鐵礦床滯留采空區(qū)充填治理效果分析

盧宏建 李佳慧 董小義 趙宗政 潘祖英

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

鐵礦床滯留采空區(qū)充填治理效果分析

盧宏建1，2李佳慧1董小義1趙宗政1潘祖英1

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

基于有限元理論，提出了以滯留空區(qū)充填體安全評價(jià)和地表變形控制為主要考慮因素的鐵礦床滯留采空區(qū)治理效果分析方法。并以典型礦山為例，在分析滯留采空區(qū)充填后充填體位移和應(yīng)力場規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對充填體敏感點(diǎn)進(jìn)行了安全系數(shù)計(jì)算，并采用對比法分析了采場開挖不充填和充填2種方案的地表變形控制效果，綜合分析了該鐵礦床滯留采空區(qū)充填治理效果。取得如下結(jié)論：充填體垂直方向位移變化值為水平位移的5倍，整體處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力值小于充填體抗壓強(qiáng)度；各水平充填體敏感區(qū)域的安全系數(shù)在5左右，滿足要求；采用充填治理后地表變形值降低至50%，充填效果顯著；建立的滯留采空區(qū)治理效果分析模型，在保證保證充填體強(qiáng)度和接頂率的前提下，對空區(qū)充填治理方案實(shí)施和類似礦山治理具有指導(dǎo)意義。

鐵礦床 滯留采空區(qū) 治理效果 分析方法

礦床在開采過程中，由于沒有及時(shí)處理采空區(qū)，使大量滯留采空區(qū)給礦山后期生產(chǎn)帶來了重大安全隱患。因此，滯留采空區(qū)的治理工作對保證礦山持續(xù)發(fā)展有重要意義[1-5]。近年來，研究者對滯留采空區(qū)探測與治理、采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價(jià)等方面較為重視，取得了一些研究成果[6-10]。目前采空區(qū)治理多采用充填法，但充填治理效果分析方法研究尚不多見。本研究以河北某礦山為例，在分析滯留采空區(qū)充填后充填體位移和應(yīng)力場規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對充填體敏感點(diǎn)進(jìn)行了安全系數(shù)計(jì)算，并采用對比法分析了采場開挖不充填和充填2種方案的地表變形控制效果，綜合分析了該鐵礦床滯留采空區(qū)充填治理效果。

1 工程背景

某礦山于2005開工建設(shè)，2006年建成投產(chǎn)，主要開采Fe23號礦體。礦山有2條豎井開采礦體，截止2010年已開采346 m、323 m和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，運(yùn)輸巷道布置在脈內(nèi)，采高15 m左右，頂柱高10 m左右，空區(qū)現(xiàn)狀詳見表1。

礦區(qū)地表有村賓館、活動中心、公園、辦公室、鐵路等建構(gòu)筑物，且大部分處于采空區(qū)陷落帶內(nèi)，如果采用隔離法處理采空區(qū)，空區(qū)隨著時(shí)間的增加會引起覆巖塌陷，導(dǎo)致地表移動，最終影響到地表建構(gòu)筑的穩(wěn)定。采用崩落法處理采空區(qū)，地表建構(gòu)筑物不但會直接毀壞，而且處理大面積的采空區(qū)施工組織困難。因此，采空區(qū)處理方案不能采用隔離法和崩落法處理采空區(qū)，只能采用充填法處理采空區(qū)，為了確保地表建筑和井筒安全可靠，選擇全尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)處理方案。

表1 空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

2 滯留采空區(qū)治理效果分析模型

采用大型有限元模擬軟件對礦區(qū)開采過程采空區(qū)與地表沉降過程進(jìn)行了三維仿真模擬。礦區(qū)三維實(shí)體網(wǎng)格模擬如圖1所示，采出礦體網(wǎng)格模擬如圖2所示。模型長600 m，寬300 m，高210 m，148 679個單元。模擬步驟：首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力計(jì)算，其次為分步開挖形成地下采空區(qū)，計(jì)算時(shí)共分三步開挖形成現(xiàn)狀空區(qū)，然后自下而上分次充填。

圖1 三維網(wǎng)格模型

圍巖計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)詳查報(bào)告選取，力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 礦體三維網(wǎng)格模型

表2 力學(xué)參數(shù)

3 治理效果分析

3.1 滯留采空區(qū)充填體穩(wěn)定性分析

提取了空區(qū)充填后充填體的位移和最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖，如圖3、圖4所示。

充填體的水平方向位移主要是在圍巖作用下產(chǎn)生的，由充填體的側(cè)幫向中心運(yùn)動，位移值變化較小，范圍在5.46 cm以內(nèi)。垂直方向空區(qū)大的采場充填體位移值較大，范圍在25.8 cm以內(nèi)。充填體最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，范圍在0.198～0.463 MPa以內(nèi)，充填體最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，范圍在0.149～0.50 MPa以內(nèi)，均小于充填體的抗壓強(qiáng)度值。

