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        深部高階段礦房穩(wěn)定性分析

        2016-12-31 00:00:00李巖
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年24期

        摘 要:對田興礦深部礦房進(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)的變形值都沒有超過一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值,因此,開采后對空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后,地表的沉降變形不會(huì)對建(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?,采礦方法為階段空場嗣后充填,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對地表沉降變形進(jìn)行模擬分析,對預(yù)測地表變形、指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)等有非常重要的意義。為對地表變形進(jìn)行精確的計(jì)算,根據(jù)司家營田興礦體礦體圍巖產(chǎn)狀建立礦體模型,同時(shí)根據(jù)階段空場嗣后充填采礦法中盤區(qū)及采場的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?,為減少邊界條件對模型計(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,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),再對盤區(qū)上分段礦柱進(jìn)行開挖,并對最后結(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,由采場向四周變形逐漸變小。在采場上方,地表的主要建筑為村莊,按建筑物保護(hù)等級及允許變形值分類。我國一般磚木結(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)的變形值都沒有超過一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值,因此,開采后對空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后,地表的沉降變形不會(huì)對建(構(gòu))筑物的安全造成較嚴(yán)重的危害。

        2.2 采場穩(wěn)定性分析

        由圖5可知,開挖后,采場盤區(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10cm,位移沉降較小,不會(huì)對采場產(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)力過大,為5MPa,超過充填體極限抗拉強(qiáng)度,可能引起采場失穩(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

        礦房充填后,整個(gè)地表出現(xiàn)的變形值都沒有超過一般磚木結(jié)構(gòu)允許的臨界變形值,因此,開采后對空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填后,地表的沉降變形不會(huì)對建(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]中國有色金屬學(xué)會(huì).2014中國充填采礦新工藝技術(shù)與裝備成果交流會(huì)[C].昆明:中國金屬協(xié)會(huì)采礦分會(huì),2014.

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