不同開采時序下傾斜礦體覆巖穩定性數值分析

冀宇鑫　沈萬虎　宋高峰

摘 要：文章以某鐵礦為工程背景，采用PHASE 2D有限元軟件建立數值模型，研究了不同開采時序下傾斜礦體覆巖破壞及地表沉陷。結果表明：不同開挖時序對覆巖及地表變形影響顯著，其中上、下部采區同時開采時，覆巖破壞程度最小，且地表位移并不大。綜合考慮覆巖破壞及開采效率，優選上、下部采區同時開采方案。

關鍵詞：開采時序；傾斜礦體；地表位移；數值模型

目前很多金屬礦山已開采至深部，采場應力更加復雜，圍巖穩定性更差；同時，為提高開采效率，礦山都盡可能提高開采規模，兩者都對采場圍巖穩定性控制提出了更高的要求。學者們通過理論計算和數值模擬研究了采場結構參數[1]、開采順序[2]等因素對礦區覆巖破壞及穩定性影響[3]。本文采用PHASE 2D有限元軟件，對不同開采時序下某礦區傾斜礦體的覆巖穩定性及地表沉陷進行數值模擬研究。

1 工程背景

某鐵礦位于陰山—天山緯向構造帶東段—燕山南亞帶山海關臺拱西南邊緣，全區共17個礦體，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號為主礦體。礦體傾角39～56°，礦帶總體走向長6 km。采用地下開采嗣后充填采礦法，設計開采范圍為﹣240～﹣900 m，劃分為﹣240～﹣540 m上部采區和﹣540～﹣900 m下部采區。本論文擬研究不同開采時序下的覆巖變形規律。

2 數值模型建立

采用PHASE 2D有限元軟件建立數值模型如圖1所示。模型長4 000 m，高1 225 m，左、右邊界施加水平約束，下部邊界限制垂直位移，上部邊界為自由邊界。模型礦體厚度為135 m，傾角40°，礦體左右兩側預留1 100 m巖體，底部預留300 m巖體，以消除邊界效應。根據開采實際，模型劃分﹣240～﹣540 m上部采區和﹣540～﹣900 m下部采區，礦體開挖后對采空區進行回填。為研究不同開采時序對覆巖變形的影響，建立了3個開挖方案。其中方案1上、下采區同時開采，方案2先采上部采區、再采下部采區，方案3先采下部采區、再采上部采區。

3 數值模型分析

3.1 塑性區發展規律

不同開采方案下的圍巖塑性區發展規律如圖2所示。方案1中，覆巖塑性區延伸深度為434 m，塑性區屈服單元數量為2 160個；方案2中，模型左側的塑性區分為兩部分，延伸深度分別為435 m和321 m，塑性區屈服單元個數為2 347個；方案3中，覆巖塑性區向下延伸高度為541 m，塑性區內屈服單元個數達到了2 809個。

3.2 地表位移

礦體開挖結束后，不同開挖方案的地表變形如圖3所示。地表垂直位移由小到大依次為方案2（291 mm）<方案3（317 mm）<方案1（335 mm）；地表水平位移由小到大依次為方案2（175 mm）<方案1（216 mm）<方案3（245 mm）。其中，方案2的水平位移和垂直位移均最小，但3個方案地表位移相差并不明顯。

4 結語

為研究開采時序對覆巖破壞范圍及地表變形影響，本論文建立了3個開采方案，方案1為上、下部同時開采，方案2先采上部、再采下部，方案3先采下部、再采上部。從覆巖塑性區發展及屈服范圍來看，方案1的塑性區破壞面積最小；從地表變形來看，方案2水平位移和垂直位移均最小，但地表變形相差不大。綜合考慮礦山覆巖穩定性及開采效率，優選上、下部采區同時開采的技術方案。

[參考文獻]

[1]楊明，孟祥瑞，高召寧，等.采場覆巖移動礦壓顯現規律模擬[J].煤礦安全，2012（6）：23-27.

[2]楊盼杰，張雙全，朱鵬，等.大采高工作面覆巖移動規律數值模擬[J].現代礦業，2014（9）：21-22.

[3]宋志飛，雷佳好，孫世國，等.復雜條件下煤層開采上覆巖體移動規律研究[J].煤礦開采，2011（4）：95-96.