3.2 充填體穩(wěn)定性評價(jià)

3.2.1 充填體穩(wěn)定性評價(jià)安全系數(shù)法

根據(jù)彈性理論，認(rèn)為當(dāng)各質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力值滿足一定條件時(shí)發(fā)生屈服，此時(shí)的條件稱為屈服(破壞)條件：

(1)

式中,f為某一函數(shù)關(guān)系；σ為總應(yīng)力；H為屬標(biāo)量的內(nèi)變量χ的函數(shù)。

為表征其安全程度，工程技術(shù)人員提出了安全系數(shù)的概念，即表示為

(2)

將分析所得應(yīng)力值代入式(2)后，就可直接求出安全系數(shù)Fs值。

當(dāng)Fs>1，表示未破壞(屈服面內(nèi)部)；Fs<1，表示已破壞(屈服面外部)；Fs=1，表示處于臨界狀態(tài)(屈服面上部)。

圖3 充填體位移云圖

圖4 充填體主應(yīng)力云圖

目前，對于巖土介質(zhì)，Mohr-Coulomb 屈服條件是工程界應(yīng)用最為廣泛的屈服條件之一，其主應(yīng)力表示形式為

(3)

式中,σ1,σ2,σ3均為主應(yīng)力；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式(3)可得，滿足 Mohr-Coulomb 屈服條件的巖體破壞安全系數(shù)：

(4)

3.2.2 充填體安全系數(shù)計(jì)算

對充填體布設(shè)了監(jiān)測點(diǎn)，提取其主應(yīng)力，運(yùn)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了安全系數(shù)分析。充填體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。

提取充填體監(jiān)測點(diǎn)的主應(yīng)力值，根據(jù)公式(4)進(jìn)行計(jì)算可得出不同水平充填體監(jiān)測點(diǎn)的安全系數(shù)如表3～表5所示。

3.3 地表變形控制效果分析

地表變形控制效果運(yùn)用對比的方法進(jìn)行分析，對采場開挖不充填和充填2種方法開采對地表的變形進(jìn)行對比。

選取礦區(qū)的66線和68線在地表布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，提取不同方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。測點(diǎn)布置如圖6所示。測點(diǎn)沉降值對比如表6～表7。通過不同方案的地表監(jiān)測點(diǎn)沉降值對比表和曲線圖，可以清晰的看出采用充填后對地表變形值控制明顯。

(a)346 m水平監(jiān)測點(diǎn)布置 (b)323 m水平監(jiān)測點(diǎn)布置 (c)303 m水平監(jiān)測點(diǎn)布置

表3 第一水平充填體監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)

表4 第二水平充填體監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)

表5 第三水平充填體監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)

圖6 地表變形控制效果分析測點(diǎn)布置

4 結(jié) 論

(1)充填體垂直方向位移變化值為水平位移的近5倍，整體處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力值小于充填體抗壓強(qiáng)度，各水平充填體敏感區(qū)域的安全系數(shù)在5左右，滿足要求。采用充填治理后地表變形值降低至50%，充填效果顯著。

表6 66線不同采礦方法測點(diǎn)沉降對比表

表7 68線不同采礦方法測點(diǎn)沉降對比

(2)建立的滯留采空區(qū)治理效果分析模型，在保證保證充填體強(qiáng)度和接頂率的前提下，對空區(qū)充填治理方案實(shí)施和類似礦山治理具有指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Filling Treatment Effect Analysis of Retained Goaf in Iron Deposit

Lu Hongjian1,2Li Jiahui1Dong Xiaoyi1Zhao Zongzheng1Pan Zuying1

(1.CollegeofMineEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063000，China；2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique，Tangshan063000，China)

Based on the finite element theory，the treatment effect analysis of retained goaf in iron deposit was put forwards from the main factors of the safety evaluation on filling mass at retained goaf and the control of surface deformation.Taking an example of a typical mine，and based on analysis of the filling mass′s displacement and stress field′s regularity after filling of gob，the safety factor at sensitive points of filling mass was calculated with Mohr-Coulomb criterion.The surface deformation control effectiveness with filling or no filling after excavation was analyzed through comparison.The filling effect in the iron ore deposits was comprehensively analyzed.The conclusion was made as follows:The vertical displacement of the filling body is 5 times of horizontal displacement.The total filling mass is in the state of compression，and its stress value is less than the compression strength.The safety factor at the sensitive area of the horizontal filling mass is about 5，which satisfies the requirements；The surface deformation after filling governance is reduced to 50%，so the filling effect is remarkable.The treatment effect analysis model of retained goaf established plays a guiding role in implementing the filling scheme and in treating the similar mines on the premise of ensuring the strength of filling mass and the rate of supporting pit roof.

Iron deposit，Retained goaf，Treatment effect，Analysis method

2014-04-07

河北省自然基金項(xiàng)目(編號：E2014209093)，河北聯(lián)合大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(編號：X2013009)。

盧宏建(1980—)，男，副教授，博士。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-134-05