俞海云

(中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

地下采空區(qū)是礦山安全開(kāi)采的主要危害因素之一，開(kāi)展采空區(qū)穩(wěn)定性研究，對(duì)于確保礦山深部安全開(kāi)采具有重要意義[1-4]。本研究以某露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采鐵礦為例，采用ANSYS和FLAC3D仿真分析軟件構(gòu)建數(shù)值分析模型，研究地下采空區(qū)安全狀況，為該礦深部開(kāi)采設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 礦山概況

某鐵礦為露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山，礦體賦存于上太古界五臺(tái)超群臺(tái)懷群柏枝巖組一段頂部的斜長(zhǎng)綠泥片巖內(nèi)，礦體呈層狀—似層狀，連續(xù)性較好，礦體沿走向厚度變化小，呈近EW向分布于礦區(qū)北部邊緣，礦體產(chǎn)狀與圍巖片理產(chǎn)狀基本一致。礦體厚度為2.21～27.44 m，平均12.19 m；礦體走向85°～110°，傾向175°～220°，傾角65°～82°。礦體頂板為綠泥斜長(zhǎng)角閃片巖，底板為綠泥斜長(zhǎng)片巖。礦區(qū)前期開(kāi)采形成了1個(gè)露天采場(chǎng)，長(zhǎng)度為120～160 m，寬度為60～70 m。由于前期地下開(kāi)采活動(dòng)，使得在露天采場(chǎng)下部形成了1個(gè)地下采空區(qū)，空區(qū)賦存標(biāo)高為1 512～1 370 m，空區(qū)長(zhǎng)度和寬度分別與礦體長(zhǎng)度和厚度一致。

2 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)開(kāi)采礦體周圍巖體受采動(dòng)影響的范圍，模型沿東西方向?yàn)閆方向，沿南北方向?yàn)閄方向，垂直于水平面方向?yàn)閅方向[5-6]。模型尺寸(長(zhǎng)度×寬度)為500 m×200 m，高度為自標(biāo)高1 300 m以上至地表。模型共計(jì)303 819個(gè)單元，59 224個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖1)。初始模型采用四面體單元剖分，重點(diǎn)剖分礦體采空區(qū)部分[7-8]。本研究將模型巖性簡(jiǎn)化為圍巖和礦體2種介質(zhì)類型。計(jì)算中，將圍巖及礦體均視為彈塑性連續(xù)介質(zhì)。

圖1 數(shù)值模型示意

鐵礦體頂板為綠泥斜長(zhǎng)角閃片巖，底板為綠泥斜長(zhǎng)片巖。巖石抗壓強(qiáng)度較大，屬于堅(jiān)硬巖石，完整性較好，節(jié)理不發(fā)育，礦體頂?shù)装鍘r石穩(wěn)固性較好。礦石硬度系數(shù)f=10～12，抗壓強(qiáng)度為140～240 MPa；巖石硬度系數(shù)f=8～10，抗壓強(qiáng)度為70～220 MPa。同時(shí)參考周邊礦山巖體參數(shù)，采用強(qiáng)度折減法對(duì)巖石參數(shù)進(jìn)行了處理，確定出模型的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型礦巖物理體力學(xué)參數(shù)

模型構(gòu)建完畢后，在未開(kāi)采的情況下，模型側(cè)面限制水平位移，模型底部限制垂直位移。本研究?jī)H考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，在整個(gè)模型施加Y方向的重力加速度，得出在該狀態(tài)下的初始位移場(chǎng)和初始應(yīng)力場(chǎng)，而后進(jìn)行位移和應(yīng)力清零，模擬礦體開(kāi)挖回采過(guò)程。為簡(jiǎn)便計(jì)算過(guò)程，采取采空區(qū)一次形成的計(jì)算方案，分析礦體開(kāi)采對(duì)周圍位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 位移場(chǎng)

由圖2可知，采空區(qū)形成后，周邊圍巖發(fā)生了不同程度的位移變形，最大變形量達(dá)到10.774 cm，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定極為不利，若不及時(shí)進(jìn)行治理，易發(fā)生采空區(qū)失穩(wěn)塌陷事故，對(duì)礦山生產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅。

圖2 模型整體位移云圖

模型2個(gè)剖面位置的采空區(qū)圍巖位移特征如圖3所示。分析圖3可知：采空區(qū)形成后，由于圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移并重新分布，采空區(qū)圍巖位移產(chǎn)生了不同程度的變化，1#、2#剖面的圍巖最大位移量分別達(dá)到5.144 9、5.384 7 cm；圍巖位移已貫通至地表露天采場(chǎng)，形成了位移閉合圈，引起地表巖體產(chǎn)生了裂隙，出現(xiàn)了位移沉降現(xiàn)象，在降雨、構(gòu)造應(yīng)力等因素的綜合影響下，易誘發(fā)采空區(qū)垮塌事故，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)人員和設(shè)備的安全構(gòu)成了重大威脅。

圖3 采空區(qū)圍巖位移云圖

3.2 應(yīng)力場(chǎng)

隨著礦體的開(kāi)采，采空區(qū)周邊巖體應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)重新分布。分析圖4可知：采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力呈條帶狀分布，且等值線云圖傾向?yàn)橄缕路较颍?#、2#剖面的最大應(yīng)力值分別為5.51、5.62 MPa，由于礦體回采后應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，不同位置的采空區(qū)應(yīng)力值存在一定的差異，但總體上隨著深度的增加，應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

由于礦山開(kāi)采作業(yè)的影響，露天采場(chǎng)下方和采空區(qū)上方的巖體產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，降低了巖體強(qiáng)度，削弱了采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)采空區(qū)安全不利，易導(dǎo)致采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)垮塌事故。同時(shí)，在各個(gè)采空區(qū)周圍發(fā)生了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)為1.3～2.4。在采空區(qū)兩側(cè)和底板位置，頂板圍巖應(yīng)力得到了有效釋放，不利于采空區(qū)穩(wěn)定，在外部擾動(dòng)的影響下，加大了采空區(qū)失穩(wěn)塌落的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和治理工作。

圖4 采空區(qū)周邊應(yīng)力分布云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

以某鐵礦為例，采用ANSYS和FLAC3D軟件構(gòu)建了計(jì)算模型，對(duì)該礦采空區(qū)圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究表明：該礦山采空區(qū)存在較大的失穩(wěn)垮塌的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為確保礦山生產(chǎn)安全，建議開(kāi)展采空區(qū)專項(xiàng)治理方案設(shè)計(jì)，建立采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性狀況，采取有效的針對(duì)性治理措施，盡早消除采空區(qū)安全隱患，確保礦山安全生產(chǎn)。