崩落圍巖處理采空區對尾礦庫的影響研究

劉王政　張云鵬　劉愛興,2　鄭文龍

(1．華北理工大學礦業工程學院；2．徐州鐵礦集團有限公司；3.河北鋼鐵集團司家營鐵礦)

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崩落圍巖處理采空區對尾礦庫的影響研究

劉王政1張云鵬1劉愛興1,2鄭文龍3

(1．華北理工大學礦業工程學院；2．徐州鐵礦集團有限公司；3.河北鋼鐵集團司家營鐵礦)

摘要某鐵礦地下采空區的地表為尾礦庫的一部分，為確保尾礦庫穩定，采用崩落充填法處理后運用“三帶”理論、巖石移動帶理論及數值模擬對采空區進行研究。結果表明，崩落處理采空區后，地表水平位移和豎直位移均處在標準范圍內，地表沉降裂隙帶距尾礦庫最小距離為127 m，采空區處理后能夠保證地表尾礦庫穩定。但隨著該礦深部礦體的進一步開采，應加強對地表裂隙帶范圍的監控，以保證尾礦庫的安全。

關鍵詞崩落圍巖采空區尾礦庫穩定性分析

隨著時間的推移，滯留的采空區將誘使上覆圍巖發生沉降，對深部礦體的安全開采產生嚴重影響。上覆圍巖沉降發展到地表形成一定區域的巖石移動帶，在移動帶內建構物的穩定性將受到嚴重影響，給礦山及附近居民的生活帶來巨大的安全隱患。

國內外許多專家研究了礦山地下開采引起地表沉陷及對地表建筑物的影響，并取得了較多成果。前蘇聯專家阿維爾申運用塑性理論，得出礦體采空后引起地表下沉盆地剖面方程，形成了水平移動與地面傾斜成正比的結論[1]；梁力等人利用ANSYS有限元分析軟件，對尾礦壩穩定性進行了數值模擬分析[2]；李宏儒等人采用有效應力算法對壩體邊坡的穩定性進行了數值模擬分析[3]；李國政等運用結構可靠度指標，對壩體穩定性進行了評價研究[4]。然而，崩落法處理后采空區對地表尾礦庫穩定性的影響研究相對較少。

以某地下鐵礦為例，該礦采區共有3條礦體：由北向南分別為Fe1#、Fe2#和Fe3#礦脈，其中Fe1#正在開采，220 m水平以上Fe2#和Fe3#礦脈已采完，形成采空區，采用崩落法治理采空區并回收礦柱。在采區上盤存在即將廢棄的尾礦庫，庫區面積約6.25萬m2，庫容約250萬m3。隨著礦床開采深度的逐漸加大，采空區及其周圍可能產生下沉或塌陷，并誘發裂隙。由于尾礦庫的一部分位于采空區巖石移動范圍內，本文采用三帶理論、巖石移動帶分析法和數值模擬，對崩落圍巖處理的采空區進行研究分析，以確保礦山正常生產及尾礦庫的穩定。

1采空區對地表影響評價方法

1.1三帶理論分析方法

礦床開采后，空區圍巖及上覆巖層在應力重新分配的過程中運動。為研究其移動破壞規律，由下至上依次將巖層移動劃分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，如圖1所示。通過計算分析得出地表建構物所處的巖層移動帶，并判斷其穩定性。

圖1　采空區上覆巖層三帶示意

(1)冒落帶。空區頂板所屬巖層發生彎曲、變形以及斷裂、冒落等破壞。冒落帶高度為：

(1)

式中,m為采高，m；kp為巖體松散系數，為1.25～1.50。

(2)裂隙帶。巖層沿層理方向發生裂隙進而產生破壞，下沉量及變形量大，位于兩帶之間。

(3)彎曲下沉帶。位于裂隙帶上方至地表，該范圍內巖層受自重影響，發生層面法向彎曲下沉且不斷裂。

1.2巖石移動帶分析方法

地下采空區促使巖體原有應力的平衡發生改變，在新應力平衡過程中，采空區周圍巖體發生的形變和移動會逐漸延展至地表，使地表形成一定范圍的移動帶和塌陷帶，空區底部與移動帶邊緣連線和水平面所形成的夾角叫做移動角。在移動帶以內的地表建筑物及施工工程，都可能會受到巖體移動的影響而發生破壞，如圖2所示。通過計算巖石移動角和塌落角，判斷地表建構物是否處于移動帶內。

