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，研究了不同開采時序下傾斜礦體覆巖破壞及地表沉陷。結果表明：不同開挖時序對覆巖及地表變形影響顯著，其中上、下部采區(qū)同時開采時，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)同時開采方案。

關鍵詞：開采時序；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，采場應力更加復雜，圍巖穩(wěn)定性更差；同時，為提高開采效率，礦山都盡可能提高開采規(guī)模，兩者都對采場圍巖穩(wěn)定性控制提出了更高的要求。學者們通過理論計算和數(shù)值模擬研究了采場結構參數(shù)[1]、開采順序[2]等因素對礦區(qū)覆巖破壞及穩(wěn)定性影響[3]。本文采用PHASE 2D有限元軟件，對不同開采時序下某礦區(qū)傾斜礦體的覆巖穩(wěn)定性及地表沉陷進行數(shù)值模擬研究。

1 工程背景

某鐵礦位于陰山—天山緯向構造帶東段—燕山南亞帶山海關臺拱西南邊緣，全區(qū)共17個礦體，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號為主礦體。礦體傾角39～56°，礦帶總體走向長6 km。采用地下開采嗣后充填采礦法，設計開采范圍為﹣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°，礦體左右兩側預留1 100 m巖體，底部預留300 m巖體，以消除邊界效應。根據(jù)開采實際，模型劃分﹣240～﹣540 m上部采區(qū)和﹣540～﹣900 m下部采區(qū)，礦體開挖后對采空區(qū)進行回填。為研究不同開采時序對覆巖變形的影響，建立了3個開挖方案。其中方案1上、下采區(qū)同時開采，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；方案2中，模型左側的塑性區(qū)分為兩部分，延伸深度分別為435 m和321 m，塑性區(qū)屈服單元個數(shù)為2 347個；方案3中，覆巖塑性區(qū)向下延伸高度為541 m，塑性區(qū)內屈服單元個數(shù)達到了2 809個。

3.2 地表位移

礦體開挖結束后，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個方案地表位移相差并不明顯。

4 結語

為研究開采時序對覆巖破壞范圍及地表變形影響，本論文建立了3個開采方案，方案1為上、下部同時開采，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??；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)同時開采的技術方案。

[參考文獻]

[1]楊明，孟祥瑞，高召寧，等.采場覆巖移動礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬[J].煤礦安全，2012（6）：23-27.

[2]楊盼杰，張雙全，朱鵬，等.大采高工作面覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：21-22.

[3]宋志飛，雷佳好，孫世國，等.復雜條件下煤層開采上覆巖體移動規(guī)律研究[J].煤礦開采，2011（4）：95-96.