鐵礦開采對高壓線路塔基變形影響數值模擬研究

畢振東 崔宇鵬 夏 鵬 張明偉 董 山

(1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101； 2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

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鐵礦開采對高壓線路塔基變形影響數值模擬研究

畢振東1崔宇鵬2*夏 鵬2張明偉2董 山1

(1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101； 2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

為了研究鐵礦未來采空區對高壓線路塔基變形影響，采用FLAC3D軟件，對鐵礦充填開采過程進行了數值模擬，結果表明：因地下開采引起的最大地表位移在礦體兩端移動范圍邊界附近，地表水平變形趨勢為兩側向中間移動，在礦體兩端移動范圍內呈現對稱分布，整個開采過程發生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右，對塔基變形及位移影響甚微。

鐵礦，數值模擬，傾斜性礦體，塔基

0 引言

目前，鐵礦充填開采法對地表建筑物影響的研究已經比較成熟，張滔等人[1]運用有限元方法對金屬礦山充填開采進行數值模擬，分析充填開采對民宅建筑物的影響，王平等人[2]通過孔隙介質固液耦合的三維有限元法對采礦進行數值模擬，分析地表沉降問題。王曉軍等人[3]通過數值模擬手段分析了充填井下關鍵隔離層對地表沉陷的影響。但是對急傾斜礦體開采引起的地表沉降的研究還不是很多見。研究充填采礦法對地表建筑的影響，由于礦區地質條件的復雜性，采用物理力學模型模擬方法很難將地表的變形規律表述清楚，然而采用數值模擬方法可以彌補這個缺陷。本文在前人研究的基礎上，以勝宏鐵礦為背景，基于FLAC3D軟件分析急傾斜礦體充填開采造成的地表變形以及地表建筑物高壓輸電線塔基的變形規律。

1 工程概況

某±800 kV特高壓直流輸電工程，線路由于路徑走廊限制，在山東省汶上縣境內需要穿越鐵礦礦區。為了確保直流輸電工程線路安全運行以及鐵礦開采的順利進行，開展鐵礦開采對塔基沉降數值分析。

某鐵礦采用地下開采方式。設計采用下盤豎井開拓系統；單翼對角式通風系統，主井進新風，風井回風；主井、風井均設置梯子間作為井下安全出口；主井工業場地附近設充填制備站。

根據礦體賦存深度，礦量分布和采礦方法構成要素，確定階段高度為55 m。劃分為-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四個中段，-29 m為回風水平。

階段開采順序為：-249 m～-194 m→-194 m～-139 m→-139 m～-84 m→-84 m～-29 m→-249 m水平以下→-29 m水平以上。階段內礦塊采用后退式開采順序，即由風井一側向主井方向推進。

根據礦床地質條件及礦、巖性質，并參考同類型礦山的實際經驗，本礦床開采崩落范圍的圈定，第四系取45°，基巖層巖石移動角均取70°。

根據礦體的賦存條件，礦體按厚度屬于中厚及厚礦體，按傾角屬于傾斜及急傾斜礦體，按穩固性屬于穩固礦體。考慮到地表不能塌陷且不能破壞第四系護頂礦柱，同時以提高回采率、降低采礦貧化率為目標，本著安全、可靠、環保以及可持續性發展的原則，采用淺孔留礦采礦法。

淺孔留礦采礦法適用于厚度小于8 m的礦體。礦塊沿走向布置，標準礦塊長度50 m，高度為階段高度55 m，寬度為礦體水平厚度，間柱6 m，頂柱3 m，不設底柱。

礦房內淺孔鑿巖分層落礦，落礦的分層高度不小于2 m。采場鑿巖采用7655型鑿巖機，炮孔直徑約40 mm，爆破采用乳化炸藥，裝藥方式采用人工，起爆材料采用導爆管。

每次落礦后放出崩落礦石的1/3，其余約2/3的崩落礦石留在采場內支撐上盤圍巖，并作為回采的工作平臺。

整個礦房落礦完畢后進行集中放礦。礦體傾角大于50°時崩落礦石借自重放出，礦體傾角小于50°時崩落礦石不能借自重放出，礦房內需要輔助電耙出礦，底部采用鏟運機出礦。均采用尾砂+膠固粉嗣后一次充填。

輸電線路與鐵礦相互影響范圍確認圖如圖1所示。

2 三維建模及計算

采開FLAC是快速拉格朗日差分分析開展采礦過程對上覆塔基的變形影響分析。三維模擬計算的主要目的是通過對鐵礦-29 m～-84 m中段、-84 m～-139 m中段、-139 m～-194 m中段、-194 m～-249 m中段、-249 m以下礦體、-29 m以上礦體等礦體的開采，分步模擬地下開采對地表變形和塔基沉降產生的影響，從而給出結論。

根據開拓系統縱投影圖、勘探線剖面圖和礦體總平面布置圖，推斷出礦體的三維空間分布，將礦體簡化為等厚層，利用ABAQUS建立三維模型，模型長1 367 m，寬800 m，高623 m。

