梅山铁矿塌陷区稳定状态数值模拟分析

吴荣高　王　星　孙国权　刘海林

(1.南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



梅山铁矿塌陷区稳定状态数值模拟分析

吴荣高1王星2,3,4孙国权2,3,4刘海林2,3,4

(1.南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

摘要为了解梅山铁矿井下开采过程中覆岩的沉降和塌陷规律，预测矿区塌陷范围及分析移动区和塌陷区的稳定状态，及时掌握矿区地表变化情况，采用矿区环境三维数字化和开采数值模拟相结合的方法，对矿区环境和地表塌陷范围进行了稳定性分析。结果表明，南部塌陷区域经过长时间的叠合之后在现阶段的塌陷范围变化不大，而北部地表的塌陷范围会随着下部矿体的回采逐渐增大，处于不稳定发展状态，为矿区地表的安全管理提供科学依据。

关键词塌陷区三维数字化数值模拟稳定性

梅山铁矿一直采用无底柱分段崩落采矿法，经过几十年不同强度的开采，在地表产生了不同时期和不同规模的塌陷区和移动区[1]，并且随着二期工程和二期延伸工程的进行，开采面积逐渐增大，与之相对应的地表也会进一步沉降和塌陷。为充分了解矿山开采过程中地表的塌陷变形规律及稳定状态，根据矿山采矿方法的特点，按照矿山开采顺序，采用三维数字化和数值模拟相结合的方法分析矿区塌陷区稳定状态，为矿山安全高效生产提供保障。

1工程概况

梅山铁矿位于宁芜中生代陆相火山岩断陷盆地的北段，矿体赋存于辉石安山岩与闪长玢岩的接触破碎带及其附近，为一大型透镜状盲矿体，矿体顶板最高标高为-34 m，矿体底板最低标高为-524 m，其平面投影呈似椭圆形[2]，面积为0.8 km2，走向长1 370 m，宽824 m，平均厚134 m，属于缓倾斜极厚矿体。矿石主要成份为磁铁矿、赤铁矿，矿体稳固性较好，围岩易冒落。矿体赋存状态表现为西南部埋藏较浅，西北部埋藏较深，富矿埋藏深度主要在-50～-350 m，贫矿主要在矿体边部，富矿与贫矿为连续过渡关系，呈互层状产出。矿区富矿TFe含量最高可达66.06%，平均品位为49.24%，贫矿TFe平均品位为32.93%，全矿区TFe平均品位为39.14%。

通过现场取样并进行实验室力学参数实验，得到矿山主要矿岩力学参数值，综合矿山工程地质特征，经强度折减后的矿区岩体力学参数见表1。

表1　岩体力学参数

2矿区环境三维可视化

矿山塌陷区稳定状态数值模拟分析的基础是实现矿区环境的三维数字化，借助计算机模拟计算。矿区环境三维数字化和可视化主要是借助矿业软件对矿床环境进行数字化重现及认识，即依据矿山真实地理坐标，建立数字化和三维显示的虚拟矿床[3]。

2.1矿体数字化及三维可视化处理

根据已有梅山铁矿矿床勘探线剖面图，采用3DMine对剖面标高和平面坐标与所处三维位置进行空间叠合处理，并根据勘探线平面布置图进行各剖面的相邻位置顺序堆排。为模拟计算便捷和图形显示清晰，根据1∶100比例进行处理，图中只列出部分勘探线处理结果，见图1。

根据各勘探线剖面的矿体信息，构建各剖面之间的实体，形成矿体三维实体模型，见图2。

对所形成的矿体三维实体模型进行块体化处理，形成内部被填充的块体模型，并根据矿体范围划分块度，见图3。

2.2矿区地表数字化和三维可视化处理

根据矿区地形地质图，结合标高信息，采用3DMine矿业软件将矿区地表进行三维化处理。将地形图导入3DMine，根据等高线标高信息进行各等高线的Z信息赋值，形成三维化的矿区等高线图，见图4。

图1　勘探线矿体边界

图2　矿体三维实体模型

图3　矿体块体模型

图4　矿区地形图三维化处理

在矿区等高线条三维化的基础上，采用三角网连接，形成矿区三维化的地表，并采用勘探线剖面图的地表信息进行塌陷范围内的地表三维化还原，见图5。

图5　矿区地表三维化

根据得到的矿体和地表三维化立体图，进行数据耦合的三维块体化构建，并通过添加约束进行三维化地表处理。块体化后的三维立体图见图6。

图6　矿区环境三维块体化立体图

3塌陷区稳定状态数值模拟分析

3.1模拟步骤

(1)按照自重应力形成初始应力场，使模型达到初始应力平衡状态。

(2)本次研究对象主要为梅山铁矿未开采状态至二期延伸工程所开采的所有采场，依据无底柱分段崩落法的特点进行采场开采模型的构建。

(3) 模拟采用无底柱分段崩落采矿法进行矿体回采后的覆岩运动及地表塌陷变形状态，按照从上到下的顺序进行回采模拟，每一步的回采计算都是在上一步回采计算的基础上进行的，从而客观地反映了前步开采对下一步开采的叠加效应，同时记录开采时的围岩应力和位移状态。

