铁矿床多层空区稳定性分析及评价

任家新　陈　超

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北钢铁集团有限公司黑山铁矿)



铁矿床多层空区稳定性分析及评价

任家新1,2陈超1

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北钢铁集团有限公司黑山铁矿)

摘要通过数值模拟软件ANSYS对某地下矿采空区稳定性进行分析。选择不同阶段高度、暴露面积较大的采空区为对象，建立数值模型，设置边界条件及物理参数。模拟结果表明，在自重应力下对矿体开挖后，目前采空区保持相对稳定的状态，但各中段采空区在空间位置上重叠的部位容易引起应力集中现象，存在安全隐患。

关键词采空区数值模拟稳定性分析

矿石开采形成了地下采空区，破坏了原岩应力的初始平衡状态，产生的次生应力场使围岩的应力重新分布，达到新的平衡。在这一过程中，如果对空区处理不及时或方法不当，将会发生一系列的地质灾害，严重影响人的生命财产安全，给企业发展带来不利因素，后果严重。

以河北承德某矿为研究背景，该矿2006年投产，主要开采Fe23矿体。该矿区地表南侧100 m处修建了铁路、公路、矿区办公室、职工宿舍、文化活动中心等公共设施，采空区的存在对地表建筑的安全构成了威胁。矿区东侧还有相邻矿区开采，而且部分巷道相通，二者开采互相影响。矿山经多年开采形成一定规模的采空区，目前，空区还未出现垮落现象，但随着采空区暴露时间的增加，空区围岩应力值的改变，地压活动也会愈加频繁、明显[1]，逐渐威胁地表建筑物的安全。所以，应对现已有空区的稳定性进行分析，为矿山进行采空区处理提供合理的建议，保障矿区及附近居民生命财产和建筑物的安全[2]。

1　工程概况

1.1矿体特征

该铁矿赋存于太古界单塔子群白庙组地层中，多呈似层状或透镜状分布，总体倾向自北向东，倾角33°～85°，厚度Fe23为8.37～10.16 m，矿体的形态和产状严格受片麻岩构造线方向及产状控制。

1.2采空区现状

矿区目前已建矿井2个，均在岩石移动界线之内，现已开采346，323和303 m 3个中段，空场法开采，为巷道挑顶型采场，运输巷道布置在脉内，巷道即采场，采高10 m左右，顶柱高10 m左右。采空区情况详见表1。

表1　采空区情况

2　模拟结果分析

2.1模型参数设置

通过对矿山采空区的实际调研并对部分采空区进行简化后，模型尺寸(长×宽)为340 m×380 m，总单元数为3 134个，节点数为9 633个。把模型X轴方向设置为水平位移，模型Y轴从底部到地表方向设置为垂直位移，模型上部边界应力施加相应的垂直荷载。模型变形设置为大变形。为了计算方便，假设模型介质是连续、均质、无初始应力和各向同性的弹塑性材料。选取材料力学参数见表2。

表2　数值模拟计算参数

2.2模拟结果

本次采空区稳定性计算采用二维模型，对初始模型设置应力参数及边界条件后，先进行未开采模型计算，再进行采空区模型计算。计算结果主要有：采空区剖面模型开采前和开采后X、Y方向的位移；采空区剖面模型开采前和开采后Y方向应力及剪切方向应力。

通过ANSYS程序模拟计算，得出空区周围的应力分布和位移分布图，以Y=25 m，Y=80 m和Y=100 m的不同断面为例，分析计算空区结果。

由模拟图可知，矿体被开采完后，原岩应力场的自然平衡状态被打破，在上覆岩层的作用下，采空区周围岩体及顶板被破坏的应力重新分布平衡，采场内侧岩体产生的集中应力得到了释放减缓，采场上盘围岩失去其下部原有矿体的支撑，在采场的顶底板及围岩的不同位置均产生了应力集中现象。由于下覆岩层的作用，采空区周围岩体被破坏的应力重新分布平衡，采场内侧岩体产生的集中应力得到了释放减缓。分别对这些压应力集中及拉应力集中的地方进行分析，通过结果判断其影响范围及位移大小。

