礦震對垴窖鐵礦采空區的影響模擬分析

陳 平，歐陽治華，張青青

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

礦震對垴窖鐵礦采空區的影響模擬分析

陳 平，歐陽治華，張青青

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

以湖北靈鄉垴窖鐵礦為例，利用大型通用三維有限元數值分析軟件ANSYS建立了該鐵礦的三維模型，利用ANSYS譜分析模塊模擬了礦震對采空區、頂底板和礦柱等的影響，進行動力學分析，求解出最大、最小主應力，應變能、位移等，根據模擬結果判斷出礦震發生的可能性，并在此基礎上提出一些預防措施，對局部空區、圍巖和礦柱進行加固，避免礦震災難。

礦震;ANSYS數值模擬;采空區;三維數值模型

在金屬礦山采空區，由于堅硬覆巖大面積懸空，圍巖應力集中程度增大，巖體積累的應變能增高，應力集中引發的礦震危害具有一定的普遍性。礦震發生時，由于大量應變能的突然釋放，可能導致大范圍的巖體突然破壞和冒落，使整個礦井、巷道或采場報廢，造成人員傷亡和設備破壞。所以對礦震的誘發條件以及礦震對采空區、巷道和礦柱等的破壞進行數值模擬就有著重大的現實意義。本文利用ANSYS軟件對礦震作用下的采空區、巷道和礦柱進行了礦震響應三維數值模擬。

1 礦山開采現狀

湖北大冶市靈鄉鎮垴窖鐵礦位于大冶市靈鄉鎮境內，礦區由淺至深賦存I號、II號、III號礦體，上部I號礦體由原武鋼靈鄉鐵礦露天開采。至今，垴窖鐵礦對礦區內II號、III號礦體已全面開采20 a，開采水平為+66～－77 m。II號礦體位于露天坑南幫正下方，露天坑坑底為+68 m。在開采II號礦體上部中段時，由于采空區的形成，并已有采空區與露天坑溝通，支撐礦柱難以承受露天坑南幫100余m高的巖體壓力，采空區頂板下沉，致使露天邊幫變形、松動，時有小規模的垮塌發生。隨著下部采空區采用有底部結構的崩落法回收殘礦，通過放礦漏斗出礦，上部各中段采空區基本上垂直相通。2008年7月20日，露天邊幫松散體突然垮向采空區各中段，出現1次較大規模的地壓活動。

垴窖鐵礦現有的采空區包括+56 m以上空區、+30，+10，－15，－25，－40，－55( －53)，－74( －77)m采空區。

2 ANSYS有限元模擬分析

礦區地應力場計算物理模型主要考慮了花崗巖、崩落體材料、礦體材料。計算中所用的力學參數見表1。

表1 垴窖鐵礦礦巖力學參數

2.1 ANSYS三維數值模擬

利用ANSYS三維數值模擬能很好的計算出各個采空區的最大、最小主應力，安全系數以及應變能。與實驗得到的礦巖強度指標進行對比，則得出各個采空區的穩定性，從而為礦山地下開采提供良好的技術支持，確保采場的整體穩定性和生產的安全，有效地避免采礦過程中大面積垮冒所帶來的災害性事故發生。

根據垴窖鐵礦各個水平分層平面圖進行數字化處理，最終建立的三維數值模型如圖1所示。

圖1 垴窖鐵礦三維數值模型

2.2 ANSYS數值模擬結果分析

安全系數應用Mohr－Coulomb理論，該理論利用了最大和最小主應力與抗拉和抗壓強度之間的關系，標準如下:

其中，σt和σc為最終(或屈服)的拉伸和壓縮強度，當F＜1時，巖體不穩定;反之，F＞1則說明巖體穩定。

圖2、圖3和圖4是進行地震譜分析之前的模型靜力學分析，由其最大、最小主應力和安全系數的計算結果中可以看出，除了極個別的地方由于受到應力集中效應的影響產生比較大的拉應力之外，絕大部分的拉應力基本上是在60 MPa之內，礦柱和圍巖所承受的應力均在其承受范圍之內。由于模型在靜力學分析的時候，沒有考慮到地下水因素的影響，因此礦柱和圍巖所能承受的應力會比試驗中測定的數據偏小。根據結果，在－53 m水平，礦柱所產生的壓應力值偏大，達到了35 MPa，局部區域由于應力集中達到了55 MPa，在－74 m礦柱受到的壓應力最大值在45 MPa左右。

圖2 －53～－74 m水平最大主應力

圖3 －53～－74 m水平最小主應力

圖4 －53～－74 m水平安全系數

2008年7月20日，由于有一次較大的地壓活動，－40 m以上的采空區都被圍巖充填，圍巖內高應力基本上釋放完畢。根據ANSYS計算結果可知，目前－40 m以上水平基本上是穩定的。但是在－53 m和－74 m水平，由于采空區暴露面積比較大，局部甚至形成上下采通，所以極易形成應力集中，根據ANSYS靜力計算結果可知，由于應力集中局部礦柱和頂底板所產生的最大拉應力已經基本接近或達到其礦體和圍巖的抗拉抗壓強度。此外，計算結果還顯示斜井附近圍巖以及采空區的頂底板圍巖存在著一定的拉應力，這可能會導致局部圍巖片幫，或因圍巖的非均質性(局部裂隙發育等因素)出現局部冒頂現象，可能會影響到開拓系統和采場整體的穩定性。

圖5是在進行礦震譜分析之后得出的－53～－74 m水平安全系數圖，從圖中可知，礦柱的安全系數基本是在0.5以上，頂底板的安全系數基本上在1以下。所以在有頂底板局部冒落的時候，對該局部區域所產生的破壞作用是巨大的。從圖5來看，礦柱應首先由于巨大的沖擊波而破壞，從而導致上覆圍巖的進一步的跨冒，產生更大的礦柱事故。

圖5 譜分析之后－53～－74 m水平安全系數

根據ANSYS靜力計算結果，基本上得出了垴窖鐵礦在－53 m和－74 m水平可能發生冒落、巖爆甚至礦震事故的局部區域，在這些重點區域必須進行圍巖加固和安全監測。為了控制井下事故的發生，可以采取一些手段來監測礦柱和圍巖是否發生破壞，如采用巖體聲發射技術。

3 結論

(1)利用ANSYS軟件中的動態分析模塊，建立了垴窖鐵礦的三維模型，并根據實驗得到的數據設置了圍巖以及礦石的各種物理參數、邊界條件、載荷。再此基礎上計算出垴窖鐵礦的最大、最小主應力、應變能、位移等，同時對加入地震譜前后做對比分析，模擬出礦震的破壞影響。

(2)根據模擬出來的結果，研究礦震發生時對采空區、頂底板和礦柱等的破壞作用，提前做出預防措施，對圍巖以及礦柱等進行加固處理，此外，還可以在重點區域進行巖體聲發射監測等措施。

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2010－12－27)

陳 平(1986－)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事礦山數值模擬研究，Email:anhuichenping@163.com。