某鐵礦地下采空區穩定性數值模擬分析

俞海云

(中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

地下采空區是礦山安全開采的主要危害因素之一，開展采空區穩定性研究，對于確保礦山深部安全開采具有重要意義[1-4]。本研究以某露天轉地下開采鐵礦為例，采用ANSYS和FLAC3D仿真分析軟件構建數值分析模型，研究地下采空區安全狀況，為該礦深部開采設計提供有益參考。

1 礦山概況

某鐵礦為露天轉地下開采礦山，礦體賦存于上太古界五臺超群臺懷群柏枝巖組一段頂部的斜長綠泥片巖內，礦體呈層狀—似層狀，連續性較好，礦體沿走向厚度變化小，呈近EW向分布于礦區北部邊緣，礦體產狀與圍巖片理產狀基本一致。礦體厚度為2.21～27.44 m，平均12.19 m；礦體走向85°～110°，傾向175°～220°，傾角65°～82°。礦體頂板為綠泥斜長角閃片巖，底板為綠泥斜長片巖。礦區前期開采形成了1個露天采場，長度為120～160 m，寬度為60～70 m。由于前期地下開采活動，使得在露天采場下部形成了1個地下采空區，空區賦存標高為1 512～1 370 m，空區長度和寬度分別與礦體長度和厚度一致。

2 數值計算模型構建

根據開采礦體周圍巖體受采動影響的范圍，模型沿東西方向為Z方向，沿南北方向為X方向，垂直于水平面方向為Y方向[5-6]。模型尺寸(長度×寬度)為500 m×200 m，高度為自標高1 300 m以上至地表。模型共計303 819個單元，59 224個節點(圖1)。初始模型采用四面體單元剖分，重點剖分礦體采空區部分[7-8]。本研究將模型巖性簡化為圍巖和礦體2種介質類型。計算中，將圍巖及礦體均視為彈塑性連續介質。

圖1 數值模型示意

鐵礦體頂板為綠泥斜長角閃片巖，底板為綠泥斜長片巖。巖石抗壓強度較大，屬于堅硬巖石，完整性較好，節理不發育，礦體頂底板巖石穩固性較好。礦石硬度系數f=10～12，抗壓強度為140～240 MPa；巖石硬度系數f=8～10，抗壓強度為70～220 MPa。同時參考周邊礦山巖體參數，采用強度折減法對巖石參數進行了處理，確定出模型的巖體力學參數見表1。

表1 模型礦巖物理體力學參數

模型構建完畢后，在未開采的情況下，模型側面限制水平位移，模型底部限制垂直位移。本研究僅考慮自重應力場，在整個模型施加Y方向的重力加速度，得出在該狀態下的初始位移場和初始應力場，而后進行位移和應力清零，模擬礦體開挖回采過程。為簡便計算過程，采取采空區一次形成的計算方案，分析礦體開采對周圍位移場和應力場的影響。

3 數值模擬分析

3.1 位移場

由圖2可知，采空區形成后，周邊圍巖發生了不同程度的位移變形，最大變形量達到10.774 cm，對采空區的穩定極為不利，若不及時進行治理，易發生采空區失穩塌陷事故，對礦山生產安全構成了較大威脅。

圖2 模型整體位移云圖

模型2個剖面位置的采空區圍巖位移特征如圖3所示。分析圖3可知：采空區形成后，由于圍巖應力轉移并重新分布，采空區圍巖位移產生了不同程度的變化，1#、2#剖面的圍巖最大位移量分別達到5.144 9、5.384 7 cm；圍巖位移已貫通至地表露天采場，形成了位移閉合圈，引起地表巖體產生了裂隙，出現了位移沉降現象，在降雨、構造應力等因素的綜合影響下，易誘發采空區垮塌事故，對生產作業人員和設備的安全構成了重大威脅。

圖3 采空區圍巖位移云圖

3.2 應力場

隨著礦體的開采，采空區周邊巖體應力場將會重新分布。分析圖4可知：采空區周圍巖體應力呈條帶狀分布，且等值線云圖傾向為下坡方向，1#、2#剖面的最大應力值分別為5.51、5.62 MPa，由于礦體回采后應力場的重新分布，不同位置的采空區應力值存在一定的差異，但總體上隨著深度的增加，應力呈現逐漸增大的趨勢。

由于礦山開采作業的影響，露天采場下方和采空區上方的巖體產生了應力釋放，降低了巖體強度，削弱了采空區圍巖的穩定性，對采空區安全不利，易導致采空區發生失穩垮塌事故。同時，在各個采空區周圍發生了不同程度的應力集中現象，應力集中系數為1.3～2.4。在采空區兩側和底板位置，頂板圍巖應力得到了有效釋放，不利于采空區穩定，在外部擾動的影響下，加大了采空區失穩塌落的風險，應加強監測和治理工作。

圖4 采空區周邊應力分布云圖

4 結 語

以某鐵礦為例，采用ANSYS和FLAC3D軟件構建了計算模型，對該礦采空區圍巖位移場和應力場的變化規律進行了詳細分析。研究表明：該礦山采空區存在較大的失穩垮塌的潛在風險，為確保礦山生產安全，建議開展采空區專項治理方案設計，建立采空區現場監測系統，針對采空區穩定性狀況，采取有效的針對性治理措施，盡早消除采空區安全隱患，確保礦山安全生產。