吳榮高　王　星　孫國(guó)權(quán)　劉海林

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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梅山鐵礦塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)值模擬分析

吳榮高1王星2,3,4孫國(guó)權(quán)2,3,4劉海林2,3,4

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

摘要為了解梅山鐵礦井下開(kāi)采過(guò)程中覆巖的沉降和塌陷規(guī)律，預(yù)測(cè)礦區(qū)塌陷范圍及分析移動(dòng)區(qū)和塌陷區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)掌握礦區(qū)地表變化情況，采用礦區(qū)環(huán)境三維數(shù)字化和開(kāi)采數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)礦區(qū)環(huán)境和地表塌陷范圍進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，南部塌陷區(qū)域經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的疊合之后在現(xiàn)階段的塌陷范圍變化不大，而北部地表的塌陷范圍會(huì)隨著下部礦體的回采逐漸增大，處于不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為礦區(qū)地表的安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞塌陷區(qū)三維數(shù)字化數(shù)值模擬穩(wěn)定性

梅山鐵礦一直采用無(wú)底柱分段崩落采礦法，經(jīng)過(guò)幾十年不同強(qiáng)度的開(kāi)采，在地表產(chǎn)生了不同時(shí)期和不同規(guī)模的塌陷區(qū)和移動(dòng)區(qū)[1]，并且隨著二期工程和二期延伸工程的進(jìn)行，開(kāi)采面積逐漸增大，與之相對(duì)應(yīng)的地表也會(huì)進(jìn)一步沉降和塌陷。為充分了解礦山開(kāi)采過(guò)程中地表的塌陷變形規(guī)律及穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)礦山采礦方法的特點(diǎn)，按照礦山開(kāi)采順序，采用三維數(shù)字化和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析礦區(qū)塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)，為礦山安全高效生產(chǎn)提供保障。

1工程概況

梅山鐵礦位于寧蕪中生代陸相火山巖斷陷盆地的北段，礦體賦存于輝石安山巖與閃長(zhǎng)玢巖的接觸破碎帶及其附近，為一大型透鏡狀盲礦體，礦體頂板最高標(biāo)高為-34 m，礦體底板最低標(biāo)高為-524 m，其平面投影呈似橢圓形[2]，面積為0.8 km2，走向長(zhǎng)1 370 m，寬824 m，平均厚134 m，屬于緩傾斜極厚礦體。礦石主要成份為磁鐵礦、赤鐵礦，礦體穩(wěn)固性較好，圍巖易冒落。礦體賦存狀態(tài)表現(xiàn)為西南部埋藏較淺，西北部埋藏較深，富礦埋藏深度主要在-50～-350 m，貧礦主要在礦體邊部，富礦與貧礦為連續(xù)過(guò)渡關(guān)系，呈互層狀產(chǎn)出。礦區(qū)富礦TFe含量最高可達(dá)66.06%，平均品位為49.24%，貧礦TFe平均品位為32.93%，全礦區(qū)TFe平均品位為39.14%。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到礦山主要礦巖力學(xué)參數(shù)值，綜合礦山工程地質(zhì)特征，經(jīng)強(qiáng)度折減后的礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)

2礦區(qū)環(huán)境三維可視化

礦山塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境的三維數(shù)字化，借助計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算。礦區(qū)環(huán)境三維數(shù)字化和可視化主要是借助礦業(yè)軟件對(duì)礦床環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化重現(xiàn)及認(rèn)識(shí)，即依據(jù)礦山真實(shí)地理坐標(biāo)，建立數(shù)字化和三維顯示的虛擬礦床[3]。

2.1礦體數(shù)字化及三維可視化處理

根據(jù)已有梅山鐵礦礦床勘探線剖面圖，采用3DMine對(duì)剖面標(biāo)高和平面坐標(biāo)與所處三維位置進(jìn)行空間疊合處理，并根據(jù)勘探線平面布置圖進(jìn)行各剖面的相鄰位置順序堆排。為模擬計(jì)算便捷和圖形顯示清晰，根據(jù)1∶100比例進(jìn)行處理，圖中只列出部分勘探線處理結(jié)果，見(jiàn)圖1。