1.3巖石移動帶分析方法

隨著計算機技術的發展，數值模擬方法在地質環境復雜、不利于現場試驗的地下工程研究中得到廣泛應用。在已知礦巖體物理參數的條件下，通過建立數值模型對采空區及上覆圍巖進行模擬研究，分析地表形變量及應力分布圖，進而得出空區的穩定性及對地表建構物的影響程度。

圖2　巖石移動帶與塌陷帶范圍

2穩定性綜合分析

2.1三帶理論分析

采空區崩落的圍巖為散體，壓實后會在頂部出現少量空區，每個階段采空區崩落的巖石充滿率按95%計算。尾礦庫位于勘探線3-3和3-7附近，故選取這兩個剖面為研究對象，結合礦山開采現狀及巖性，取巖體松散系數為1.3，裂隙帶高度取采高的25倍，計算各勘探線巖體的冒落帶和裂隙帶高度。如表1所示。

表1　各勘探線冒落帶高度計算結果

由表1可知，在3-3線剖面上，礦體Fe1#、Fe2#、Fe3#采出后，崩落采空區圍巖形成的冒落帶高度均小于采高，但裂隙帶高度均大于采高，地表產生裂隙；在3-7線剖面上，Fe1#及Fe3#采空區處理后形成的冒落帶和裂隙帶高度均小于采高，對尾礦庫穩定性無影響，Fe2#采空區處理后形成的冒落帶高度小于采高，裂隙帶高度超過采高，地表存在裂隙。綜合分析地表裂隙并不發育，對地表尾礦庫穩定性影響不大，但隨時間推移裂隙將進一步發育，可能對尾礦庫產生影響，應加強對地表監測，及時消除尾礦庫的安全隱患。

2.2巖石移動帶理論分析

采用工程類比法，選取上下盤的巖石移動角65°，崩落角70°，據此圈定3-3線及3-7勘探線剖面的巖石移動范圍和巖石崩落范圍，如圖3、圖4所示。

圖3　3-3線剖面移動帶

圖4　3-7線剖面移動帶

由圖3、圖4可知，按選定角度圈定的巖石移動范圍和崩落范圍，一部分尾礦庫位于圈定的范圍內，表明尾礦庫存在安全隱患，但對尾礦庫的排水涵管無影響。由于該方法沒有考慮礦體埋深、礦體厚度等因素，因此具有一定的局限性。

2.3“三帶”和巖石移動帶理論綜合分析

“三帶”理論可以分析出采空區的變形破壞能否延展至地表，但對地表的影響范圍不能確定。巖石移動帶理論能夠彌補“三帶”理論的不足，便于確定地表影響范圍。本次研究基于“三帶”理論，采用巖石移動帶評價方法對采空區進行綜合評價，最終得出采空區對地表的影響范圍，結果如圖5、圖6所示。

圖5　3-3線剖面移動帶

由圖5、圖6可知，3-3及3-7剖面有部分采空區的裂隙帶發育至地表，距尾礦庫最小距離分別為127.43 m和196.06 m，所有采空區冒落帶高度均小于采高，故采空區對尾礦庫穩定性基本無影響。根據巖石移動理論計算分析處理后，采空區地表裂隙帶范圍如圖7所示。尾礦庫位于崩落法處理采空區地表裂隙帶范圍之外，尾礦庫的穩定性能夠得到保障。

圖6　3-7線剖面移動帶

圖7　巖石移動界限

2.4數值模擬綜合分析

基于有限元ANSYS軟件，建立采空區數值模型，分別對采空區處理前后的地表水平及豎直位移進行模擬研究，分析尾礦庫最大位移變化，最終圈定巖石移動對尾礦庫的影響范圍。

2.4.1模型建立及巖石力學參數

針對3-3及3-7兩個剖面，分別建立(長×高)566 m×500 m、626 m×504 m的兩個巖體數值模型，選取plane 82模型單元，模型左右兩側施加水平位移約束，底部施加垂直位移約束，地表為自由面。礦巖力學參數如表2。

