尾砂膠結(jié)充填對井位及地表構(gòu)筑物安全穩(wěn)定性分析

夏永閣

（承德市五洲地質(zhì)測繪有限公司 河北·承德 067000）

摘 要 本文針對灤平老達(dá)子溝采區(qū)的開采現(xiàn)狀及地表情況，采空區(qū)采用的尾砂膠結(jié)充填后，對新井位及地表構(gòu)筑物進(jìn)行了安全穩(wěn)定性分析，從而論證了采空區(qū)通過尾砂膠結(jié)充填后，不會對地表及新井位產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞 尾砂膠結(jié)充填 模擬 穩(wěn)定性 開采 采空區(qū)

中圖分類號：TD21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

灤平老達(dá)子溝采區(qū)地表采動移動范圍內(nèi)有選廠、礦山辦公室、礦山工人宿舍、公房、綠化設(shè)施及新井位等。為了保護(hù)地表建筑及新施工井位設(shè)施的安全，礦山采用尾砂膠結(jié)充填采礦法開采。通過全尾砂試塊的強(qiáng)度試驗后，礦山充填采用1：8的水泥尾砂的膠結(jié)配比，濃度為65%。通過大型有限元模擬軟件對礦體開采充填過程進(jìn)行三維仿真模擬計算，以分析礦山充填后地表的各變形參數(shù)以及對地表建筑設(shè)施穩(wěn)定性的影響程度。

另外礦山豎井后期建設(shè)在尾砂膠結(jié)充填空區(qū)的基礎(chǔ)上，預(yù)留了足夠的豎井井筒保護(hù)礦柱，保證了豎井井筒的安全的。

1計算模型參數(shù)選取

采用大型有限元模擬軟件建立礦區(qū)的三維實體模型，模型長650 m，寬350 m，高310 m，共158522個單元。礦區(qū)三維實體計算模型見圖1。

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)詳查報告及礦山提供的現(xiàn)場參數(shù)，選定了建立模型的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

模擬步驟分為3步，首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力計算，其次為礦體開采，然后再進(jìn)行充填。

2礦體采動對地表建筑穩(wěn)定性分析

地下采礦對地表的影響主要有垂直方向和水平方向的移動和變形，包括下沉、傾斜、曲率。不同性質(zhì)的地表移動和變形對建筑物的影響是不同的。地表產(chǎn)生的移動和變形破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，同時力學(xué)平衡重新建立，使建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。地表移動和變形主要分為6種：地表下沉、地表傾斜、地表曲率、地表水平變形、剪切變形、扭曲變形。

運(yùn)用地表移動范圍確定準(zhǔn)則，確定礦體開采地表移動范圍來分析其穩(wěn)定性。

2.1地表移動范圍確定準(zhǔn)則

按照移動角來確定巖層的移動范圍，根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(guī)范，具體的確定指標(biāo)如下：

（1）地表傾斜（i），為地表下沉盆地沿某一方向的坡度值，其平均值以兩點間的下沉差△W除以兩點間的水平距離L0AB，即

式中iAB為地表傾斜，mm/m；WA為地表移動A點全向量的垂直分量；WB為地表移動曰點全向量的垂直分量；L0AB為地表移動點A、B之間的距離，m。

（2）地表曲率（K），為下沉盆地剖面線的彎曲度，其平均值以相鄰兩線段傾斜差△i除以兩線段地表水平長度的平均值，即

式中，KB為地表曲率；iBC為B、C兩點的地表傾斜，mm/m；iAB為A、B兩點地表傾斜，mm/m；L0AB為A、B兩點之間的距離，m。

（3）地表水平變形（ ），為移動盆地內(nèi)一線段兩端點的水平移動差與此線段長度之比，其平均值為

式中，uE為地表移動E點全向量的水平分量；uF為地表移動F點全向量的水平分量；L0AB為E、F兩點之間的距離，m。

在3個指標(biāo)中，對于礦體上下盤來說，i、K、s三者任意指標(biāo)在一點達(dá)到其臨界值，則為地表破壞點。其與開采礦體水平的最外側(cè)連線（該連線以不穿過采空區(qū)為原則）的夾角，則為移動角。

