鐵礦床滯留采空區充填治理效果分析

盧宏建 李佳慧 董小義 趙宗政 潘祖英

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

鐵礦床滯留采空區充填治理效果分析

盧宏建1，2李佳慧1董小義1趙宗政1潘祖英1

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

基于有限元理論，提出了以滯留空區充填體安全評價和地表變形控制為主要考慮因素的鐵礦床滯留采空區治理效果分析方法。并以典型礦山為例，在分析滯留采空區充填后充填體位移和應力場規律分析的基礎上，運用Mohr-Coulomb準則對充填體敏感點進行了安全系數計算，并采用對比法分析了采場開挖不充填和充填2種方案的地表變形控制效果，綜合分析了該鐵礦床滯留采空區充填治理效果。取得如下結論：充填體垂直方向位移變化值為水平位移的5倍，整體處于受壓狀態，應力值小于充填體抗壓強度；各水平充填體敏感區域的安全系數在5左右，滿足要求；采用充填治理后地表變形值降低至50%，充填效果顯著；建立的滯留采空區治理效果分析模型，在保證保證充填體強度和接頂率的前提下，對空區充填治理方案實施和類似礦山治理具有指導意義。

鐵礦床 滯留采空區 治理效果 分析方法

礦床在開采過程中，由于沒有及時處理采空區，使大量滯留采空區給礦山后期生產帶來了重大安全隱患。因此，滯留采空區的治理工作對保證礦山持續發展有重要意義[1-5]。近年來，研究者對滯留采空區探測與治理、采空區穩定性分析與評價等方面較為重視，取得了一些研究成果[6-10]。目前采空區治理多采用充填法，但充填治理效果分析方法研究尚不多見。本研究以河北某礦山為例，在分析滯留采空區充填后充填體位移和應力場規律分析的基礎上，運用Mohr-Coulomb準則對充填體敏感點進行了安全系數計算，并采用對比法分析了采場開挖不充填和充填2種方案的地表變形控制效果，綜合分析了該鐵礦床滯留采空區充填治理效果。

1 工程背景

某礦山于2005開工建設，2006年建成投產，主要開采Fe23號礦體。礦山有2條豎井開采礦體，截止2010年已開采346 m、323 m和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，運輸巷道布置在脈內，采高15 m左右，頂柱高10 m左右，空區現狀詳見表1。

礦區地表有村賓館、活動中心、公園、辦公室、鐵路等建構筑物，且大部分處于采空區陷落帶內，如果采用隔離法處理采空區，空區隨著時間的增加會引起覆巖塌陷，導致地表移動，最終影響到地表建構筑的穩定。采用崩落法處理采空區，地表建構筑物不但會直接毀壞，而且處理大面積的采空區施工組織困難。因此，采空區處理方案不能采用隔離法和崩落法處理采空區，只能采用充填法處理采空區，為了確保地表建筑和井筒安全可靠，選擇全尾砂膠結充填采空區處理方案。

表1 空區現狀調查

2 滯留采空區治理效果分析模型

采用大型有限元模擬軟件對礦區開采過程采空區與地表沉降過程進行了三維仿真模擬。礦區三維實體網格模擬如圖1所示，采出礦體網格模擬如圖2所示。模型長600 m，寬300 m，高210 m，148 679個單元。模擬步驟：首先進行了原巖應力計算，其次為分步開挖形成地下采空區，計算時共分三步開挖形成現狀空區，然后自下而上分次充填。

圖1 三維網格模型

圍巖計算參數根據地質詳查報告選取，力學參數見表2。

圖2 礦體三維網格模型

表2 力學參數

3 治理效果分析

3.1 滯留采空區充填體穩定性分析

提取了空區充填后充填體的位移和最大主應力、最小主應力云圖，如圖3、圖4所示。

充填體的水平方向位移主要是在圍巖作用下產生的，由充填體的側幫向中心運動，位移值變化較小，范圍在5.46 cm以內。垂直方向空區大的采場充填體位移值較大，范圍在25.8 cm以內。充填體最大主應力均為壓應力，范圍在0.198～0.463 MPa以內，充填體最小主應力均為壓應力，范圍在0.149～0.50 MPa以內，均小于充填體的抗壓強度值。

