某鐵礦廢石充填采空區(qū)保護豎井安全的可靠性分析

黨高鋒

（河北蘊海礦山工程設(shè)計服務(wù)有限公司）

某鐵礦已有箕斗井和盲罐籠井位于老采空區(qū)巖石移動范圍之內(nèi)，存在一定的安全隱患，為了保證井筒的使用安全，礦山對井筒保安礦柱范圍內(nèi)的采空區(qū)進行了廢石充填處理。本研究采用大型有限元模擬軟件對采空區(qū)的圍巖位移和塑性破壞區(qū)進行二維模擬計算，分析采空區(qū)充填后圍巖位移和塑性破壞區(qū)域發(fā)展趨勢，以研究廢石充填采空區(qū)［1］后井筒的安全能否得到保障。

1 礦山工程及采空區(qū)概況

該礦采用豎井—盲豎井開拓方案，生產(chǎn)規(guī)模為10萬t/a，箕斗井和盲罐籠井為主要的生產(chǎn)用井。箕斗井主要承擔(dān)420 m水平以上礦石的提升任務(wù)，箕斗井井徑3.5 m，井深230 m；盲罐籠井井徑4.0 m，井深180 m，主要承擔(dān)420 m水平以下礦石、廢石、人員、材料等提升任務(wù)。

該礦礦體為急傾斜薄礦體，礦體傾角為75°～88°，平均厚度為3 m。礦山以往采用淺孔留礦采礦法開采，形成的采空區(qū)寬度一般為礦體厚度，采高一般在30 m左右，開采后留設(shè)有礦柱支撐采空區(qū)，采空區(qū)相對穩(wěn)定［2］。

礦山的2條主要生產(chǎn)豎井均位于已有采空區(qū)巖石移動影響范圍之內(nèi)，存在一定的安全隱患，如廢棄重新打井，將給礦山造成巨大的損失。礦方與設(shè)計單位經(jīng)多次協(xié)商研究，通過多種方案比較后，考慮該礦采空區(qū)規(guī)模不大、圍巖條件較好、空區(qū)相對穩(wěn)定的情況，最終確定采用廢石對豎井保安礦柱范圍內(nèi)的采空區(qū)進行充填，以保護豎井的安全，同時最大限度地節(jié)約治理成本。

2 模型的建立及參數(shù)的選取

2.1 模型的建立

采用大型有限元模擬軟件對礦體開采過程進行二維模擬［3］。豎井典型剖面模型網(wǎng)格見圖1，模型長為380 m，高為500 m，劃分為1 279個單元。

2.2 參數(shù)的選取

要想獲得有價值的有限元分析結(jié)果，模型參數(shù)的選取非常重要。分析的直接數(shù)據(jù)來源即為模型中輸入的材料參數(shù)，因此模擬過程中所采用的材料參數(shù)也必須與工程實際相符合。本次模擬分析中的材料參數(shù)主要來源于礦山地質(zhì)報告中提供的巖石力學(xué)實驗參數(shù)，廢石充填力學(xué)參數(shù)［4］參照相關(guān)文獻，采用工程類比法獲得［5］。分析中所采用的材料參數(shù)見表1。

3 模擬步驟及結(jié)果

3.1 模擬步驟

具體的模擬步驟［6］見表2。

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3.2 模擬結(jié)果

515，470，420，370 m水平開挖圍巖水平位移與水平應(yīng)力模擬結(jié)果分別見圖2~圖5。515~370 m水平采空區(qū)廢石充填后圍巖水平位移與水平應(yīng)力模擬結(jié)果見圖6。

因礦體為近似直立礦體，礦體開挖后上下盤巖體位移規(guī)律相近。礦體開挖后，采空區(qū)上下盤圍巖位移隨開采深度增加，水平位移和水平應(yīng)力呈增大趨勢。采空區(qū)充填后，上下盤圍巖位移在采空區(qū)上下盤10~15 m范圍內(nèi)，位移值在1~2 cm，發(fā)生塑性變形。模擬結(jié)果顯示，采空區(qū)采用廢石充填后，圍巖位移變化和沒有塑性變形結(jié)果范圍得到有效控制，塑性破壞區(qū)范圍未波及到豎井，豎井安全可以得到保障。

4 結(jié)論

通過有限元數(shù)值模擬某鐵礦采空區(qū)廢石充填后圍巖水平位移與水平應(yīng)力以及塑性破壞區(qū)發(fā)展趨勢和影響范圍，得出該礦豎井保安礦柱內(nèi)的采空區(qū)采用廢石充填后，圍巖位移和塑性破壞區(qū)范圍得到了有效的控制，未影響到豎井，能夠保證豎井的安全。據(jù)了解，該礦豎井已使用十多年，目前還在使用中，說明數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際基本相符，具有一定的參考意義。