本次數值模擬利用ABAQUS建立三維模型，模型包括礦區整體模型、護頂礦柱模型、礦體中間夾層模型、礦柱模型和開采礦體模型，具體如圖2～圖6所示。

通過轉換程序將模型導入到FLAC3D中，如圖7，圖8所示。模型共計113 155個單元體，包含119 880個網格節點。土體采用8節點六面體實體單元模擬，土體結構計算采用摩爾—庫侖本構模型。

根據地質勘探報告，地表及以下55 m為第四系松散巖層，其余為巖體，充填體參數參考文獻《金川二礦貧礦開采充填設計優化及數值分析》并結合鐵礦充填參數選取，礦體參數參考勘察報告。具體數值如表1所示。

表1 計算采用的礦巖物理力學參數表

三維模擬方案技術路線及實施程序如圖9所示。

根據礦體賦存深度，礦量分布和采礦方法構成要素，設計確定階段高度為55 m。礦山劃分為-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四個中段，-29 m為回風水平。階段開采順序為：-249 m→-194 m→-139 m→-84 m→-249 m以下礦體→-29 m以上礦體。

根據現場地質勘查剖面圖以及已有的CAD圖形數據估算出塔基的地理位置如圖10所示。

3 礦山開采全過程模擬計算分析

最終沉降位移云圖如圖11所示。分析上述地表沉降云圖可知，地表豎向最大值出現在礦體投影到地表的區域，并向四周逐漸減小。地表豎向位移隨著礦體的開挖不斷增大，最大沉降位移值約為44 mm。地表水平位移在礦體投影到地表區域呈現對稱分布，距離礦體越遠，位移值越小，隨著礦體的開挖，水平位移的值逐漸增大，最大水平位移值約為20 mm。

縱剖面、橫剖面地表豎向位移隨施工步驟變化曲線圖如圖12，圖13所示。分析圖12可知，隨著礦體的開挖，地表先沉降，位移的分布呈現拋物線形分布，隨著開挖中段逐漸接近地表，拋物線出現反轉，出現局部隆起現象。塔基所在位置符合沉降的總體趨勢，先沉降，后隆起，但是位移值很小，位移值不到0.1 mm，幾乎可以忽略不計。

分析圖13可知，地表豎向位移呈現“橫S形”分布，隨著礦體的開挖，沉降值逐漸增加，塔基所在位移變化趨勢先沉降后隆起，沉降值不足0.1 mm，位移很小，幾乎可以忽略不計。

4 結語

根據鐵礦礦區礦產地質特點和開采方法、開發方案等，以及線路工程塔基設計情況，采用有限差分數值模擬方法，建立了FLAC3D數值模型，對上覆巖層及地表的移動規律和采場地壓顯現進行了研究，得出了開采沉降的規律，主要結論如下：

1)計算模型水平方向范圍內因地下開采引起的最大地表位移在礦體兩端移動范圍邊界附近，礦山六步開采完成后，地表的最大沉降在44 mm左右。

2)礦體開采引起的地表水平變形趨勢為從兩側向中間移動，在礦體兩端移動范圍內呈現對稱分布，整個開采過程發生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右。水平位移與豎向位移相比受開采影響不顯著。

3)礦體開挖對塔基變形影響很小，最終開挖完成后塔基所在位置地表豎向位移不到0.1 mm，可以忽略不計。計算結果表明，地下礦體開采引起的塔基變形在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》允許范圍之內。

4)鐵礦開采對塔基變形及位移影響甚微。

[1] 張 滔,許夢國,歐陽治華.某黑色金屬礦山充填采礦法的數值模擬[J].黃金,2005(11):24-27.

[2] 王 平,許夢國,李惠強.充填采礦法和崩落采礦法對地表影響的計算機數值模擬分析[J].工業安全與環保,2010(10):50-52.

[3] 王曉軍,方勝勇,劉績勛.充填井下關鍵隔離層控制地表沉陷的數值模擬[J].金屬礦山,2010(10):13-16.

[4] 張梅花,高 謙,翟淑花.金川二礦貧礦開采充填設計優化及數值分析[J].金屬礦山,2009(11):28-31.

[5] 國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社,2000.

Numerical simulation research on the impact of iron mine mining upon high-voltage tower foundation deformation

Bi Zhendong1Cui Yupeng2*Xia Peng2Zhang Mingwei2Dong Shan1

(1.ShanxiMetallurgyDesignInstituteCo.,Ltd,Jinan250101,China;2.CollegeofCivilConstruction&Hydraulic,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In order to study the impact of future iron mine mined out area upon high-voltage line tower foundation deformation, the paper applies FLAC3Dsoftware, and carries out numerical simulation for the mine mining process. Results show that: maximum ground surface displacement owning to underground mining is within the mine body lateral moving area; surface horizontal displacement trend is from the lateral side to the middle, which is symmetrical distribution within lateral mine moving scope; the maximum value of the left and the right horizontal displacement of the whole mining process is about 20 mm, which has little influence upon the tower foundation deformation and displacement.

iron mine, numerical simulation, unbalanced ore body, tower foundation

1009-6825(2017)10-0077-03

2017-01-22

畢振東(1975- )，男，工程師； 夏 鵬(1989- )，男，在讀碩士； 張明偉(1989- )，男，在讀碩士； 董 山(1977- )，男，工程師

崔宇鵬(1989- )，男，在讀碩士

TU470

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