不同开采时序下倾斜矿体覆岩稳定性数值分析

冀宇鑫　沈万虎　宋高峰

摘 要：文章以某铁矿为工程背景，采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型，研究了不同开采时序下倾斜矿体覆岩破坏及地表沉陷。结果表明：不同开挖时序对覆岩及地表变形影响显著，其中上、下部采区同时开采时，覆岩破坏程度最小，且地表位移并不大。综合考虑覆岩破坏及开采效率，优选上、下部采区同时开采方案。

关键词：开采时序；倾斜矿体；地表位移；数值模型

目前很多金属矿山已开采至深部，采场应力更加复杂，围岩稳定性更差；同时，为提高开采效率，矿山都尽可能提高开采规模，两者都对采场围岩稳定性控制提出了更高的要求。学者们通过理论计算和数值模拟研究了采场结构参数[1]、开采顺序[2]等因素对矿区覆巖破坏及稳定性影响[3]。本文采用PHASE 2D有限元软件，对不同开采时序下某矿区倾斜矿体的覆岩稳定性及地表沉陷进行数值模拟研究。

1 工程背景

某铁矿位于阴山—天山纬向构造带东段—燕山南亚带山海关台拱西南边缘，全区共17个矿体，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号为主矿体。矿体倾角39～56°，矿带总体走向长6 km。采用地下开采嗣后充填采矿法，设计开采范围为﹣240～﹣900 m，划分为﹣240～﹣540 m上部采区和﹣540～﹣900 m下部采区。本论文拟研究不同开采时序下的覆岩变形规律。

2 数值模型建立

采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型如图1所示。模型长4 000 m，高1 225 m，左、右边界施加水平约束，下部边界限制垂直位移，上部边界为自由边界。模型矿体厚度为135 m，倾角40°，矿体左右两侧预留1 100 m岩体，底部预留300 m岩体，以消除边界效应。根据开采实际，模型划分﹣240～﹣540 m上部采区和﹣540～﹣900 m下部采区，矿体开挖后对采空区进行回填。为研究不同开采时序对覆岩变形的影响，建立了3个开挖方案。其中方案1上、下采区同时开采，方案2先采上部采区、再采下部采区，方案3先采下部采区、再采上部采区。

3 数值模型分析

3.1 塑性区发展规律

不同开采方案下的围岩塑性区发展规律如图2所示。方案1中，覆岩塑性区延伸深度为434 m，塑性区屈服单元数量为2 160个；方案2中，模型左侧的塑性区分为两部分，延伸深度分别为435 m和321 m，塑性区屈服单元个数为2 347个；方案3中，覆岩塑性区向下延伸高度为541 m，塑性区内屈服单元个数达到了2 809个。

3.2 地表位移

矿体开挖结束后，不同开挖方案的地表变形如图3所示。地表垂直位移由小到大依次为方案2（291 mm）<方案3（317 mm）<方案1（335 mm）；地表水平位移由小到大依次为方案2（175 mm）<方案1（216 mm）<方案3（245 mm）。其中，方案2的水平位移和垂直位移均最小，但3个方案地表位移相差并不明显。

4 结语

为研究开采时序对覆岩破坏范围及地表变形影响，本论文建立了3个开采方案，方案1为上、下部同时开采，方案2先采上部、再采下部，方案3先采下部、再采上部。从覆岩塑性区发展及屈服范围来看，方案1的塑性区破坏面积最小；从地表变形来看，方案2水平位移和垂直位移均最小，但地表变形相差不大。综合考虑矿山覆岩稳定性及开采效率，优选上、下部采区同时开采的技术方案。

[参考文献]

[1]杨明，孟祥瑞，高召宁，等.采场覆岩移动矿压显现规律模拟[J].煤矿安全，2012（6）：23-27.

[2]杨盼杰，张双全，朱鹏，等.大采高工作面覆岩移动规律数值模拟[J].现代矿业，2014（9）：21-22.

[3]宋志飞，雷佳好，孙世国，等.复杂条件下煤层开采上覆岩体移动规律研究[J].煤矿开采，2011（4）：95-96.