梅山鐵礦塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數值模擬分析

吳榮高　王　星　孫國權　劉海林

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;4.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

?

梅山鐵礦塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數值模擬分析

吳榮高1王星2,3,4孫國權2,3,4劉海林2,3,4

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;4.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

摘要為了解梅山鐵礦井下開采過程中覆巖的沉降和塌陷規(guī)律，預測礦區(qū)塌陷范圍及分析移動區(qū)和塌陷區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)，及時掌握礦區(qū)地表變化情況，采用礦區(qū)環(huán)境三維數字化和開采數值模擬相結合的方法，對礦區(qū)環(huán)境和地表塌陷范圍進行了穩(wěn)定性分析。結果表明，南部塌陷區(qū)域經過長時間的疊合之后在現階段的塌陷范圍變化不大，而北部地表的塌陷范圍會隨著下部礦體的回采逐漸增大，處于不穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)，為礦區(qū)地表的安全管理提供科學依據。

關鍵詞塌陷區(qū)三維數字化數值模擬穩(wěn)定性

梅山鐵礦一直采用無底柱分段崩落采礦法，經過幾十年不同強度的開采，在地表產生了不同時期和不同規(guī)模的塌陷區(qū)和移動區(qū)[1]，并且隨著二期工程和二期延伸工程的進行，開采面積逐漸增大，與之相對應的地表也會進一步沉降和塌陷。為充分了解礦山開采過程中地表的塌陷變形規(guī)律及穩(wěn)定狀態(tài)，根據礦山采礦方法的特點，按照礦山開采順序，采用三維數字化和數值模擬相結合的方法分析礦區(qū)塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)，為礦山安全高效生產提供保障。

1工程概況

梅山鐵礦位于寧蕪中生代陸相火山巖斷陷盆地的北段，礦體賦存于輝石安山巖與閃長玢巖的接觸破碎帶及其附近，為一大型透鏡狀盲礦體，礦體頂板最高標高為-34 m，礦體底板最低標高為-524 m，其平面投影呈似橢圓形[2]，面積為0.8 km2，走向長1 370 m，寬824 m，平均厚134 m，屬于緩傾斜極厚礦體。礦石主要成份為磁鐵礦、赤鐵礦，礦體穩(wěn)固性較好，圍巖易冒落。礦體賦存狀態(tài)表現為西南部埋藏較淺，西北部埋藏較深，富礦埋藏深度主要在-50～-350 m，貧礦主要在礦體邊部，富礦與貧礦為連續(xù)過渡關系，呈互層狀產出。礦區(qū)富礦TFe含量最高可達66.06%，平均品位為49.24%，貧礦TFe平均品位為32.93%，全礦區(qū)TFe平均品位為39.14%。

通過現場取樣并進行實驗室力學參數實驗，得到礦山主要礦巖力學參數值，綜合礦山工程地質特征，經強度折減后的礦區(qū)巖體力學參數見表1。

表1　巖體力學參數

2礦區(qū)環(huán)境三維可視化

礦山塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數值模擬分析的基礎是實現礦區(qū)環(huán)境的三維數字化，借助計算機模擬計算。礦區(qū)環(huán)境三維數字化和可視化主要是借助礦業(yè)軟件對礦床環(huán)境進行數字化重現及認識，即依據礦山真實地理坐標，建立數字化和三維顯示的虛擬礦床[3]。

2.1礦體數字化及三維可視化處理

根據已有梅山鐵礦礦床勘探線剖面圖，采用3DMine對剖面標高和平面坐標與所處三維位置進行空間疊合處理，并根據勘探線平面布置圖進行各剖面的相鄰位置順序堆排。為模擬計算便捷和圖形顯示清晰，根據1∶100比例進行處理，圖中只列出部分勘探線處理結果，見圖1。

