某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析及模擬填充處理方案

張逢義，王 明

（山東乾舜礦冶科技股份有限公司，山東 濟南 250014）

鐵礦開采在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中占有極為重要的地位。作為世界第一鋼鐵產(chǎn)量大國，我國目前的鐵礦石主要依賴進(jìn)口，因此，國民經(jīng)濟發(fā)展對鐵礦石的需求越來越大。國內(nèi)鐵礦在開采過程中也滋生了濫采濫挖，違法開采等問題，尤其是早期鐵礦開采時，由于技術(shù)和設(shè)備比較落后，導(dǎo)致鐵礦開采后遺留了大量采空區(qū)，這不僅造成了地表塌陷和人員傷亡，也導(dǎo)致了在進(jìn)一步回采過程中開采難度的增加[1]。

2015年12月25日，山東省臨沂市平邑石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)塌陷事件，29名礦工被困，有19名涉事人員被處分。據(jù)事故調(diào)查報告顯示，塌陷區(qū)域東西長約1220m，南北寬約660m，面積約為0.61平方公里。事故發(fā)生的直接原因在于石膏礦采空區(qū)經(jīng)過多年風(fēng)化，采空區(qū)上部石灰?guī)r垮塌并誘發(fā)礦震，導(dǎo)致相鄰玉榮石膏礦頂部石灰?guī)r塌落，巷道坍塌，因此，采空區(qū)穩(wěn)定性分析是礦區(qū)開采的一個重點問題。本文旨在結(jié)合某鐵礦采空區(qū)具體案例，提出鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定分析方法和采空區(qū)處理方案，為鐵礦采空區(qū)的治理和礦山的進(jìn)一步開采提供相關(guān)方案，并充分結(jié)合鐵礦開采區(qū)礦柱穩(wěn)定性情況，采用區(qū)域地壓監(jiān)測方案，保證鐵礦后期能夠安全的可持續(xù)性開采。

1 室內(nèi)巖體力學(xué)試驗

1.1 室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗

鐵礦礦體主要由巖石組成，通過巖石力學(xué)試驗獲取巖石的密度、彈性模量、抗拉強度、抗壓強度和泊松比等必要的物理力學(xué)參數(shù)，從而獲取對礦床計算分析的基本數(shù)據(jù)。部分試驗數(shù)據(jù)如下表所示。（1）巖石密度測量的基本方法。巖石樣本密度檢測通常用量積法。量測巖石樣本的兩端和中間總共三個斷面上相互垂直的兩個邊，取平均值計算巖石的截面積，量測端面周邊對稱四點和中心點的總共5個不同的高度，取平均值算出最終高度，將巖石樣本置于專用烘箱中，在105℃～110℃的恒溫下烘24h，然后放入干燥器內(nèi)冷卻至室內(nèi)通常溫度，稱取試件質(zhì)量。巖石塊體干密度按下式計算：

表1 巖土室內(nèi)試驗結(jié)果

式中：?d----巖石塊體干密度（g/cm3）。ms----烘干試件質(zhì)量（g）。A----試件截面積（cm3）。H----試件高度（cm）。

（2）巖石抗壓、抗拉強度測量的基本方法。利用電液伺服控制材料試驗機來對巖石進(jìn)行抗壓和抗拉強度的試驗，單軸抗壓強度試驗應(yīng)將應(yīng)變片安裝于徑向和軸向指定位置，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變片的指示得出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，從而算出巖石樣本的彈性模量和泊松比。

在進(jìn)行巖石抗拉強度試驗時，很少采用直接拉伸巖石樣本的做法，巖石樣本不同于金屬材料，因此常采用間接的劈裂拉伸法。巖石抗拉強度按下式計算：

式中：σt ----巖石抗拉強度（MPa）。P----試件破壞荷載（N）。D----為試件直徑(mm)。H----試件厚度（mm）。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征及巖體質(zhì)量評價

