè)計(jì)開采范圍為﹣240～﹣900 m，劃分為﹣240～﹣540 m上部采區(qū)和﹣540～﹣900 m下部采區(qū)。本論文擬研究不同開采時(shí)序下的覆巖變形規(guī)律。

2 數(shù)值模型建立

采用PHASE 2D有限元軟件建立數(shù)值模型如圖1所示。模型長(zhǎng)4 000 m，高1 225 m，左、右邊界施加水平約束，下部邊界限制垂直位移，上部邊界為自由邊界。模型礦體厚度為135 m，傾角40°，礦體左右兩側(cè)預(yù)留1 100 m巖體，底部預(yù)留300 m巖體，以消除邊界效應(yīng)。根據(jù)開采實(shí)際，模型劃分﹣240～﹣540 m上部采區(qū)和﹣540～﹣900 m下部采區(qū)，礦體開挖后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填。為研究不同開采時(shí)序?qū)Ω矌r變形的影響，建立了3個(gè)開挖方案。其中方案1上、下采區(qū)同時(shí)開采，方案2先采上部采區(qū)、再采下部采區(qū)，方案3先采下部采區(qū)、再采上部采區(qū)。

3 數(shù)值模型分析

3.1 塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律

不同開采方案下的圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律如圖2所示。方案1中，覆巖塑性區(qū)延伸深度為434 m，塑性區(qū)屈服單元數(shù)量為2 160個(gè)；方案2中，模型左側(cè)的塑性區(qū)分為兩部分，延伸深度分別為435 m和321 m，塑性區(qū)屈服單元個(gè)數(shù)為2 347個(gè)；方案3中，覆巖塑性區(qū)向下延伸高度為541 m，塑性區(qū)內(nèi)屈服單元個(gè)數(shù)達(dá)到了2 809個(gè)。

3.2 地表位移

礦體開挖結(jié)束后，不同開挖方案的地表變形如圖3所示。地表垂直位移由小到大依次為方案2（291 mm）<方案3（317 mm）<方案1（335 mm）；地表水平位移由小到大依次為方案2（175 mm）<方案1（216 mm）<方案3（245 mm）。其中，方案2的水平位移和垂直位移均最小，但3個(gè)方案地表位移相差并不明顯。

4 結(jié)語

為研究開采時(shí)序?qū)Ω矌r破壞范圍及地表變形影響，本論文建立了3個(gè)開采方案，方案1為上、下部同時(shí)開采，方案2先采上部、再采下部，方案3先采下部、再采上部。從覆巖塑性區(qū)發(fā)展及屈服范圍來看，方案1的塑性區(qū)破壞面積最小；從地表變形來看，方案2水平位移和垂直位移均最小，但地表變形相差不大。綜合考慮礦山覆巖穩(wěn)定性及開采效率，優(yōu)選上、下部采區(qū)同時(shí)開采的技術(shù)方案。

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