鐵礦床多層空區穩定性分析及評價

任家新　陳　超

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北鋼鐵集團有限公司黑山鐵礦)

?

鐵礦床多層空區穩定性分析及評價

任家新1,2陳超1

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北鋼鐵集團有限公司黑山鐵礦)

摘要通過數值模擬軟件ANSYS對某地下礦采空區穩定性進行分析。選擇不同階段高度、暴露面積較大的采空區為對象，建立數值模型，設置邊界條件及物理參數。模擬結果表明，在自重應力下對礦體開挖后，目前采空區保持相對穩定的狀態，但各中段采空區在空間位置上重疊的部位容易引起應力集中現象，存在安全隱患。

關鍵詞采空區數值模擬穩定性分析

礦石開采形成了地下采空區，破壞了原巖應力的初始平衡狀態，產生的次生應力場使圍巖的應力重新分布，達到新的平衡。在這一過程中，如果對空區處理不及時或方法不當，將會發生一系列的地質災害，嚴重影響人的生命財產安全，給企業發展帶來不利因素，后果嚴重。

以河北承德某礦為研究背景，該礦2006年投產，主要開采Fe23礦體。該礦區地表南側100 m處修建了鐵路、公路、礦區辦公室、職工宿舍、文化活動中心等公共設施，采空區的存在對地表建筑的安全構成了威脅。礦區東側還有相鄰礦區開采，而且部分巷道相通，二者開采互相影響。礦山經多年開采形成一定規模的采空區，目前，空區還未出現垮落現象，但隨著采空區暴露時間的增加，空區圍巖應力值的改變，地壓活動也會愈加頻繁、明顯[1]，逐漸威脅地表建筑物的安全。所以，應對現已有空區的穩定性進行分析，為礦山進行采空區處理提供合理的建議，保障礦區及附近居民生命財產和建筑物的安全[2]。

1　工程概況

1.1礦體特征

該鐵礦賦存于太古界單塔子群白廟組地層中，多呈似層狀或透鏡狀分布，總體傾向自北向東，傾角33°～85°，厚度Fe23為8.37～10.16 m，礦體的形態和產狀嚴格受片麻巖構造線方向及產狀控制。

1.2采空區現狀

礦區目前已建礦井2個，均在巖石移動界線之內，現已開采346，323和303 m 3個中段，空場法開采，為巷道挑頂型采場，運輸巷道布置在脈內，巷道即采場，采高10 m左右，頂柱高10 m左右。采空區情況詳見表1。

表1　采空區情況

2　模擬結果分析

2.1模型參數設置

通過對礦山采空區的實際調研并對部分采空區進行簡化后，模型尺寸(長×寬)為340 m×380 m，總單元數為3 134個，節點數為9 633個。把模型X軸方向設置為水平位移，模型Y軸從底部到地表方向設置為垂直位移，模型上部邊界應力施加相應的垂直荷載。模型變形設置為大變形。為了計算方便，假設模型介質是連續、均質、無初始應力和各向同性的彈塑性材料。選取材料力學參數見表2。

表2　數值模擬計算參數

2.2模擬結果

本次采空區穩定性計算采用二維模型，對初始模型設置應力參數及邊界條件后，先進行未開采模型計算，再進行采空區模型計算。計算結果主要有：采空區剖面模型開采前和開采后X、Y方向的位移；采空區剖面模型開采前和開采后Y方向應力及剪切方向應力。

通過ANSYS程序模擬計算，得出空區周圍的應力分布和位移分布圖，以Y=25 m，Y=80 m和Y=100 m的不同斷面為例，分析計算空區結果。

由模擬圖可知，礦體被開采完后，原巖應力場的自然平衡狀態被打破，在上覆巖層的作用下，采空區周圍巖體及頂板被破壞的應力重新分布平衡，采場內側巖體產生的集中應力得到了釋放減緩，采場上盤圍巖失去其下部原有礦體的支撐，在采場的頂底板及圍巖的不同位置均產生了應力集中現象。由于下覆巖層的作用，采空區周圍巖體被破壞的應力重新分布平衡，采場內側巖體產生的集中應力得到了釋放減緩。分別對這些壓應力集中及拉應力集中的地方進行分析，通過結果判斷其影響范圍及位移大小。