根據各勘探線剖面的礦體信息，構建各剖面之間的實體，形成礦體三維實體模型，見圖2。

對所形成的礦體三維實體模型進行塊體化處理，形成內部被填充的塊體模型，并根據礦體范圍劃分塊度，見圖3。

2.2礦區(qū)地表數字化和三維可視化處理

根據礦區(qū)地形地質圖，結合標高信息，采用3DMine礦業(yè)軟件將礦區(qū)地表進行三維化處理。將地形圖導入3DMine，根據等高線標高信息進行各等高線的Z信息賦值，形成三維化的礦區(qū)等高線圖，見圖4。

圖1　勘探線礦體邊界

圖2　礦體三維實體模型

圖3　礦體塊體模型

圖4　礦區(qū)地形圖三維化處理

在礦區(qū)等高線條三維化的基礎上，采用三角網連接，形成礦區(qū)三維化的地表，并采用勘探線剖面圖的地表信息進行塌陷范圍內的地表三維化還原，見圖5。

圖5　礦區(qū)地表三維化

根據得到的礦體和地表三維化立體圖，進行數據耦合的三維塊體化構建，并通過添加約束進行三維化地表處理。塊體化后的三維立體圖見圖6。

圖6　礦區(qū)環(huán)境三維塊體化立體圖

3塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數值模擬分析

3.1模擬步驟

(1)按照自重應力形成初始應力場，使模型達到初始應力平衡狀態(tài)。

(2)本次研究對象主要為梅山鐵礦未開采狀態(tài)至二期延伸工程所開采的所有采場，依據無底柱分段崩落法的特點進行采場開采模型的構建。

(3) 模擬采用無底柱分段崩落采礦法進行礦體回采后的覆巖運動及地表塌陷變形狀態(tài)，按照從上到下的順序進行回采模擬，每一步的回采計算都是在上一步回采計算的基礎上進行的，從而客觀地反映了前步開采對下一步開采的疊加效應，同時記錄開采時的圍巖應力和位移狀態(tài)。

3.2數值模擬過程

根據梅山鐵礦所采用的無底柱分段崩落采礦法進行井下礦體回采的數值模擬，分析研究上覆巖層移動破壞規(guī)律，進而進行塌陷坑未堆存固化尾礦時的穩(wěn)定性分析和分區(qū)研究。在模擬過程中，按照礦山開采實際，-68～-88 m分段高度為10 m，-88～-112 m分段高度為12 m，-112～-138 m分段高度為13 m，-138～-198 m分段高度為12 m，-198～-318 m分段高度為15 m，-318～-330 m 分段高度為12 m，-330～-420 m分段高度為18 m。通過數值模擬計算，得到了各分段回采過程中圍巖的最大主應力云圖、最小主應力云圖、位移云圖，見圖7～圖12。

3.3數值模擬結果分析

根據模擬結果可知，井下采用無底柱分段崩落法回采礦體過程中，覆巖應力、位移及崩落情況變化隨著分層礦體的回采步驟疊加而逐步疊合。

從進行-100 m礦體開采時起，圍巖崩落發(fā)展至地表范圍，形成崩落漏斗，隨著回采步驟的進行，至-186 m分層礦體回采時，地表塌陷范圍擴大速度仍較小。在進行-186 m以上礦體回采時，初始崩落之后對原巖應力影響較大，次生應力場在圍巖崩落過程中逐漸形成。但盡管圍巖中應力重新分布，且地表產生位移，但由于分層礦體較少，分布范圍較小，地表崩落塑性區(qū)范圍也比較小，并且在幾個分層回采疊加過程中相對變化較小，至-186 m分層礦體回采完時，地表塌陷深度為12.14 m，塑性區(qū)體積為2.02×106m3。

圖7　-198 m開采主應力云圖(單位：MPa)

圖8　-198 m開采后位移云圖(單位：m)

圖9-258 m開采主應力云圖(單位：MPa)

圖10　-258 m開采后位移云圖(單位：m)

圖11　-420 m開采主應力云圖(單位：MPa)

圖12　-420 m開采后位移云圖(單位：m)

