畢振東 崔宇鵬 夏 鵬 張明偉 董 山

(1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

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鐵礦開(kāi)采對(duì)高壓線路塔基變形影響數(shù)值模擬研究

畢振東1崔宇鵬2*夏 鵬2張明偉2董 山1

(1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

為了研究鐵礦未來(lái)采空區(qū)對(duì)高壓線路塔基變形影響，采用FLAC3D軟件，對(duì)鐵礦充填開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：因地下開(kāi)采引起的最大地表位移在礦體兩端移動(dòng)范圍邊界附近，地表水平變形趨勢(shì)為兩側(cè)向中間移動(dòng)，在礦體兩端移動(dòng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程發(fā)生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右，對(duì)塔基變形及位移影響甚微。

鐵礦，數(shù)值模擬，傾斜性礦體，塔基

0 引言

目前，鐵礦充填開(kāi)采法對(duì)地表建筑物影響的研究已經(jīng)比較成熟，張?zhí)系热薣1]運(yùn)用有限元方法對(duì)金屬礦山充填開(kāi)采進(jìn)行數(shù)值模擬，分析充填開(kāi)采對(duì)民宅建筑物的影響，王平等人[2]通過(guò)孔隙介質(zhì)固液耦合的三維有限元法對(duì)采礦進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地表沉降問(wèn)題。王曉軍等人[3]通過(guò)數(shù)值模擬手段分析了充填井下關(guān)鍵隔離層對(duì)地表沉陷的影響。但是對(duì)急傾斜礦體開(kāi)采引起的地表沉降的研究還不是很多見(jiàn)。研究充填采礦法對(duì)地表建筑的影響，由于礦區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采用物理力學(xué)模型模擬方法很難將地表的變形規(guī)律表述清楚，然而采用數(shù)值模擬方法可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以勝宏鐵礦為背景，基于FLAC3D軟件分析急傾斜礦體充填開(kāi)采造成的地表變形以及地表建筑物高壓輸電線塔基的變形規(guī)律。

1 工程概況

某±800 kV特高壓直流輸電工程，線路由于路徑走廊限制，在山東省汶上縣境內(nèi)需要穿越鐵礦礦區(qū)。為了確保直流輸電工程線路安全運(yùn)行以及鐵礦開(kāi)采的順利進(jìn)行，開(kāi)展鐵礦開(kāi)采對(duì)塔基沉降數(shù)值分析。

某鐵礦采用地下開(kāi)采方式。設(shè)計(jì)采用下盤(pán)豎井開(kāi)拓系統(tǒng)；單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，主井進(jìn)新風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)；主井、風(fēng)井均設(shè)置梯子間作為井下安全出口；主井工業(yè)場(chǎng)地附近設(shè)充填制備站。

根據(jù)礦體賦存深度，礦量分布和采礦方法構(gòu)成要素，確定階段高度為55 m。劃分為-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四個(gè)中段，-29 m為回風(fēng)水平。

階段開(kāi)采順序?yàn)椋?249 m～-194 m→-194 m～-139 m→-139 m～-84 m→-84 m～-29 m→-249 m水平以下→-29 m水平以上。階段內(nèi)礦塊采用后退式開(kāi)采順序，即由風(fēng)井一側(cè)向主井方向推進(jìn)。

根據(jù)礦床地質(zhì)條件及礦、巖性質(zhì)，并參考同類(lèi)型礦山的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本礦床開(kāi)采崩落范圍的圈定，第四系取45°，基巖層巖石移動(dòng)角均取70°。

根據(jù)礦體的賦存條件，礦體按厚度屬于中厚及厚礦體，按傾角屬于傾斜及急傾斜礦體，按穩(wěn)固性屬于穩(wěn)固礦體?？紤]到地表不能塌陷且不能破壞第四系護(hù)頂?shù)V柱，同時(shí)以提高回采率、降低采礦貧化率為目標(biāo)，本著安全、可靠、環(huán)保以及可持續(xù)性發(fā)展的原則，采用淺孔留礦采礦法。