2.2.1Y=50 m

從圖1～圖4可以看出，不同深度中段的采空區出現的應力集中現象，并且有的地方可看作是對稱分布。其中303 m 中段由于空區所處位置及埋藏較深，空區頂底板及兩側都出現了較大的拉應力,局部地區的最大拉應力達到了1.41 MPa，空區兩幫偏上部分地區表現出了壓應力集中的現象，最大壓應力值為3.04 MPa。從空區周圍的剪應力等值線分布看出，303 m中段的空區剪應力最大值分布在空區的兩個對角上，剪應力的最大值是1.24 MPa。

圖1　Y=25 m空區分布

圖2　Y=25m豎直應力分布

圖3　Y=25 m剪切應力分布

圖4　Y=25 m豎直方向位移

從Y軸的縱向位移剖面圖可知，空區四周的巖體(包括空區頂底板及兩幫)都出現了向空區內部有大小不同的位移，其中303 m中段空區的頂板向下移動的最大值是13.3 cm，相對來說位移較大。

2.2.2Y=80 m

圖5～圖8是礦體開挖后，采場Y=80 m縱截面內空區、受力、位移分布趨勢。

圖5　Y=80 m空區分布

圖6　Y=80 m豎直應力分布

圖7　Y=80 m剪切應力分布

圖8　Y=80 m豎直方向位移

由圖6可知，由于303,323,343 m中段空區的形成，在各個空區頂板偏兩側的位置表現出了拉應力集中現象，最大拉應力為1.83 MPa，而空區周圍則表現壓應力，其最大值為3.53 MPa。從圖7可知，空區剪應力主要分布在空區的頂角位置，剪應力的最大值是1.06 MPa。

圖8表示開挖完畢后，在采場Y=80 m處的縱截面豎直方向位移，從圖中可以看出，采場上盤圍巖下沉，位移最大值為66 mm，發生在343 m中段空區的頂板圍巖處，應多加注意觀察。

2.2.3Y=100 m

圖9～圖12為礦體開挖后采場Y=100 m縱截面內的空區、應力、位移分布趨勢。

圖9　Y=100 m空區分布

圖10　Y=100 m豎直應力分布

圖11　Y=100 m剪切應力分布

圖12　Y=100 m豎直方向位移

由圖10、圖11可知，礦體開采后，采空區圍巖內側巖體的應力得到了釋放，采場上盤圍巖失去其下部原有礦體的支撐，在采場的頂底板四角處都出現了拉應力，最大值是1.47 MPa，而在303 m中段處有壓應力2.54 MPa。

圖12表示開挖完畢后，在采場Y=100m處的縱截面豎直方向位移，從圖中可以看出，采場上盤圍巖下沉，位移值為1.4cm，礦體四周也出現了不同程度的輕微位移。

3　結　論

(1)由于埋藏較深，在不同斷面分析中，303m中段的采空區頂板與圍巖均有較大位移，頂板、圍巖和礦柱都會出現不同程度的冒落和塌陷等危險，空區圍巖不穩定，需要加強檢測和安全防護。

(2)采空區形成后，303m中段采空區的頂板和礦柱部分區域的應力集中現象最為嚴重，對礦柱和頂板都有較大的影響。

(3)在303，323，343m中段中，303m中段采空區穩定性最差，垮塌可能性最大，急需加強監測與治理。

參考文獻

[1]付士根,李全明,王云海,等.采空區對地表建筑物的影響評價方法研究[J].中國安全科學學報,2007(8):143-147，2.

[2]盧宏建,甘德清.鐵礦床滯留采空區穩定性綜合分析模型[J].金屬礦山,2013(3):62-65.

(收稿日期2016-05-12)

Stability Analysis and Evaluation of Multi-layer Goaf of Iron Deposit

Ren Jiaxin1,2Chenchao1

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

AbstractThe stability of the goaf of a underground mine is analyzed by adopting ANSYS numerical simulation software.The goaf with the characteristics of difference section height and large expose area is taken as the study example to establish numerical model,the model boundary conditions and physical parameters.The simulation results show that under the action of gravity stress,after the excavation of the ore-body,the goaf is maintained a relatively stable state,the overlapping parts of the goafs of different section on the spatial location is easy to cause the stress concentration phenomenon,therefore,the safe hidden trouble is existed.

KeywordsGoaf,Numerical simulation,Stability analysis

任家新(1982—)，男，助理工程師，碩士研究生，067412 河北省承德縣高寺臺鎮。