3.2 充填體穩定性評價

3.2.1 充填體穩定性評價安全系數法

根據彈性理論，認為當各質點應力值滿足一定條件時發生屈服，此時的條件稱為屈服(破壞)條件：

(1)

式中,f為某一函數關系；σ為總應力；H為屬標量的內變量χ的函數。

為表征其安全程度，工程技術人員提出了安全系數的概念，即表示為

(2)

將分析所得應力值代入式(2)后，就可直接求出安全系數Fs值。

當Fs>1，表示未破壞(屈服面內部)；Fs<1，表示已破壞(屈服面外部)；Fs=1，表示處于臨界狀態(屈服面上部)。

圖3 充填體位移云圖

圖4 充填體主應力云圖

目前，對于巖土介質，Mohr-Coulomb 屈服條件是工程界應用最為廣泛的屈服條件之一，其主應力表示形式為

(3)

式中,σ1,σ2,σ3均為主應力；c為內聚力；φ為內摩擦角。

根據式(3)可得，滿足 Mohr-Coulomb 屈服條件的巖體破壞安全系數：

(4)

3.2.2 充填體安全系數計算

對充填體布設了監測點，提取其主應力，運用Mohr-Coulomb準則對監測點進行了安全系數分析。充填體監測點布置如圖5所示。

提取充填體監測點的主應力值，根據公式(4)進行計算可得出不同水平充填體監測點的安全系數如表3～表5所示。

3.3 地表變形控制效果分析

地表變形控制效果運用對比的方法進行分析，對采場開挖不充填和充填2種方法開采對地表的變形進行對比。

選取礦區的66線和68線在地表布設監測點，提取不同方案的模擬結果進行分析。測點布置如圖6所示。測點沉降值對比如表6～表7。通過不同方案的地表監測點沉降值對比表和曲線圖，可以清晰的看出采用充填后對地表變形值控制明顯。

(a)346 m水平監測點布置 (b)323 m水平監測點布置 (c)303 m水平監測點布置

表3 第一水平充填體監測點安全系數

表4 第二水平充填體監測點安全系數

表5 第三水平充填體監測點安全系數

圖6 地表變形控制效果分析測點布置

4 結 論

(1)充填體垂直方向位移變化值為水平位移的近5倍，整體處于受壓狀態，應力值小于充填體抗壓強度，各水平充填體敏感區域的安全系數在5左右，滿足要求。采用充填治理后地表變形值降低至50%，充填效果顯著。

表6 66線不同采礦方法測點沉降對比表

表7 68線不同采礦方法測點沉降對比

(2)建立的滯留采空區治理效果分析模型，在保證保證充填體強度和接頂率的前提下，對空區充填治理方案實施和類似礦山治理具有指導意義。

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(責任編輯 石海林)

Filling Treatment Effect Analysis of Retained Goaf in Iron Deposit

Lu Hongjian1,2Li Jiahui1Dong Xiaoyi1Zhao Zongzheng1Pan Zuying1

(1.CollegeofMineEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063000，China；2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique，Tangshan063000，China)

Based on the finite element theory，the treatment effect analysis of retained goaf in iron deposit was put forwards from the main factors of the safety evaluation on filling mass at retained goaf and the control of surface deformation.Taking an example of a typical mine，and based on analysis of the filling mass′s displacement and stress field′s regularity after filling of gob，the safety factor at sensitive points of filling mass was calculated with Mohr-Coulomb criterion.The surface deformation control effectiveness with filling or no filling after excavation was analyzed through comparison.The filling effect in the iron ore deposits was comprehensively analyzed.The conclusion was made as follows:The vertical displacement of the filling body is 5 times of horizontal displacement.The total filling mass is in the state of compression，and its stress value is less than the compression strength.The safety factor at the sensitive area of the horizontal filling mass is about 5，which satisfies the requirements；The surface deformation after filling governance is reduced to 50%，so the filling effect is remarkable.The treatment effect analysis model of retained goaf established plays a guiding role in implementing the filling scheme and in treating the similar mines on the premise of ensuring the strength of filling mass and the rate of supporting pit roof.

Iron deposit，Retained goaf，Treatment effect，Analysis method

2014-04-07

河北省自然基金項目(編號：E2014209093)，河北聯合大學創新實驗項目(編號：X2013009)。

盧宏建(1980—)，男，副教授，博士。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-134-05