淺孔留礦采礦法適用于厚度小于8 m的礦體。礦塊沿走向布置，標(biāo)準(zhǔn)礦塊長(zhǎng)度50 m，高度為階段高度55 m，寬度為礦體水平厚度，間柱6 m，頂柱3 m，不設(shè)底柱。

礦房?jī)?nèi)淺孔鑿巖分層落礦，落礦的分層高度不小于2 m。采場(chǎng)鑿巖采用7655型鑿巖機(jī)，炮孔直徑約40 mm，爆破采用乳化炸藥，裝藥方式采用人工，起爆材料采用導(dǎo)爆管。

每次落礦后放出崩落礦石的1/3，其余約2/3的崩落礦石留在采場(chǎng)內(nèi)支撐上盤(pán)圍巖，并作為回采的工作平臺(tái)。

整個(gè)礦房落礦完畢后進(jìn)行集中放礦。礦體傾角大于50°時(shí)崩落礦石借自重放出，礦體傾角小于50°時(shí)崩落礦石不能借自重放出，礦房?jī)?nèi)需要輔助電耙出礦，底部采用鏟運(yùn)機(jī)出礦。均采用尾砂+膠固粉嗣后一次充填。

輸電線路與鐵礦相互影響范圍確認(rèn)圖如圖1所示。

2 三維建模及計(jì)算

采開(kāi)FLAC是快速拉格朗日差分分析開(kāi)展采礦過(guò)程對(duì)上覆塔基的變形影響分析。三維模擬計(jì)算的主要目的是通過(guò)對(duì)鐵礦-29 m～-84 m中段、-84 m～-139 m中段、-139 m～-194 m中段、-194 m～-249 m中段、-249 m以下礦體、-29 m以上礦體等礦體的開(kāi)采，分步模擬地下開(kāi)采對(duì)地表變形和塔基沉降產(chǎn)生的影響，從而給出結(jié)論。

根據(jù)開(kāi)拓系統(tǒng)縱投影圖、勘探線剖面圖和礦體總平面布置圖，推斷出礦體的三維空間分布，將礦體簡(jiǎn)化為等厚層，利用ABAQUS建立三維模型，模型長(zhǎng)1 367 m，寬800 m，高623 m。

本次數(shù)值模擬利用ABAQUS建立三維模型，模型包括礦區(qū)整體模型、護(hù)頂?shù)V柱模型、礦體中間夾層模型、礦柱模型和開(kāi)采礦體模型，具體如圖2～圖6所示。

通過(guò)轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入到FLAC3D中，如圖7，圖8所示。模型共計(jì)113 155個(gè)單元體，包含119 880個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。土體采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬，土體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，地表及以下55 m為第四系松散巖層，其余為巖體，充填體參數(shù)參考文獻(xiàn)《金川二礦貧礦開(kāi)采充填設(shè)計(jì)優(yōu)化及數(shù)值分析》并結(jié)合鐵礦充填參數(shù)選取，礦體參數(shù)參考勘察報(bào)告。具體數(shù)值如表1所示。

表1 計(jì)算采用的礦巖物理力學(xué)參數(shù)表

三維模擬方案技術(shù)路線及實(shí)施程序如圖9所示。

根據(jù)礦體賦存深度，礦量分布和采礦方法構(gòu)成要素，設(shè)計(jì)確定階段高度為55 m。礦山劃分為-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四個(gè)中段，-29 m為回風(fēng)水平。階段開(kāi)采順序?yàn)椋?249 m→-194 m→-139 m→-84 m→-249 m以下礦體→-29 m以上礦體。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查剖面圖以及已有的CAD圖形數(shù)據(jù)估算出塔基的地理位置如圖10所示。

3 礦山開(kāi)采全過(guò)程模擬計(jì)算分析

最終沉降位移云圖如圖11所示。分析上述地表沉降云圖可知，地表豎向最大值出現(xiàn)在礦體投影到地表的區(qū)域，并向四周逐漸減小。地表豎向位移隨著礦體的開(kāi)挖不斷增大，最大沉降位移值約為44 mm。地表水平位移在礦體投影到地表區(qū)域呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，距離礦體越遠(yuǎn)，位移值越小，隨著礦體的開(kāi)挖，水平位移的值逐漸增大，最大水平位移值約為20 mm。