表2　礦巖力學參數

2.4.2采空區未處理時數值模型

當采空區未處理時，通過施加重力場，對兩剖面采空區進行數值模擬，分析采空區對地表水平位移影響，如圖8～9所示。

圖8　3-3采空區未處理時位移云圖

圖9　3-7采空區未處理時位移云圖

依據采空區建筑地基穩定性評價標準，水平方向位移變化量為0～14 mm、垂直方向位移變化量為0～40 mm時，采空區對地表無影響。由圖8～圖9可知，兩個剖面水平位移分別為2 mm和4 mm，未超過水平位移變化量；兩個剖面的豎直位移為分別52 mm和60 mm，均大于豎直位移變化量。因此，采空區未處理不利于地表尾礦庫穩定。

2.4.3崩落處理采空區數值模型

崩落充填采空區后，通過數值模擬研究，地表水平及豎直位移較采空區未處理時變化較大，結果如圖10～11所示。

圖10　采空區處理后3-3位移云圖

由圖10～11可知，剖面3-3和3-7的水平位移分別為6 mm及5 mm，豎直位移分別為30 mm和20 mm，采空區地表影響范圍距尾礦庫最小距離分別為57 m和68 m。根據評價標準沉降量，剖面3-3和 3-7采空區對地表尾礦庫無影響，崩落處理采空區，有效的控制了空區對地表的影響范圍，確保了尾礦庫穩定。

圖11　采空區處理后3-7位移云圖

3結論

針對該礦空區現狀及尾礦庫與采空區的空間位置關系，選定3-3和3-7兩個典型剖面，分別運用巖石移動帶理論、“三帶”理論、綜合兩種方法及數值模擬對采空區進行分析。研究表明，采用崩落法處理采空區后，地表裂隙帶范圍減小，水平和數值位移沉降量降至安全范圍內，對地表影響很小，采空區地表破壞點距離尾礦庫最小距離為127 m，確保了尾礦庫穩定性。但隨著深部礦體的進一步開采，裂隙還會逐漸發展，應加強監測，確保安全生產。

參考文獻

[1]孫超,薄景山,孫有為.采空區沉陷研究歷史及現狀[J].防災科技學院學報,2008(4):128-131.

[2]梁力,李明,王偉,等.尾礦庫壩體穩定性數值分析方法[J].中國安全生產科學技術,2007,3(5):11-15.

[3]李宏儒,胡再強，陳存禮，等.金堆城尾礦壩加高方案數值模擬及穩定性分析[J].巖土力學,2008，29(4):1138-1142.

[4]李國政,李培良,徐宏達.基于結構可靠度指標的尾礦庫壩體穩定性分析[J].黃金，2005，26(6)：48-50.

(收稿日期2015-10-27)

Study of the Influence of Using Caving Rock to Deal with Goaf to Tailings

Liu Wangzheng1Zhang Yunpeng1Liu Aixing1,2Zheng Wenlong3

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology;2.Xuzhou Iron Group Co.,Ltd.; 3.Sijiaying Iron Mine, Heibei Iron & Steel Group Co.,Ltd.)

AbstractPart of the tailings is existed at the surface of a underground iron mine goaf, in order to ensure the tailings stability, the caving filling method is adopted to deal with the goaf, the “three zones”theory, rock displacement belt theory and numerical simulation method are adopted to analyze the tailings stability. The results show that, after dealing with the goaf by caving filling method, the surface horizontal displacement variation and vertical displacement variation are within the standard range, the minimum distance of surface subsidence fissure belt to tailings is 127 m, the goaf treatment could ensure the surface tailings stability, with the further mining of the deep ore-body of the mine, it is necessary to strengthen the monitoring of surface crack zone so as to ensure the safety of surface tailings.

KeywordsCaving rock, Goaf, Tailings, Stability analysis

劉王政(1988—)，男，碩士研究生，063009 河北省唐山市新華西道46號。