2.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

（1）工程地質(zhì)條件。礦區(qū)整體屬于丘陵地貌，地形有利于自然排水[2]。隨著鐵礦開采深度加大，井下涌水量不斷變大，當(dāng)采用井下坑道式開采時，鐵礦頂板應(yīng)預(yù)留防水保安礦柱，這樣可以保證砂巖的裂隙水不會直接涌進(jìn)坑道，起到顯著的防水作用。按照巖石強度等級劃分，鐵礦石可劃分為堅硬巖石，鐵礦整體穩(wěn)定性好，沒有軟弱節(jié)理面，工程地質(zhì)相對簡單，易于開采。

（2）環(huán)境地質(zhì)條件。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010、2016年版）有關(guān)規(guī)定，該礦區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。

區(qū)域內(nèi)無大型污染廠礦企業(yè)，礦山廢棄礦石亦妥善處理安置，礦區(qū)工程地質(zhì)條件良好。

2.2 工程巖體分級

工程巖體分級的目的是通過分級確定巖體質(zhì)量的好壞，進(jìn)而預(yù)測可能出現(xiàn)的巖土力學(xué)和施工中的問題，為礦山的開采和設(shè)計提供必要的參數(shù)和依據(jù)。目前比較流行的四種分類方法如下：RQD值法、RMR法、Q系統(tǒng)法、BQ系統(tǒng)法。

表2 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值法

表3 巖石質(zhì)量指標(biāo)BQ分類方法

3 采空區(qū)及礦柱三維數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析

3.1 FLAC3D軟件

FLAC3D軟件的特別適合進(jìn)行土質(zhì)、巖質(zhì)和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬分析和塑形變形分析。FLAC3D軟件在模擬地下巷道開挖問題上可信度高，其模擬結(jié)果已經(jīng)被大量工程證實。

（1）用設(shè)計中常見的CAD軟件建立三維實體模型，針對實體模型劃分網(wǎng)格,通過對CAD圖形進(jìn)行處理，刪除無用線條,對多個中段閉合的礦體水平投影線框賦上高程，將閉合多段線連接成三維實體的礦床模型。

（2）設(shè)置材料屬性并控制數(shù)值計算模型的邊界條件。

（3）初步計算求出初始應(yīng)力條件。在開挖前狀態(tài)下計算求解得到初始應(yīng)力平衡，得到原始的未經(jīng)開挖的鐵礦初始狀態(tài)。

（4）采空區(qū)模擬處理：按照實際開挖條件對模型進(jìn)行開挖，對開挖后的條件進(jìn)行模擬處理。

（5）模擬充填處理：對采空區(qū)進(jìn)行材料回填處理，按照回填后的狀態(tài)計算新的應(yīng)力平衡。

3.2 模型的初始平衡設(shè)置

模型初始條件設(shè)置時，重力方向與Z軸正向相反。運用彈性求解可以算出礦體的各個巖層在自重作用下的應(yīng)力分布狀況，以此為初步應(yīng)力分布基礎(chǔ)，可以求出礦體在自重作用下的應(yīng)力分布情況，這種初始應(yīng)力分布情況用來作為下一步應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，在進(jìn)一步模擬實際礦井下的開采情況時，礦體各巖層在自重作用下處于平衡狀態(tài)，并沒有發(fā)生塑性變形，因此，為保持與實際應(yīng)力狀態(tài)相吻合，將自重應(yīng)力計算過程中的位移和塑性變形作清零處理。

3.3 挖區(qū)域模擬示意

從圖1可以看到，底板發(fā)生較大上升位移約68mm，同時采空區(qū)最大沉降約55mm。從圖2中可以看到，礦體塑性區(qū)分布集中在采空區(qū)的頂板和礦柱，礦柱塑性變形明顯，存在失穩(wěn)垮塌風(fēng)險。

