重復開采下傾斜礦體覆巖非對稱移動規律研究

張阿鵬　梅笑寒　宋高峰

摘 要：根據某鐵礦地質和開采條件，采用PHASE 2D有限元軟件建立數值模型，研究多次重復開采影響下覆巖的塑性區發展及地表變形規律。研究結果表明，重復開采下傾斜礦體覆巖及地表呈非對稱破壞及變形規律。

關鍵詞：傾斜礦體；覆巖移動；地表沉陷；數值模擬

冶金礦山地下開采誘發上覆巖體移動與破壞問題一直是礦山安全領域的熱點問題[1]，學者們采用現場觀測、數值模擬、理論分析、室內試驗等研究方法分析了開采擾動下的圍巖穩定性及地表變形規律[2-3]。然而，關于重復開采條件下傾斜礦體的覆巖穩定性研究較少。本文以某鐵礦為工程背景，采用PHASE 2D有限元軟件建立數值模型，研究多次重復開采影響下的覆巖移動規律及地表破壞范圍。

1 工程背景

某鐵礦為特大型鞍山式沉積變質鐵礦床，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。礦區共分為17個礦體，依次編號為Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號為主礦體，礦體總體呈北北西走向，層狀產出，傾向北西或南西，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2個采區，其中﹣240～﹣540 m為上部采區，﹣540～﹣900 m為下部采區，上、下采區同時開采。本論文即研究上、下采區重復開采條件下的覆巖變形規律。

2 模型建立

PHASE 2D是RocScience開發的一款強大的二維彈塑性有限元程序軟件，可以用較短的時間解決大型且復雜的采礦、巖土、土木工程中的工程技術問題，如地下硐室開挖與設計、支護設計、地下水滲流、邊坡穩定、可靠度分析等。本研究所建立PHASE 2D數值模型長4 000 m，高1 225 m，如圖1所示。模型的地層結構從上到下依次為第四系表土層、強風化帶、弱風化帶、淺部巖層、深部巖層。模型左、右邊界施加水平方向約束，下部邊界限制垂直方向位移，上部邊界為自由邊界。模型包括13 816個單元，7 094個節點。礦體厚度為135 m，傾角40°，礦體左右兩側預留1 100 m邊界，底部預留300 m邊界，以消除邊界效應。模型劃分為上下2個采區，其中﹣240 m～﹣540 m為上部采區，﹣540 m～﹣900 m為下部采區，上、下采區同時開采，采礦方法為嗣后充填采礦法。

3 模擬結果分析

3.1 塑性區發展規律

不同開挖高度下的圍巖塑性區發展規律如圖2所示。圖中紅色區域表示礦體或巖體的破壞范圍。開挖初期，底部和頂部采場出現一定范圍的塑性區，地表也出現一定范圍的破壞單元，但整體破壞范圍較小。隨著開挖的進行，圍巖破壞范圍不斷增大，當開挖高度達到300 m時，模型左上方地表處的破壞范圍顯著增大，發育形狀近似為倒立的三角形；淺部礦體上方覆巖破壞范圍直通地表。

3.2 地表位移

不同開挖高度下的地表下沉曲線如圖3（a）所示。礦體開挖后在地面形成一個開采沉陷盆地，隨著開挖高度的增大，地表下沉也逐漸增大。由于礦體具有一定傾角，因此地表下沉曲線并不對稱。以模型橫坐標x=2 000 m為中線，左側下沉曲線坡度小，下沉范圍廣；右側下沉曲線坡度大，下沉范圍小。隨著開挖高度的不斷增大，這一趨勢越來越明顯。當開挖高度達到360 m時，地表下沉量達到最大值﹣335 mm。

不同開挖高度下的地表水平位移曲線如圖3（b）所示。隨著礦體的開挖，地表水平位移的不對稱性愈加明顯。其中模型左側的地表水平位移顯著大于模型右側，水平位移最值分別出現在x=1 600 m和x=2 300 m地表處。當礦體開挖高度達到360 m時，地表水平位移最值分別為220 mm和25 mm。

4 結語

多次重復開采下，覆巖塑性區呈非對稱發育規律，塑性區主要集中在模型左側覆巖及模型右側礦體上方覆巖；地表位水平和垂直位移也呈非對稱發展規律，下部采區對應的地表垂直和水平位移曲線坡度小、范圍廣，而上部采區對應的地表位移曲線坡度大、范圍小。當模型開挖高度達到360 m時，地表下沉量達到最大值﹣335 mm，水平變形最值分別為220 mm和25 m。

[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數值模擬[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，雷家好，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.