3.2数值模拟过程

根据梅山铁矿所采用的无底柱分段崩落采矿法进行井下矿体回采的数值模拟，分析研究上覆岩层移动破坏规律，进而进行塌陷坑未堆存固化尾矿时的稳定性分析和分区研究。在模拟过程中，按照矿山开采实际，-68～-88 m分段高度为10 m，-88～-112 m分段高度为12 m，-112～-138 m分段高度为13 m，-138～-198 m分段高度为12 m，-198～-318 m分段高度为15 m，-318～-330 m 分段高度为12 m，-330～-420 m分段高度为18 m。通过数值模拟计算，得到了各分段回采过程中围岩的最大主应力云图、最小主应力云图、位移云图，见图7～图12。

3.3数值模拟结果分析

根据模拟结果可知，井下采用无底柱分段崩落法回采矿体过程中，覆岩应力、位移及崩落情况变化随着分层矿体的回采步骤叠加而逐步叠合。

从进行-100 m矿体开采时起，围岩崩落发展至地表范围，形成崩落漏斗，随着回采步骤的进行，至-186 m分层矿体回采时，地表塌陷范围扩大速度仍较小。在进行-186 m以上矿体回采时，初始崩落之后对原岩应力影响较大，次生应力场在围岩崩落过程中逐渐形成。但尽管围岩中应力重新分布，且地表产生位移，但由于分层矿体较少，分布范围较小，地表崩落塑性区范围也比较小，并且在几个分层回采叠加过程中相对变化较小，至-186 m分层矿体回采完时，地表塌陷深度为12.14 m，塑性区体积为2.02×106m3。

图7　-198 m开采主应力云图(单位：MPa)

图8　-198 m开采后位移云图(单位：m)

图9-258 m开采主应力云图(单位：MPa)

图10　-258 m开采后位移云图(单位：m)

图11　-420 m开采主应力云图(单位：MPa)

图12　-420 m开采后位移云图(单位：m)

进行-198 m分层以下矿体回采时，从各应力云图(图7、图9和图11)可以得到，分层回采造成上覆岩层的阶段性下沉和塌陷，次生应力在上覆塌陷岩层中得以释放，并渐至地表，最大主应力在矿体上下盘围岩中表现出差异性，基本规律为下盘应力集中程度较大，但在最后-420 m分层矿体回采和覆岩崩落后，最大主应力在覆岩两侧基本呈对称分布。最小主应力在矿体顶板表现为拉应力，最终在覆岩崩落过程中得以释放，在地表崩落塌陷区域为最小值。另外，由于矿体厚大，矿体埋深浅，采深与采厚比较小，在围岩崩落之后，地表明显见剪切屈服区域和拉伸屈服区域，地表崩落状态明显，并且随着回采步骤的进行，地表的崩落范围也随之扩大。至-420 m 分层矿体回采结束时，地表塌陷深度为154.22 m，塑性区体积为4.45×108m3。

根据图8、图10和图12等代表性阶段图以及综合整个模拟过程可以看出，数值模拟过程中覆岩崩落破坏和上覆岩层的位移相互对应，403勘探线以南的地表在开采初期便出现塑性区，位移增大至7.42 m，此时地表已出现塌陷坑，并且在进行-100～-186 m分层矿体回采过程中，地表位移和塌陷范围逐渐增大，但南部地表塑性区范围大小在-186 m 以上全部矿体回采结束后基本保持不变，只是塌陷坑内西侧部分的位移在后续回采过程中会有所增大。因此，403勘探线以南地表塌陷范围发展已基本趋于稳定，只有塌陷坑内部还会有沉降。

403～402勘探线的地表塌陷区域在逐步回采过程中逐渐变化，并且在进行-198 m分层矿体回采时变化最大，呈现跳跃式增长，主要表现在中部地表位移增大，东西部两边剪切和拉升塑性区变大，在后续分层回采过程中，西面塑性区范围和地表位移逐渐变大，塑性区体积逐渐变大。

402勘探线以北的地表塌陷区域在前期回采过程中几无变化，在进行-112 m分层矿体回采时，北部地表塑性区和位移突然增大，地表出现塌陷，在后续分层矿体回采过程中逐渐增大，直至-366 m分层矿体回采后，地表塑性区范围大小基本保持不变，但地表位移仍逐渐增大，直至-420 m分层矿体回采结束。

地表变化区域与勘探线位置对应关系见图13。

图13　勘探线与地表变形对应图

4结论

根据矿区环境和矿山开采特点，采用三维数字化和数值模拟分析相结合的方法进行了稳定状态分析，矿区塌陷范围在403线、402线附近位置呈现差异特性，将地表分为3个基本区域，在后续开采过程中，403线以南部分只有塌陷坑内部的沉降，403～402线区域的地表西面塌陷范围会增大，402线以北区域的地表塌陷沉降活动最明显，会持续增大至最终塌陷边界。在矿山生产实际中，应根据矿区地表不同的变化特性进行地表安全管理，实现安全生产。

参考文献

[1]卢志刚.复杂高应力环境下矿体开采引起的地表沉陷规律研究[D].长沙：中南大学,2013.

[2]陈勇.梅山铁矿上覆岩体塌陷与错动机理研究[D].西安：西安建筑科技大学,2004.

[3]李国清,胡乃联,陈道贵，等.金属矿山地质资源数字化建设框架研究[J].金属矿山,2010(4):118-122.

(收稿日期2016-02-18)

吴荣高(1964—) ，男，高级工程师， 210041 江苏省南京市西善桥。