2.2地表移動范圍分析

礦體開采充填后，地表位移模擬結(jié)果見圖2。

根據(jù)模擬結(jié)果可知：x方向位移范圍在19 -23 mm，y方向位移范圍在22 - 28 mm，垂直方向位移范圍在36 - 79 mm。位移值處于低變形范圍，垂直方向大于水平方向，因此選取傾斜率作為移動范圍分析的依據(jù)。

根據(jù)《采礦設(shè)計手冊：礦床開采卷下》對建筑物保護(hù)等級及允許變形值的規(guī)定，通過對礦區(qū)開采地表建筑物調(diào)查，屬Ⅳ級保護(hù)，但考慮到計算時對圍巖和實際條件進(jìn)行了理想化，其破壞準(zhǔn)則選取傾斜率為5‰。為了便于分析，對地表進(jìn)行測點布設(shè)，見圖3。

各測點提取模擬結(jié)果見表2。

沉降曲線見圖4

根據(jù)表2地表監(jiān)測點垂直位移值和式（1）計算得出礦體開采地表傾斜率表，見表3、表4：

通過分析得出了地表傾斜率變化曲線，見圖5。

根據(jù)表3、表4和圖5可知，充填法開采后地表變形傾斜率均小于3‰，但考慮到計算時對圍巖和實際條件進(jìn)行了理想化，對其地表變形傾斜率大于0. 5‰的區(qū)域定義為位移敏感區(qū)域，其范圍見圖6。

地下工程因其具有復(fù)雜性和隱蔽性特點，在實施過程中難免有不可控因素，為此需在礦體回采過程建立地表沉降敏感區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，對其進(jìn)行實時監(jiān)測，及時預(yù)報地表變形情況，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的加固保護(hù)措施。

2.3礦山實測地表變形數(shù)據(jù)處理

礦山根據(jù)要求建立了地表沉降敏感區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，采用監(jiān)測儀器對地表位移進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)觀測精度要求，在地表位移敏感區(qū)域的邊緣按每40-50 m設(shè)置一個安全觀測樁，在敏感區(qū)域中心按50～60 m設(shè)置一個安全觀測樁，樁上設(shè)有標(biāo)尺、反射棱鏡與防雨防曬設(shè)施，在敏感區(qū)域范圍外的安全區(qū)域設(shè)置3個觀測點，利用高精度全站儀來觀測數(shù)據(jù)并記錄，再輸入至監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行處理分析，并對沉降趨勢做預(yù)測和報警。礦山地表沉降敏感區(qū)域觀測樁分布見圖7。

經(jīng)過長時間的地表監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，礦山敏感監(jiān)測區(qū)地表下沉為62mm，傾斜為0.8 mm/m，水平位移為22 mm，水平變形為0.5mm/m，其地表變形的主要技術(shù)指標(biāo)小于建筑物I級變形的要求，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本一致。

3結(jié)論

采用大型有限元模擬軟件對礦山開采充填過程進(jìn)行三維仿真模擬計算，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本相符，其地表變形的主要技術(shù)指標(biāo)小于建筑物I級變形的要求，證明采用尾砂膠結(jié)充填采礦法開采后造成的地表位移對地面建筑設(shè)施和新豎井井位影響不大，可以保證其穩(wěn)定性。

原地表的監(jiān)測站及監(jiān)測設(shè)備設(shè)施要長期保留，并長期記錄地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便能及時掌握地表動態(tài)，出現(xiàn)問題及時上報并制定相應(yīng)的解決方案。

礦山按照設(shè)計將上部所有空區(qū)利用尾礦膠結(jié)充填法充實，后期開采采區(qū)中段上向開采嗣后膠結(jié)充填空區(qū)，即先開采最下面一個中段，采完即充，充填完畢后不會對上部構(gòu)筑物和新豎井井位造成影響。

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