深部高階段礦房穩定性分析

摘 要：對田興礦深部礦房進行數值模擬分析后，得出以下結論：（1）礦房充填后，整個地表出現的變形值都沒有超過一般磚木結構允許的臨界變形值，因此，開采后對空區進行及時充填后，地表的沉降變形不會對建（構）筑物的安全造成較嚴重的危害。（2）在充填上分段礦房與下分段礦柱后回采上分段礦柱時，若同時開采全部礦柱，盤區中部充填后的礦房不穩定。故在充填礦房與下分段礦柱后，應盡量減少同一盤區同時回采上分段礦柱個數，并先回采上分段中部礦柱。

關鍵詞：高階段；礦房；穩定性

司家營鐵礦田興礦地質開采條件復雜，礦床其上地表有大量的村莊和耕地。大部分礦體被第四系表土覆蓋，厚度在60m～130m之間，由北向南厚度逐漸變厚，同時其含水豐富，根據相關地質報告，采用露天法開采礦體時的平水期涌水量一般為128萬m3/d。設計方案采用的開采順序為自下而上，采礦方法為階段空場嗣后充填，這可以有效地阻止地表變形及塌陷，減少礦山受水患的影響。雖然采用充填法進行開采，但是由于礦房高度較大，開采過程中穩定性大小難以保證。同時，由于充填沉降導致充填不接頂等原因，會使充填體上部巖體產生連續的移動和變形，此變形通常需要經歷較長的時間才能達到最終的穩定狀態，在此期間，可能會對地表構筑物產生一定影響。

1 穩定性模擬

本次數值模擬采用數值模擬軟件ANSYS對地表沉降變形進行模擬分析，對預測地表變形、指導礦山安全生產等有非常重要的意義。為對地表變形進行精確的計算，根據司家營田興礦體礦體圍巖產狀建立礦體模型，同時根據階段空場嗣后充填采礦法中盤區及采場的相關參數進行單元劃分，為減少邊界條件對模型計算結果的影響程度，把礦體縱深方向取足夠大的長度。模型高度690m，寬1194m，第四系厚度取100m，強風化帶取40m，弱風化帶取50m，同時開采一個盤區的16采場，礦房與礦柱均取18m。如圖1、圖3所示。

模型建立完畢后，即設定模型的整體邊界條件，然后劃分網格并進行相關計算。形成初始的應力場后，首先，為準確模擬地表的變形程度，在初始條件計算的基礎上，建立各階段均被充填的模型，并進行計算分析，其次，在采完-450m至-350m上分段礦房并充填的基礎上，把-450m至-350m水平范圍的盤區內的下分段礦柱進行開挖，并充填物理性質為充填體的物理力學參數，再對盤區上分段礦柱進行開挖，并對最后結果進行分析。

計算模型邊界條件（如圖2所示）確定如下：

（1）模型的左右邊界均施加水平約束條件，邊界水平的初始位移為零。

（2）模型整體底部邊界的水平、垂直的初始位移均為零。

（3）模型頂部為自由邊界。

充填模型設置的約束條件如圖2所示。

-450水平開挖充填模型如圖3所示。

礦石、巖石和充填體的力學性質參數列于表1。

2 模擬結果分析

2.1 地表沉降分析

對各階段盤區進行充填后，由圖4可知，地表最大沉降距離為2.8cm，并隨豎直標高降低，沉降距離越小，-450m水平沉降值只有1.2cm。地表總體保持均勻下沉，由采場向四周變形逐漸變小。在采場上方，地表的主要建筑為村莊，按建筑物保護等級及允許變形值分類。我國一般磚木結構允許的臨界變形值為3.0mm/m，經計算，整個地表出現的變形值都沒有超過一般磚木結構允許的臨界變形值，因此，開采后對空區進行及時充填后，地表的沉降變形不會對建（構）筑物的安全造成較嚴重的危害。

2.2 采場穩定性分析

由圖5可知，開挖后，采場盤區中央位置沉降值較大，為5.7cm。并且，由盤區中央向四周豎直沉降位移逐漸減小。開挖引起的最大豎直位移未能超過10cm，位移沉降較小，不會對采場產生較大影響。

由圖6可知，開挖后空區上方有較大壓應力，為4.8MPa，而盤區礦柱出現較大拉應力集中，為10.1MPa。

其中壓應力遠小于礦石極限抗壓強度，但盤區預留礦柱所承受拉應力已接近礦石極限抗拉強度，可能會引起礦柱片落甚至失穩。

盤區中部充填后的礦房承受的拉應力過大，為5MPa，超過充填體極限抗拉強度，可能引起采場失穩。盤區兩端充填體礦房拉應力較小，為0.14MPa，遠小于充填體極限抗拉強度，具有一定穩定性。

3 結束語

礦房充填后，整個地表出現的變形值都沒有超過一般磚木結構允許的臨界變形值，因此，開采后對空區進行及時充填后，地表的沉降變形不會對建（構）筑物的安全造成較嚴重的危害。在充填上分段礦房與下分段礦柱后回采上分段礦柱時，若同時開采全部礦柱，盤區中部充填后的礦房不穩定。故在充填礦房與下分段礦柱后，應減少同一盤區同時回采上分段礦柱個數，并先回采上分段中部礦柱。

參考文獻

[1]中國有色金屬學會.2014中國充填采礦新工藝技術與裝備成果交流會[C].昆明：中國金屬協會采礦分會，2014.