重復開采下傾斜礦體覆巖非對稱移動規(guī)律研究

張阿鵬　梅笑寒　宋高峰

摘 要：根據(jù)某鐵礦地質(zhì)和開采條件，采用PHASE 2D有限元軟件建立數(shù)值模型，研究多次重復開采影響下覆巖的塑性區(qū)發(fā)展及地表變形規(guī)律。研究結(jié)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(guī)律。

關鍵詞：傾斜礦體；覆巖移動；地表沉陷；數(shù)值模擬

冶金礦山地下開采誘發(fā)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(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬、理論分析、室內(nèi)試驗等研究方法分析了開采擾動下的圍巖穩(wěn)定性及地表變形規(guī)律[2-3]。然而，關于重復開采條件下傾斜礦體的覆巖穩(wěn)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(shù)值模型，研究多次重復開采影響下的覆巖移動規(guī)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(zhì)鐵礦床，位于陰山—天山緯向構(gòu)造帶東段—燕山南亞帶山海關臺拱西南邊緣。礦區(qū)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(chǎn)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(qū)，其中﹣240～﹣540 m為上部采區(qū)，﹣540～﹣900 m為下部采區(qū)，上、下采區(qū)同時開采。本論文即研究上、下采區(qū)重復開采條件下的覆巖變形規(guī)律。

2 模型建立

PHASE 2D是RocScience開發(fā)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(wěn)定、可靠度分析等。本研究所建立PHASE 2D數(shù)值模型長4 000 m，高1 225 m，如圖1所示。模型的地層結(jié)構(gòu)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(jié)點。礦體厚度為135 m，傾角40°，礦體左右兩側(cè)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(qū)，其中﹣240 m～﹣540 m為上部采區(qū)，﹣540 m～﹣900 m為下部采區(qū)，上、下采區(qū)同時開采，采礦方法為嗣后充填采礦法。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律

不同開挖高度下的圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律如圖2所示。圖中紅色區(qū)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(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，地表也出現(xiàn)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(fā)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(cè)下沉曲線坡度小，下沉范圍廣；右側(cè)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(cè)的地表水平位移顯著大于模型右側(cè)，水平位移最值分別出現(xiàn)在x=1 600 m和x=2 300 m地表處。當?shù)V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(jié)語

多次重復開采下，覆巖塑性區(qū)呈非對稱發(fā)育規(guī)律，塑性區(qū)主要集中在模型左側(cè)覆巖及模型右側(cè)礦體上方覆巖；地表位水平和垂直位移也呈非對稱發(fā)展規(guī)律，下部采區(qū)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(qū)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(xiàn)規(guī)律數(shù)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(guī)律數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè)，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(guī)律研究[J].煤礦開采，2011（4）：95-96.