2.2.1Y=50 m

从图1～图4可以看出，不同深度中段的采空区出现的应力集中现象，并且有的地方可看作是对称分布。其中303 m 中段由于空区所处位置及埋藏较深，空区顶底板及两侧都出现了较大的拉应力,局部地区的最大拉应力达到了1.41 MPa，空区两帮偏上部分地区表现出了压应力集中的现象，最大压应力值为3.04 MPa。从空区周围的剪应力等值线分布看出，303 m中段的空区剪应力最大值分布在空区的两个对角上，剪应力的最大值是1.24 MPa。

图1　Y=25 m空区分布

图2　Y=25m竖直应力分布

图3　Y=25 m剪切应力分布

图4　Y=25 m竖直方向位移

从Y轴的纵向位移剖面图可知，空区四周的岩体(包括空区顶底板及两帮)都出现了向空区内部有大小不同的位移，其中303 m中段空区的顶板向下移动的最大值是13.3 cm，相对来说位移较大。

2.2.2Y=80 m

图5～图8是矿体开挖后，采场Y=80 m纵截面内空区、受力、位移分布趋势。

图5　Y=80 m空区分布

图6　Y=80 m竖直应力分布

图7　Y=80 m剪切应力分布

图8　Y=80 m竖直方向位移

由图6可知，由于303,323,343 m中段空区的形成，在各个空区顶板偏两侧的位置表现出了拉应力集中现象，最大拉应力为1.83 MPa，而空区周围则表现压应力，其最大值为3.53 MPa。从图7可知，空区剪应力主要分布在空区的顶角位置，剪应力的最大值是1.06 MPa。

图8表示开挖完毕后，在采场Y=80 m处的纵截面竖直方向位移，从图中可以看出，采场上盘围岩下沉，位移最大值为66 mm，发生在343 m中段空区的顶板围岩处，应多加注意观察。

2.2.3Y=100 m

图9～图12为矿体开挖后采场Y=100 m纵截面内的空区、应力、位移分布趋势。

图9　Y=100 m空区分布

图10　Y=100 m竖直应力分布

图11　Y=100 m剪切应力分布

图12　Y=100 m竖直方向位移

由图10、图11可知，矿体开采后，采空区围岩内侧岩体的应力得到了释放，采场上盘围岩失去其下部原有矿体的支撑，在采场的顶底板四角处都出现了拉应力，最大值是1.47 MPa，而在303 m中段处有压应力2.54 MPa。

图12表示开挖完毕后，在采场Y=100m处的纵截面竖直方向位移，从图中可以看出，采场上盘围岩下沉，位移值为1.4cm，矿体四周也出现了不同程度的轻微位移。

3　结　论

(1)由于埋藏较深，在不同断面分析中，303m中段的采空区顶板与围岩均有较大位移，顶板、围岩和矿柱都会出现不同程度的冒落和塌陷等危险，空区围岩不稳定，需要加强检测和安全防护。

(2)采空区形成后，303m中段采空区的顶板和矿柱部分区域的应力集中现象最为严重，对矿柱和顶板都有较大的影响。

(3)在303，323，343m中段中，303m中段采空区稳定性最差，垮塌可能性最大，急需加强监测与治理。

参考文献

[1]付士根,李全明,王云海,等.采空区对地表建筑物的影响评价方法研究[J].中国安全科学学报,2007(8):143-147，2.

[2]卢宏建,甘德清.铁矿床滞留采空区稳定性综合分析模型[J].金属矿山,2013(3):62-65.

(收稿日期2016-05-12)

Stability Analysis and Evaluation of Multi-layer Goaf of Iron Deposit

Ren Jiaxin1,2Chenchao1

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology;2.Heishan Iron Mine,Hebei Iron & Steel Group Co.,Ltd.)

AbstractThe stability of the goaf of a underground mine is analyzed by adopting ANSYS numerical simulation software.The goaf with the characteristics of difference section height and large expose area is taken as the study example to establish numerical model,the model boundary conditions and physical parameters.The simulation results show that under the action of gravity stress,after the excavation of the ore-body,the goaf is maintained a relatively stable state,the overlapping parts of the goafs of different section on the spatial location is easy to cause the stress concentration phenomenon,therefore,the safe hidden trouble is existed.

KeywordsGoaf,Numerical simulation,Stability analysis

任家新(1982—)，男，助理工程师，硕士研究生，067412 河北省承德县高寺台镇。