某鐵礦廢石充填采空區保護豎井安全的可靠性分析

黨高鋒

（河北蘊海礦山工程設計服務有限公司）

某鐵礦已有箕斗井和盲罐籠井位于老采空區巖石移動范圍之內，存在一定的安全隱患，為了保證井筒的使用安全，礦山對井筒保安礦柱范圍內的采空區進行了廢石充填處理。本研究采用大型有限元模擬軟件對采空區的圍巖位移和塑性破壞區進行二維模擬計算，分析采空區充填后圍巖位移和塑性破壞區域發展趨勢，以研究廢石充填采空區［1］后井筒的安全能否得到保障。

1 礦山工程及采空區概況

該礦采用豎井—盲豎井開拓方案，生產規模為10萬t/a，箕斗井和盲罐籠井為主要的生產用井。箕斗井主要承擔420 m水平以上礦石的提升任務，箕斗井井徑3.5 m，井深230 m；盲罐籠井井徑4.0 m，井深180 m，主要承擔420 m水平以下礦石、廢石、人員、材料等提升任務。

該礦礦體為急傾斜薄礦體，礦體傾角為75°～88°，平均厚度為3 m。礦山以往采用淺孔留礦采礦法開采，形成的采空區寬度一般為礦體厚度，采高一般在30 m左右，開采后留設有礦柱支撐采空區，采空區相對穩定［2］。

礦山的2條主要生產豎井均位于已有采空區巖石移動影響范圍之內，存在一定的安全隱患，如廢棄重新打井，將給礦山造成巨大的損失。礦方與設計單位經多次協商研究，通過多種方案比較后，考慮該礦采空區規模不大、圍巖條件較好、空區相對穩定的情況，最終確定采用廢石對豎井保安礦柱范圍內的采空區進行充填，以保護豎井的安全，同時最大限度地節約治理成本。

2 模型的建立及參數的選取

2.1 模型的建立

采用大型有限元模擬軟件對礦體開采過程進行二維模擬［3］。豎井典型剖面模型網格見圖1，模型長為380 m，高為500 m，劃分為1 279個單元。

2.2 參數的選取

要想獲得有價值的有限元分析結果，模型參數的選取非常重要。分析的直接數據來源即為模型中輸入的材料參數，因此模擬過程中所采用的材料參數也必須與工程實際相符合。本次模擬分析中的材料參數主要來源于礦山地質報告中提供的巖石力學實驗參數，廢石充填力學參數［4］參照相關文獻，采用工程類比法獲得［5］。分析中所采用的材料參數見表1。

3 模擬步驟及結果

3.1 模擬步驟

具體的模擬步驟［6］見表2。

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3.2 模擬結果

515，470，420，370 m水平開挖圍巖水平位移與水平應力模擬結果分別見圖2~圖5。515~370 m水平采空區廢石充填后圍巖水平位移與水平應力模擬結果見圖6。

因礦體為近似直立礦體，礦體開挖后上下盤巖體位移規律相近。礦體開挖后，采空區上下盤圍巖位移隨開采深度增加，水平位移和水平應力呈增大趨勢。采空區充填后，上下盤圍巖位移在采空區上下盤10~15 m范圍內，位移值在1~2 cm，發生塑性變形。模擬結果顯示，采空區采用廢石充填后，圍巖位移變化和沒有塑性變形結果范圍得到有效控制，塑性破壞區范圍未波及到豎井，豎井安全可以得到保障。

4 結論

通過有限元數值模擬某鐵礦采空區廢石充填后圍巖水平位移與水平應力以及塑性破壞區發展趨勢和影響范圍，得出該礦豎井保安礦柱內的采空區采用廢石充填后，圍巖位移和塑性破壞區范圍得到了有效的控制，未影響到豎井，能夠保證豎井的安全。據了解，該礦豎井已使用十多年，目前還在使用中，說明數值模擬結果與現場實際基本相符，具有一定的參考意義。