根據(jù)各勘探線剖面的礦體信息，構(gòu)建各剖面之間的實(shí)體，形成礦體三維實(shí)體模型，見(jiàn)圖2。

對(duì)所形成的礦體三維實(shí)體模型進(jìn)行塊體化處理，形成內(nèi)部被填充的塊體模型，并根據(jù)礦體范圍劃分塊度，見(jiàn)圖3。

2.2礦區(qū)地表數(shù)字化和三維可視化處理

根據(jù)礦區(qū)地形地質(zhì)圖，結(jié)合標(biāo)高信息，采用3DMine礦業(yè)軟件將礦區(qū)地表進(jìn)行三維化處理。將地形圖導(dǎo)入3DMine，根據(jù)等高線標(biāo)高信息進(jìn)行各等高線的Z信息賦值，形成三維化的礦區(qū)等高線圖，見(jiàn)圖4。

圖1　勘探線礦體邊界

圖2　礦體三維實(shí)體模型

圖3　礦體塊體模型

圖4　礦區(qū)地形圖三維化處理

在礦區(qū)等高線條三維化的基礎(chǔ)上，采用三角網(wǎng)連接，形成礦區(qū)三維化的地表，并采用勘探線剖面圖的地表信息進(jìn)行塌陷范圍內(nèi)的地表三維化還原，見(jiàn)圖5。

圖5　礦區(qū)地表三維化

根據(jù)得到的礦體和地表三維化立體圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合的三維塊體化構(gòu)建，并通過(guò)添加約束進(jìn)行三維化地表處理。塊體化后的三維立體圖見(jiàn)圖6。

圖6　礦區(qū)環(huán)境三維塊體化立體圖

3塌陷區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)值模擬分析

3.1模擬步驟

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

(2)本次研究對(duì)象主要為梅山鐵礦未開(kāi)采狀態(tài)至二期延伸工程所開(kāi)采的所有采場(chǎng)，依據(jù)無(wú)底柱分段崩落法的特點(diǎn)進(jìn)行采場(chǎng)開(kāi)采模型的構(gòu)建。

(3) 模擬采用無(wú)底柱分段崩落采礦法進(jìn)行礦體回采后的覆巖運(yùn)動(dòng)及地表塌陷變形狀態(tài)，按照從上到下的順序進(jìn)行回采模擬，每一步的回采計(jì)算都是在上一步回采計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，從而客觀地反映了前步開(kāi)采對(duì)下一步開(kāi)采的疊加效應(yīng)，同時(shí)記錄開(kāi)采時(shí)的圍巖應(yīng)力和位移狀態(tài)。

3.2數(shù)值模擬過(guò)程

根據(jù)梅山鐵礦所采用的無(wú)底柱分段崩落采礦法進(jìn)行井下礦體回采的數(shù)值模擬，分析研究上覆巖層移動(dòng)破壞規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行塌陷坑未堆存固化尾礦時(shí)的穩(wěn)定性分析和分區(qū)研究。在模擬過(guò)程中，按照礦山開(kāi)采實(shí)際，-68～-88 m分段高度為10 m，-88～-112 m分段高度為12 m，-112～-138 m分段高度為13 m，-138～-198 m分段高度為12 m，-198～-318 m分段高度為15 m，-318～-330 m 分段高度為12 m，-330～-420 m分段高度為18 m。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了各分段回采過(guò)程中圍巖的最大主應(yīng)力云圖、最小主應(yīng)力云圖、位移云圖，見(jiàn)圖7～圖12。

3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知，井下采用無(wú)底柱分段崩落法回采礦體過(guò)程中，覆巖應(yīng)力、位移及崩落情況變化隨著分層礦體的回采步驟疊加而逐步疊合。

從進(jìn)行-100 m礦體開(kāi)采時(shí)起，圍巖崩落發(fā)展至地表范圍，形成崩落漏斗，隨著回采步驟的進(jìn)行，至-186 m分層礦體回采時(shí)，地表塌陷范圍擴(kuò)大速度仍較小。在進(jìn)行-186 m以上礦體回采時(shí)，初始崩落之后對(duì)原巖應(yīng)力影響較大，次生應(yīng)力場(chǎng)在圍巖崩落過(guò)程中逐漸形成。但盡管圍巖中應(yīng)力重新分布，且地表產(chǎn)生位移，但由于分層礦體較少，分布范圍較小，地表崩落塑性區(qū)范圍也比較小，并且在幾個(gè)分層回采疊加過(guò)程中相對(duì)變化較小，至-186 m分層礦體回采完時(shí)，地表塌陷深度為12.14 m，塑性區(qū)體積為2.02×106m3。

圖7　-198 m開(kāi)采主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8　-198 m開(kāi)采后位移云圖(單位：m)

圖9-258 m開(kāi)采主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖10　-258 m開(kāi)采后位移云圖(單位：m)

圖11　-420 m開(kāi)采主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12　-420 m開(kāi)采后位移云圖(單位：m)

