肖益蓋 楊新華 王 星

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

某鐵礦井下開采巖移對地表鐵路的影響分析*

肖益蓋1,2，3楊新華4王 星1,2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

鐵路緊鄰某鐵礦地表礦區(qū)東側(cè)穿過，距離礦區(qū)采礦權(quán)邊界約161 m。為論證地下開采巖移對地表鐵路的影響，建立了礦山開采三維數(shù)值分析力學(xué)模型和地表變形數(shù)值模型，根據(jù)淺孔留礦全面法和淺孔房柱采礦法的特點及礦山下行式和后退式的回采順序，采用有限差分程序，以自重應(yīng)力場為主，計算分析了礦山開采擾動下的采場與圍巖地壓活動規(guī)律、地表變形規(guī)律及對地表鐵路的影響。由地表鐵路所在處的傾斜值、曲率值和水平變形值，驗證了井下開采巖移對地表鐵路的影響符合設(shè)計規(guī)范要求，為礦山安全開采提供了依據(jù)。

井下開采 三維數(shù)值模擬 巖移 主應(yīng)力 地表變形值

某鐵礦位于松山群楊家橋組下段頂部，上部為綠泥磁鐵石英巖，中部為磁鐵石英巖，下部為磁鐵鏡鐵石英巖。礦體直接頂板為含磁鐵綠泥千枚巖，底板為磁鐵絹云千枚巖。礦層產(chǎn)狀與總體構(gòu)造一致，總體走向北北西～南南東，并自北北西向南南東方向傾伏， 傾角 20° ～ 35°，總體約 25° 。礦體厚度1.5～6 m， 平均 3.5 m。設(shè)計地下開采，采用淺孔全面留礦法和淺孔房柱法。設(shè)計中段高度為20 m，分80，60，40，20，0，-20，-40，-60，-80 m 等9個中段，礦房長度50 m，寬度為礦體厚度。

礦區(qū)位于分宜縣原松山鎮(zhèn)以北3 km處，分宜～文竹鐵路緊鄰礦區(qū)東側(cè)穿過，距離礦區(qū)采礦權(quán)邊界約161 m。為論證井下開采地表巖移對鐵路的影響，建立了礦山開采三維數(shù)值分析力學(xué)模型，采用有限差分程序，以自重應(yīng)力場為主，分析計算了礦山開采擾動下的采場與圍巖地壓活動規(guī)律及地表變形規(guī)律。

1 三維數(shù)值模型的建立

根據(jù)礦體頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)及礦體性質(zhì)，在數(shù)值模擬過程中所用力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合礦山的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及擬用采礦法的特點，為完全模擬開采過程、頂板圍巖受采動影響的過程以及開采時對地表鐵路的影響，以該礦47～50勘探線為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沿礦體走向采礦作業(yè)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型長870 m，寬800 m，高335 m，分為254 734個單元，376 130 個節(jié)點，見圖1。

圖1 地下開采數(shù)值計算模型

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型邊界條件[1]

由于計算模型的尺寸已經(jīng)考慮了采場開挖后的影響范圍，故而只需于模型前后、左右及底面施加約束即可。將模型前后及左右方向均施加水平方向約束，底部施加垂直方向的約束，頂面為自由面。

2.2 數(shù)值模擬步驟

深部回采過程中采場穩(wěn)定性和地表動態(tài)響應(yīng)的影響因素很多，一般主要有礦巖賦存環(huán)境、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采方式、開采順序以及開采擾動等。數(shù)值計算按以下步驟進(jìn)行。

(1)根據(jù)自重應(yīng)力形成初始應(yīng)力場，使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)按照初步設(shè)計中的淺孔房柱法和淺孔留礦全面采礦法，在模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后構(gòu)建采場開采模型。礦體平均傾角25°，平均厚度3.5 m，采場沿走向布置，中段高度20 m，頂?shù)字穸?.0 m，采區(qū)間礦柱寬5.0 m，房間礦柱中心距15～25 m。

(3)按照淺孔房柱法和淺孔留礦全面采礦法進(jìn)行地下開采數(shù)值模擬。在前一步開采計算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行計算，并且逐步向上推進(jìn)，反映了前步開采對下一步開采的疊加效應(yīng)，同時記錄開采時的圍巖應(yīng)力和位移狀態(tài)。

2.3 地下開采數(shù)值模擬分析

根據(jù)淺孔留礦全面法和淺孔房柱采礦法的特點以及礦山下行式和后退式的回采順序，開展地下開采時的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化、位移對地表鐵路的影響分析。

2.3.1 三維數(shù)值模擬計算各中段應(yīng)力變化

根據(jù)三維數(shù)值模擬計算，開采第一中段時圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布見圖2,當(dāng)開采至第五中段時圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布見圖3,開采至最后第九中段時圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布見圖4。

圖2 第一中段回采后主應(yīng)力

圖3 第五中段回采后主應(yīng)力

圖4 第九中段回采后主應(yīng)力

通過地下開采數(shù)值模擬計算，得到了礦體回采過程中的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)。采礦活動明顯擾動了原巖應(yīng)力分布。在后退式回采過程中，次生應(yīng)力呈現(xiàn)動態(tài)變化，并向中央聚攏，在礦房兩邊呈現(xiàn)似層狀分布，在采區(qū)間的礦柱和頂?shù)字慕换c出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大主應(yīng)力從開始回采時的9.71 MPa增大到回采結(jié)束后的25.80 MPa。