進行-198 m分層以下礦體回采時，從各應力云圖(圖7、圖9和圖11)可以得到，分層回采造成上覆巖層的階段性下沉和塌陷，次生應力在上覆塌陷巖層中得以釋放，并漸至地表，最大主應力在礦體上下盤圍巖中表現出差異性，基本規(guī)律為下盤應力集中程度較大，但在最后-420 m分層礦體回采和覆巖崩落后，最大主應力在覆巖兩側基本呈對稱分布。最小主應力在礦體頂板表現為拉應力，最終在覆巖崩落過程中得以釋放，在地表崩落塌陷區(qū)域為最小值。另外，由于礦體厚大，礦體埋深淺，采深與采厚比較小，在圍巖崩落之后，地表明顯見剪切屈服區(qū)域和拉伸屈服區(qū)域，地表崩落狀態(tài)明顯，并且隨著回采步驟的進行，地表的崩落范圍也隨之擴大。至-420 m 分層礦體回采結束時，地表塌陷深度為154.22 m，塑性區(qū)體積為4.45×108m3。

根據圖8、圖10和圖12等代表性階段圖以及綜合整個模擬過程可以看出，數值模擬過程中覆巖崩落破壞和上覆巖層的位移相互對應，403勘探線以南的地表在開采初期便出現塑性區(qū)，位移增大至7.42 m，此時地表已出現塌陷坑，并且在進行-100～-186 m分層礦體回采過程中，地表位移和塌陷范圍逐漸增大，但南部地表塑性區(qū)范圍大小在-186 m 以上全部礦體回采結束后基本保持不變，只是塌陷坑內西側部分的位移在后續(xù)回采過程中會有所增大。因此，403勘探線以南地表塌陷范圍發(fā)展已基本趨于穩(wěn)定，只有塌陷坑內部還會有沉降。

403～402勘探線的地表塌陷區(qū)域在逐步回采過程中逐漸變化，并且在進行-198 m分層礦體回采時變化最大，呈現跳躍式增長，主要表現在中部地表位移增大，東西部兩邊剪切和拉升塑性區(qū)變大，在后續(xù)分層回采過程中，西面塑性區(qū)范圍和地表位移逐漸變大，塑性區(qū)體積逐漸變大。

402勘探線以北的地表塌陷區(qū)域在前期回采過程中幾無變化，在進行-112 m分層礦體回采時，北部地表塑性區(qū)和位移突然增大，地表出現塌陷，在后續(xù)分層礦體回采過程中逐漸增大，直至-366 m分層礦體回采后，地表塑性區(qū)范圍大小基本保持不變，但地表位移仍逐漸增大，直至-420 m分層礦體回采結束。

地表變化區(qū)域與勘探線位置對應關系見圖13。

圖13　勘探線與地表變形對應圖

4結論

根據礦區(qū)環(huán)境和礦山開采特點，采用三維數字化和數值模擬分析相結合的方法進行了穩(wěn)定狀態(tài)分析，礦區(qū)塌陷范圍在403線、402線附近位置呈現差異特性，將地表分為3個基本區(qū)域，在后續(xù)開采過程中，403線以南部分只有塌陷坑內部的沉降，403～402線區(qū)域的地表西面塌陷范圍會增大，402線以北區(qū)域的地表塌陷沉降活動最明顯，會持續(xù)增大至最終塌陷邊界。在礦山生產實際中，應根據礦區(qū)地表不同的變化特性進行地表安全管理，實現安全生產。

參考文獻

[1]盧志剛.復雜高應力環(huán)境下礦體開采引起的地表沉陷規(guī)律研究[D].長沙：中南大學,2013.

[2]陳勇.梅山鐵礦上覆巖體塌陷與錯動機理研究[D].西安：西安建筑科技大學,2004.

[3]李國清,胡乃聯(lián),陳道貴，等.金屬礦山地質資源數字化建設框架研究[J].金屬礦山,2010(4):118-122.

(收稿日期2016-02-18)

吳榮高(1964—) ，男，高級工程師， 210041 江蘇省南京市西善橋。