進(jìn)行-198 m分層以下礦體回采時(shí)，從各應(yīng)力云圖(圖7、圖9和圖11)可以得到，分層回采造成上覆巖層的階段性下沉和塌陷，次生應(yīng)力在上覆塌陷巖層中得以釋放，并漸至地表，最大主應(yīng)力在礦體上下盤圍巖中表現(xiàn)出差異性，基本規(guī)律為下盤應(yīng)力集中程度較大，但在最后-420 m分層礦體回采和覆巖崩落后，最大主應(yīng)力在覆巖兩側(cè)基本呈對(duì)稱分布。最小主應(yīng)力在礦體頂板表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最終在覆巖崩落過(guò)程中得以釋放，在地表崩落塌陷區(qū)域?yàn)樽钚≈?。另外，由于礦體厚大，礦體埋深淺，采深與采厚比較小，在圍巖崩落之后，地表明顯見(jiàn)剪切屈服區(qū)域和拉伸屈服區(qū)域，地表崩落狀態(tài)明顯，并且隨著回采步驟的進(jìn)行，地表的崩落范圍也隨之?dāng)U大。至-420 m 分層礦體回采結(jié)束時(shí)，地表塌陷深度為154.22 m，塑性區(qū)體積為4.45×108m3。

根據(jù)圖8、圖10和圖12等代表性階段圖以及綜合整個(gè)模擬過(guò)程可以看出，數(shù)值模擬過(guò)程中覆巖崩落破壞和上覆巖層的位移相互對(duì)應(yīng)，403勘探線以南的地表在開(kāi)采初期便出現(xiàn)塑性區(qū)，位移增大至7.42 m，此時(shí)地表已出現(xiàn)塌陷坑，并且在進(jìn)行-100～-186 m分層礦體回采過(guò)程中，地表位移和塌陷范圍逐漸增大，但南部地表塑性區(qū)范圍大小在-186 m 以上全部礦體回采結(jié)束后基本保持不變，只是塌陷坑內(nèi)西側(cè)部分的位移在后續(xù)回采過(guò)程中會(huì)有所增大。因此，403勘探線以南地表塌陷范圍發(fā)展已基本趨于穩(wěn)定，只有塌陷坑內(nèi)部還會(huì)有沉降。

403～402勘探線的地表塌陷區(qū)域在逐步回采過(guò)程中逐漸變化，并且在進(jìn)行-198 m分層礦體回采時(shí)變化最大，呈現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)在中部地表位移增大，東西部?jī)蛇吋羟泻屠苄詤^(qū)變大，在后續(xù)分層回采過(guò)程中，西面塑性區(qū)范圍和地表位移逐漸變大，塑性區(qū)體積逐漸變大。

402勘探線以北的地表塌陷區(qū)域在前期回采過(guò)程中幾無(wú)變化，在進(jìn)行-112 m分層礦體回采時(shí)，北部地表塑性區(qū)和位移突然增大，地表出現(xiàn)塌陷，在后續(xù)分層礦體回采過(guò)程中逐漸增大，直至-366 m分層礦體回采后，地表塑性區(qū)范圍大小基本保持不變，但地表位移仍逐漸增大，直至-420 m分層礦體回采結(jié)束。

地表變化區(qū)域與勘探線位置對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖13。

圖13　勘探線與地表變形對(duì)應(yīng)圖

4結(jié)論

根據(jù)礦區(qū)環(huán)境和礦山開(kāi)采特點(diǎn)，采用三維數(shù)字化和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了穩(wěn)定狀態(tài)分析，礦區(qū)塌陷范圍在403線、402線附近位置呈現(xiàn)差異特性，將地表分為3個(gè)基本區(qū)域，在后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中，403線以南部分只有塌陷坑內(nèi)部的沉降，403～402線區(qū)域的地表西面塌陷范圍會(huì)增大，402線以北區(qū)域的地表塌陷沉降活動(dòng)最明顯，會(huì)持續(xù)增大至最終塌陷邊界。在礦山生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)地表不同的變化特性進(jìn)行地表安全管理，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]盧志剛.復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境下礦體開(kāi)采引起的地表沉陷規(guī)律研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2013.

[2]陳勇.梅山鐵礦上覆巖體塌陷與錯(cuò)動(dòng)機(jī)理研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2004.

[3]李國(guó)清,胡乃聯(lián),陳道貴，等.金屬礦山地質(zhì)資源數(shù)字化建設(shè)框架研究[J].金屬礦山,2010(4):118-122.

(收稿日期2016-02-18)

吳榮高(1964—) ，男，高級(jí)工程師， 210041 江蘇省南京市西善橋。