圖1 礦體豎向位移

圖2 礦體塑性區(qū)分布

3.4 采空區(qū)在礦山充填前后的數(shù)值模擬結(jié)果對比示意

圖3 采空區(qū)填充前塑性區(qū)分布

圖4 采空區(qū)填充后塑性區(qū)分布

采空區(qū)在填充前后的塑性區(qū)分布有明顯變化，采空區(qū)在填充后一定程度上減小了采空區(qū)應(yīng)力位移變化量，改善了采空區(qū)的穩(wěn)定性。根據(jù)分析結(jié)果，采空區(qū)在填充之后確實可以改善礦山的整體穩(wěn)定性。

4 采空區(qū)的地壓監(jiān)測方案研究

在開采過程中，各礦層巖石會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)也往往不會及時回填，這會直接導(dǎo)致鐵礦發(fā)生冒頂和礦柱失穩(wěn)等災(zāi)害，為了鐵礦安全生產(chǎn)，必須建立對采場進(jìn)行穩(wěn)定性的地壓實時監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 礦山監(jiān)測方式

目前國內(nèi)外有多種常見的礦山壓力監(jiān)測方式，如微震監(jiān)測，多通道聲發(fā)射監(jiān)測和應(yīng)力-位移監(jiān)測等，實際應(yīng)用中也可以采取多種方式相結(jié)合的方式。應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)是傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，成本低，監(jiān)測結(jié)果直觀，但是監(jiān)測范圍小，并且無法實時監(jiān)測礦山壓力變化動態(tài)，需要專業(yè)人員到監(jiān)測器材采集數(shù)據(jù)，耗費人力物力，不能預(yù)判地壓情況的整體趨勢；微震監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)成本高，后期維護(hù)投入大，操作不方便；多通道聲發(fā)射監(jiān)測，可實現(xiàn)對巖石開裂和冒頂?shù)奶崆邦A(yù)測，投入較微震監(jiān)測系統(tǒng)少，監(jiān)測范圍廣，可實時監(jiān)測。對比分析之下發(fā)現(xiàn)，多通道發(fā)聲監(jiān)測是性價比較高的一種方式，可以為礦山安全回采提供準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報。

4.2 監(jiān)測方案總體思路

監(jiān)測方案的基本思路為：制定現(xiàn)場監(jiān)測方案-采購設(shè)備軟硬件-建立預(yù)測監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)-實時數(shù)據(jù)分析-預(yù)警調(diào)試。多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和傳感器組成，傳感器和信號處理器之間采用信號電纜連接，信號電纜的作用是將傳感器捕捉的信號傳遞給數(shù)據(jù)處理站。傳感器應(yīng)當(dāng)交錯布置在礦體的上下盤，最終布設(shè)位置應(yīng)結(jié)合礦山生產(chǎn)的具體情況。在地壓監(jiān)測系統(tǒng)安裝之后，應(yīng)當(dāng)及時邀請專業(yè)技術(shù)人員開展現(xiàn)場手把手教學(xué)，盡快培養(yǎng)出合格的礦山監(jiān)測系統(tǒng)人員，使得投入設(shè)備能夠盡快做到自主分析與預(yù)警，并使設(shè)備長期處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的運行使用成本。

5 結(jié)論

采空區(qū)和礦柱穩(wěn)定性分析必須有準(zhǔn)確的巖石物理力學(xué)參數(shù)，因此必須進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗，為后續(xù)采空區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)合礦區(qū)實際情況，采用數(shù)值分析軟件FLAC3D對礦區(qū)開采和填充情況進(jìn)行分析模擬，及時發(fā)現(xiàn)礦區(qū)回采中存在的薄弱環(huán)節(jié)，對設(shè)計和施工提出指導(dǎo)措施。礦區(qū)開采應(yīng)建立完整有效的地壓監(jiān)測系統(tǒng)，及時、有效、全面的反應(yīng)出整個開采區(qū)和采空區(qū)的應(yīng)力分布情況，有效促進(jìn)鐵礦的安全開采。