宿松磷礦地下采礦對地表穩定性的分析及管控方案

閆紅橋

【摘要】據宿松磷礦目前揭露的礦體和圍巖情況可知，礦體頂底板圍巖極為破碎，巷道掘進過程中冒頂、片幫等不穩定現象時有發生，礦體呈間斷式分布，且厚度差異較大。為保證地下采礦的安全以及地表構筑物的穩定性，根據上級主管部門的文件精神，擬對宿松磷礦的地下開采對地表構筑物的穩定性開展分析，并選擇對應的地壓管理措施和采礦方案：

【關鍵詞】磷礦；地下采礦；穩定性

1礦體頂底板軟弱圍巖的采礦方法

在采礦過程中，若遇到礦體頂底板圍巖較破碎的地段，可采取超前管棚護頂的措施，再加以礦柱的保留，可明顯提高采區頂板的穩定性，亦可提高采礦的安全性，防止采空區因大面積冒頂引起的地表塌陷。超前管棚一般是沿巷道斷面的一部分或全部，以一定的間距環向布設，形成鋼管棚護。這樣可以實現在特殊環境下安全開挖，并且可以預先提供增強地層承載力的臨時支付方法。這種方法主要用于砂礫地層和軟層、巖堆、破碎帶地段。在回采工作開始前，沿回采巷道拱圈以一定角度和間距打入鋼管，在管棚進口端一般加有套拱基礎，另一端深入到前方圍巖深處，這樣可以對上部的破碎軟弱圍巖形成一個穩定的“簡支梁”支撐結構，此簡支梁可承受上部松動壓力或者傳遞上部荷載的作用，從而提高礦房頂板的穩定性和采礦的安全性。

2礦體頂板遇破碎帶的采礦方法

在采礦過程中，若遇到大面積破碎帶的地段，可采取人工假頂小分段開采法，即縮短分段距離，減少一次采空區凈空，降低因采礦對上部圍巖的擾動范圍，從而提高采礦的安全性，亦可降低上部碎石混入率，減少礦石貧化。對于較厚礦體，應將其劃分為多個小分段自上而下依次回采，盡量減少一次回采暴露的空間；人工假頂采礦是在人工構筑的鋼筋混凝土假頂下進行支護、鑿巖、爆破、出礦等一系列采礦作業活動。待上一分段回采完畢后，即施筑假頂，為下分段回采提供穩定的頂板條件。薄礦體可一次回采完畢，厚礦體利用小分段開采方法，礦體間隔處的巖體可留作礦柱用。

3采空區充填

為防止采空區頂板圍巖失穩垮落而影響地表構筑物的穩定，在回采過程中，采用一采一充的充填措施，在上一分段充填完成后，方可進入下一分段進行回采作業。隨著回采工作面的推進，逐步用充填料充填采空區的采礦方法稱為充填采礦法，利用充填體進行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表下沉，并為回采工作創造安全和方便條件。對于薄礦體，可采用單層充填采礦，充填順序為由下向上，一段一段地充填，一次充填長度視頂板穩固程度而定，該方法是薄礦體在頂板不允許崩落的復雜條件下非常有效地采礦法。對于較厚礦體，可采用下向分層充填采礦，該方法適用于復雜的礦山開采條件，如圍巖很不穩固，或圍巖或礦石很不穩固，以及地表和上覆巖層需保護等，該法代替分層崩落法，效果好。下向分層膠結充填法優點較多，礦石損失很小，依步驟回采。

4數值模擬

數值模擬也就是用計算機對實物進行的一種數值模型試驗。數值模擬的通用性非常強，可以模擬出各種復雜的情況，即方便又靈活，能反復進行多次試驗，修改也非常方便，更重要的是耗資少，因此數值模擬方法得到了廣泛的應用。其中，有限元數值模擬技術在模擬多種介質及介質的非均勻性和彈塑性、工程開挖、充填及支護等方面更為靈活，在處理復雜結構、復雜邊界及載荷條件等方面也顯示出了獨特的功效，因而在數值模擬實用分析技術中起著主導作用。

巖體結構和采空區具有復雜多變的性質，為了更加清楚的認識了解井下采礦的可行性、合理性、以及采空區對地下開采所存在的危害；為了確保地下開采區和空區的處理中存在的安全問題，確定地下開采對地表位移變化的影響規律，就需要對采空區和地表構建物的穩定性進行數值模擬計算分析。由于有限單元法有很多優點，所以本次分析采用該方法。同時為了對現場實際情況更加真實的掌握模擬，我們選用三維有限單元法作為研究手段。

三維有限單元法可以根據實際測得的巖土形狀和各巖層的不同的物理性質分別進行單元劃分，并且根據測得的數據自動地計算出不同形狀的采空區周邊巖體所受應力、應變和位移大小，以及地表位移和變形大??；另一方面，三維有限單元法能真實地反映出巖土失穩及塑性區的發展過程，可以考慮巖土的非線性本構關系、施工過程和復雜邊界條件，因此，三維有限單元法為復雜條件與復雜形狀采空區和地表構筑物的穩定性分析提供了一種比較理想、準確的計算分析方法。

針對此礦區的地質條件和開拓現狀，建立如下三維數值模型：

（1）依照原設計將形成的采空區及該采空區上部地表移動范圍內的地形和構筑物三維數值模型；

（2）采取超前管棚支護的采空區及該采空區上部地表移動范圍內的地形和構筑物三維數值模型；

（3）采取充填處理的采空區及該采空區上部地表移動范圍內的地形和構筑物三維數值模型；

（4）采取超前管棚支護和充填處理的采空區及該采空區上部地表移動范圍內的地形和構筑物三維數值模型；

（5）小分段開采與原設計分段開采的采空區穩定性對比分析。

通過對以上模型的數值模擬結果分析，以期得到采空區應力應變分布規律和地表的沉降變形規律，驗證管棚支護和充填采礦對采空區安全的有效性，并對此前采取的技術措施提出優化建議。

5結束語

針對礦區現狀和上級主管部門的文件要求，需對原有的采礦方法做出適當調整。綜合前述，超前管棚、充填、小分段結合采礦法，可以實現安全、經濟、有效地采出此類礦體，并能有效地將地表的沉降值控制在安全許可范圍內。