2.3.2 三維數(shù)值模擬計算各中段回采后位移變化

根據(jù)三維數(shù)值模擬計算，第一中段回采結(jié)束至最后一個中段第九中段回采結(jié)束后，位移變化分布見圖5。

圖5 各中段回采后位移云圖

通過采數(shù)值模擬計算，采場最大位移從第一中段的3.88 mm增大到第九中段的17.53 mm，但在回采計算結(jié)束后均趨于定值。另外，根據(jù)塑性區(qū)云圖顯示，當(dāng)進(jìn)行至第四中段(+20 m中段)回采時，在采場上盤出現(xiàn)了局部拉伸塑性屈服區(qū)域，在計算結(jié)束后并沒有退出屈服狀態(tài)，但未見塑性區(qū)貫通。

2.4 地表變形參數(shù)

在開采范圍的地表上進(jìn)行了25組數(shù)據(jù)監(jiān)測，其中8#點為分宜—文竹鐵路所在處，距離礦體開采范圍161 m。

通過地下開采數(shù)值模擬位移計算，當(dāng)進(jìn)行至-60 m 中段礦體回采結(jié)束后，得到了礦體回采過程中的地表變形參數(shù)。不同回采階段地表監(jiān)測點的下沉值變化及水平位移值變化見圖6。

根據(jù)圖6可知，不同回采階段所引起的地表變形值各不相同，第一個中段回采時所引起的地表變形值最小，后續(xù)回采步驟疊加了前面回采的變形值，所以當(dāng)下行式回采至最后中段時，地表變形值達(dá)到最大值，最大的地表下沉值為6.07 mm，最大地表水平移動值為1.33 mm。

圖6 不同回采階段地表監(jiān)測點位移值

分別計算監(jiān)測點的傾斜值、曲率值和水平變形值[2]，以確定對于緩傾斜礦體開采引起的地表鐵路附近的地表變形。

傾斜：

(1)

曲率：

(2)

水平變形：

(3)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算，得到地表鐵路所在處(8#監(jiān)測點)的傾斜值、曲率值和水平變形值，見圖7。

圖7 不同回采階段鐵路附近地表監(jiān)測點(8#點)的變形值

根據(jù)鐵路附近8#監(jiān)測點的數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)進(jìn)行地下第二中段回采作業(yè)時，鐵路附近地表便會產(chǎn)生變形，并且隨著回采步驟的進(jìn)行而逐漸增大，當(dāng)回采至最后-60 m中段時，鐵路附近地表的變形值趨于一定值，即傾斜為-0.012 3 mm/m，曲率為-0.023 8×10-3m，水平變形為-0.004 mm/m，地表變形值均小于設(shè)計規(guī)范規(guī)定的允許值[3](傾斜：i=±3 mm/m；曲率：K=±0.2×10-3m；水平變形：ε=±2 mm/m)。

3 結(jié) 論

通過對某礦淺孔房柱法和淺孔全面留礦采礦法回采進(jìn)行的數(shù)值模擬，著重對礦體回采時對地表分宜—文竹鐵路的影響分析，得出了以下結(jié)論：

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用初步設(shè)計中的淺孔房柱法和淺孔留礦全面采礦法時，分宜—文竹鐵路附近地表變形參數(shù)為：傾斜-0.012 3 mm/m，曲率-0.023 8×10-3m，水平變形-0.004 mm/m，均小于設(shè)計規(guī)范允許值，由此可見井下開采巖移對地表鐵路的影響在允許范圍以內(nèi)。

(2)根據(jù)礦山資料，礦權(quán)范圍內(nèi)的礦體主要集中在-60 m水平以上，本次數(shù)值模擬依據(jù)勘探線剖面圖進(jìn)行了-60 m中段以上礦體的回采分析，隨著開采深度的增加和采礦作業(yè)范圍的擴大，對地表的影響將加劇，礦山應(yīng)加強地表鐵路附近的位移監(jiān)測。

(3)在鐵路兩側(cè)從事采礦、采石或者爆破作業(yè)，應(yīng)當(dāng)遵守有關(guān)采礦和民用爆破的法律法規(guī)，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵路安全保護(hù)要求。

(4)通過三維數(shù)值模擬計算，對礦山的安全開采具有一定的指導(dǎo)作用，礦山在生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制采場參數(shù)及開采邊界。

[1] 楊家冕.數(shù)值模擬在分層充填法采場參數(shù)選擇中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(3):6-8,89.

[2] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[3] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50771—2012 有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

Analysis of the Influence of Underground Mining Strata Movement in a Iron Mine to the Railway on the Surface

Xiao Yigai1,2,3Yang Xinhua4Wang Xing1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3. Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.; 4. Wuyang Mining Co.,Ltd.,Anyang Iron and Steel Group)

The surface railway of a iron mine is adjacent to the eastern part of the mining area, the distance of the surface railway to the mining boundary of the mining area about 161 m. In order to analyze the influence of the underground mining strata to surface railway, the three-dimensional mining numerical analysis mechanics model is established. According to the characteristics of the shallow hole shrinkage stoping method in an all-round way and shalow hole room-and-pillar mining method and the retreating mining sequence, the finite difference program that give priority to the gravity stress field to analyze the influence of the laws of ground pressure activities of stope and surround rock and surface deformation under the mining disturbance to the surface railway. Besides that, the values of tile, curvature and horizontal deformation of the area where the surface railway is located are also calculated. The research result show that the influence of underground mining strata movement to the surface railway is comply with the design specification requirements, therefore,it can provide some reference for mine safety production.

Underground mining, Three-dimensional numerical simulation, Influence of strata movement, Principle stress, Surface deformation value

2015-05-10)

*十二五國家科技支撐計劃(編號：2011BAB07B02)。

肖益蓋(1984—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。