重复开采下倾斜矿体覆岩非对称移动规律研究

张阿鹏　梅笑寒　宋高峰

摘 要：根据某铁矿地质和开采条件，采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型，研究多次重复开采影响下覆岩的塑性区发展及地表变形规律。研究结果表明，重复开采下倾斜矿体覆岩及地表呈非对称破坏及变形规律。

关键词：倾斜矿体；覆岩移动；地表沉陷；数值模拟

冶金矿山地下开采诱发上覆岩体移动与破坏问题一直是矿山安全领域的热点问题[1]，学者们采用现场观测、数值模拟、理论分析、室内试验等研究方法分析了开采扰动下的围岩稳定性及地表变形规律[2-3]。然而，关于重复开采条件下倾斜矿体的覆岩稳定性研究较少。本文以某铁矿为工程背景，采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型，研究多次重复开采影响下的覆岩移动规律及地表破坏范围。

1 工程背景

某铁矿为特大型鞍山式沉积变质铁矿床，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。矿区共分为17个矿体，依次编号为Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号为主矿体，矿体总体呈北北西走向，层状产出，倾向北西或南西，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2个采区，其中﹣240～﹣540 m为上部采区，﹣540～﹣900 m为下部采区，上、下采区同时开采。本论文即研究上、下采区重复开采条件下的覆岩变形规律。

2 模型建立

PHASE 2D是RocScience开发的一款强大的二维弹塑性有限元程序软件，可以用较短的时间解决大型且复杂的采矿、岩土、土木工程中的工程技术问题，如地下硐室开挖与设计、支护设计、地下水渗流、边坡稳定、可靠度分析等。本研究所建立PHASE 2D数值模型长4 000 m，高1 225 m，如图1所示。模型的地层结构从上到下依次为第四系表土层、强风化带、弱风化带、浅部岩层、深部岩层。模型左、右边界施加水平方向约束，下部边界限制垂直方向位移，上部边界为自由边界。模型包括13 816个单元，7 094个节点。矿体厚度为135 m，倾角40°，矿体左右两侧预留1 100 m边界，底部预留300 m边界，以消除边界效应。模型划分为上下2个采区，其中﹣240 m～﹣540 m为上部采区，﹣540 m～﹣900 m为下部采区，上、下采区同时开采，采矿方法为嗣后充填采矿法。

3 模拟结果分析

3.1 塑性区发展规律

不同开挖高度下的围岩塑性区发展规律如图2所示。图中红色区域表示矿体或岩体的破坏范围。开挖初期，底部和顶部采场出现一定范围的塑性区，地表也出现一定范围的破坏单元，但整体破坏范围较小。随着开挖的进行，围岩破坏范围不断增大，当开挖高度达到300 m时，模型左上方地表处的破坏范围显著增大，发育形状近似为倒立的三角形；浅部矿体上方覆岩破坏范围直通地表。

3.2 地表位移

不同开挖高度下的地表下沉曲线如图3（a）所示。矿体开挖后在地面形成一个开采沉陷盆地，随着开挖高度的增大，地表下沉也逐渐增大。由于矿体具有一定倾角，因此地表下沉曲线并不对称。以模型横坐标x=2 000 m为中线，左侧下沉曲线坡度小，下沉范围广；右侧下沉曲线坡度大，下沉范围小。随着开挖高度的不断增大，这一趋势越来越明显。当开挖高度达到360 m时，地表下沉量达到最大值﹣335 mm。

不同开挖高度下的地表水平位移曲线如图3（b）所示。随着矿体的开挖，地表水平位移的不对称性愈加明显。其中模型左侧的地表水平位移显著大于模型右侧，水平位移最值分别出现在x=1 600 m和x=2 300 m地表处。当矿体开挖高度达到360 m时，地表水平位移最值分别为220 mm和25 mm。

4 结语

多次重复开采下，覆岩塑性区呈非对称发育规律，塑性区主要集中在模型左侧覆岩及模型右侧矿体上方覆岩；地表位水平和垂直位移也呈非对称发展规律，下部采区对应的地表垂直和水平位移曲线坡度小、范围广，而上部采区对应的地表位移曲线坡度大、范围小。当模型开挖高度达到360 m时，地表下沉量达到最大值﹣335 mm，水平变形最值分别为220 mm和25 m。

[参考文献]

[1]楊明，孟祥瑞，高召宁，等.采场覆岩移动矿压显现规律数值模拟[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，雷家好，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.