縱剖面、橫剖面地表豎向位移隨施工步驟變化曲線圖如圖12，圖13所示。分析圖12可知，隨著礦體的開(kāi)挖，地表先沉降，位移的分布呈現(xiàn)拋物線形分布，隨著開(kāi)挖中段逐漸接近地表，拋物線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象。塔基所在位置符合沉降的總體趨勢(shì)，先沉降，后隆起，但是位移值很小，位移值不到0.1 mm，幾乎可以忽略不計(jì)。

分析圖13可知，地表豎向位移呈現(xiàn)“橫S形”分布，隨著礦體的開(kāi)挖，沉降值逐漸增加，塔基所在位移變化趨勢(shì)先沉降后隆起，沉降值不足0.1 mm，位移很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鐵礦礦區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)特點(diǎn)和開(kāi)采方法、開(kāi)發(fā)方案等，以及線路工程塔基設(shè)計(jì)情況，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，建立了FLAC3D數(shù)值模型，對(duì)上覆巖層及地表的移動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)進(jìn)行了研究，得出了開(kāi)采沉降的規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)計(jì)算模型水平方向范圍內(nèi)因地下開(kāi)采引起的最大地表位移在礦體兩端移動(dòng)范圍邊界附近，礦山六步開(kāi)采完成后，地表的最大沉降在44 mm左右。

2)礦體開(kāi)采引起的地表水平變形趨勢(shì)為從兩側(cè)向中間移動(dòng)，在礦體兩端移動(dòng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程發(fā)生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右。水平位移與豎向位移相比受開(kāi)采影響不顯著。

3)礦體開(kāi)挖對(duì)塔基變形影響很小，最終開(kāi)挖完成后塔基所在位置地表豎向位移不到0.1 mm，可以忽略不計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，地下礦體開(kāi)采引起的塔基變形在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》允許范圍之內(nèi)。

4)鐵礦開(kāi)采對(duì)塔基變形及位移影響甚微。

[1] 張 滔,許夢(mèng)國(guó),歐陽(yáng)治華.某黑色金屬礦山充填采礦法的數(shù)值模擬[J].黃金,2005(11):24-27.

[2] 王 平,許夢(mèng)國(guó),李惠強(qiáng).充填采礦法和崩落采礦法對(duì)地表影響的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010(10):50-52.

[3] 王曉軍,方勝勇,劉績(jī)勛.充填井下關(guān)鍵隔離層控制地表沉陷的數(shù)值模擬[J].金屬礦山,2010(10):13-16.

[4] 張梅花,高 謙,翟淑花.金川二礦貧礦開(kāi)采充填設(shè)計(jì)優(yōu)化及數(shù)值分析[J].金屬礦山,2009(11):28-31.

[5] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.

Numerical simulation research on the impact of iron mine mining upon high-voltage tower foundation deformation

Bi Zhendong1Cui Yupeng2*Xia Peng2Zhang Mingwei2Dong Shan1

(1.ShanxiMetallurgyDesignInstituteCo.,Ltd,Jinan250101,China;2.CollegeofCivilConstruction&Hydraulic,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In order to study the impact of future iron mine mined out area upon high-voltage line tower foundation deformation, the paper applies FLAC3Dsoftware, and carries out numerical simulation for the mine mining process. Results show that: maximum ground surface displacement owning to underground mining is within the mine body lateral moving area; surface horizontal displacement trend is from the lateral side to the middle, which is symmetrical distribution within lateral mine moving scope; the maximum value of the left and the right horizontal displacement of the whole mining process is about 20 mm, which has little influence upon the tower foundation deformation and displacement.

iron mine, numerical simulation, unbalanced ore body, tower foundation

1009-6825(2017)10-0077-03

2017-01-22

畢振東(1975- )，男，工程師； 夏 鵬(1989- )，男，在讀碩士； 張明偉(1989- )，男，在讀碩士； 董 山(1977- )，男，工程師

崔宇鵬(1989- )，男，在讀碩士

TU470

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