張阿鵬　梅笑寒　宋高峰

摘 要：根據(jù)某鐵礦地質(zhì)和開采條件，采用PHASE 2D有限元軟件建立數(shù)值模型，研究多次重復(fù)開采影響下覆巖的塑性區(qū)發(fā)展及地表變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，重復(fù)開采下傾斜礦體覆巖及地表呈非對(duì)稱破壞及變形規(guī)律。

關(guān)鍵詞：傾斜礦體；覆巖移動(dòng)；地表沉陷；數(shù)值模擬

冶金礦山地下開采誘發(fā)上覆巖體移動(dòng)與破壞問(wèn)題一直是礦山安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]，學(xué)者們采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)等研究方法分析了開采擾動(dòng)下的圍巖穩(wěn)定性及地表變形規(guī)律[2-3]。然而，關(guān)于重復(fù)開采條件下傾斜礦體的覆巖穩(wěn)定性研究較少。本文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，研究多次重復(fù)開采影響下的覆巖移動(dòng)規(guī)律及地表破壞范圍。

1 工程背景

某鐵礦為特大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，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。礦區(qū)共分為17個(gè)礦體，依次編號(hào)為Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號(hào)為主礦體，礦體總體呈北北西走向，層狀產(chǎn)出，傾向北西或南西，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2個(gè)采區(qū)，其中﹣240～﹣540 m為上部采區(qū)，﹣540～﹣900 m為下部采區(qū)，上、下采區(qū)同時(shí)開采。本論文即研究上、下采區(qū)重復(fù)開采條件下的覆巖變形規(guī)律。

2 模型建立

PHASE 2D是RocScience開發(fā)的一款強(qiáng)大的二維彈塑性有限元程序軟件，可以用較短的時(shí)間解決大型且復(fù)雜的采礦、巖土、土木工程中的工程技術(shù)問(wèn)題，如地下硐室開挖與設(shè)計(jì)、支護(hù)設(shè)計(jì)、地下水滲流、邊坡穩(wěn)定、可靠度分析等。本研究所建立PHASE 2D數(shù)值模型長(zhǎng)4 000 m，高1 225 m，如圖1所示。模型的地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為第四系表土層、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、淺部巖層、深部巖層。模型左、右邊界施加水平方向約束，下部邊界限制垂直方向位移，上部邊界為自由邊界。模型包括13 816個(gè)單元，7 094個(gè)節(jié)點(diǎn)。礦體厚度為135 m，傾角40°，礦體左右兩側(cè)預(yù)留1 100 m邊界，底部預(yù)留300 m邊界，以消除邊界效應(yīng)。模型劃分為上下2個(gè)采區(qū)，其中﹣240 m～﹣540 m為上部采區(qū)，﹣540 m～﹣900 m為下部采區(qū)，上、下采區(qū)同時(shí)開采，采礦方法為嗣后充填采礦法。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律

不同開挖高度下的圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律如圖2所示。圖中紅色區(qū)域表示礦體或巖體的破壞范圍。開挖初期，底部和頂部采場(chǎng)出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，地表也出現(xiàn)一定范圍的破壞單元，但整體破壞范圍較小。隨著開挖的進(jìn)行，圍巖破壞范圍不斷增大，當(dāng)開挖高度達(dá)到300 m時(shí)，模型左上方地表處的破壞范圍顯著增大，發(fā)育形狀近似為倒立的三角形；淺部礦體上方覆巖破壞范圍直通地表。

3.2 地表位移

不同開挖高度下的地表下沉曲線如圖3（a）所示。礦體開挖后在地面形成一個(gè)開采沉陷盆地，隨著開挖高度的增大，地表下沉也逐漸增大。由于礦體具有一定傾角，因此地表下沉曲線并不對(duì)稱。以模型橫坐標(biāo)x=2 000 m為中線，左側(cè)下沉曲線坡度小，下沉范圍廣；右側(cè)下沉曲線坡度大，下沉范圍小。隨著開挖高度的不斷增大，這一趨勢(shì)越來(lái)越明顯。當(dāng)開挖高度達(dá)到360 m時(shí)，地表下沉量達(dá)到最大值﹣335 mm。

不同開挖高度下的地表水平位移曲線如圖3（b）所示。隨著礦體的開挖，地表水平位移的不對(duì)稱性愈加明顯。其中模型左側(cè)的地表水平位移顯著大于模型右側(cè)，水平位移最值分別出現(xiàn)在x=1 600 m和x=2 300 m地表處。當(dāng)?shù)V體開挖高度達(dá)到360 m時(shí)，地表水平位移最值分別為220 mm和25 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

多次重復(fù)開采下，覆巖塑性區(qū)呈非對(duì)稱發(fā)育規(guī)律，塑性區(qū)主要集中在模型左側(cè)覆巖及模型右側(cè)礦體上方覆巖；地表位水平和垂直位移也呈非對(duì)稱發(fā)展規(guī)律，下部采區(qū)對(duì)應(yīng)的地表垂直和水平位移曲線坡度小、范圍廣，而上部采區(qū)對(duì)應(yīng)的地表位移曲線坡度大、范圍小。當(dāng)模型開挖高度達(dá)到360 m時(shí)，地表下沉量達(dá)到最大值﹣335 mm，水平變形最值分別為220 mm和25 m。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊明，孟祥瑞，高召寧，等.采場(chǎng)覆巖移動(dòng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬[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(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：21-22.

[3]宋志飛，雷家好，孫世國(guó)，等.復(fù)雜條件下煤層開采上覆巖體移動(dòng)規(guī)律研究[J].煤礦開采，2011（4）：95-96.