急倾斜矿体持续开采对空区上覆岩层的影响

急倾斜矿体持续开采对空区上覆岩层的影响

陶峰

TheEffectofContinuousExcavationofMined-outAreaOverlyingStrataofInclinedOrebody

陶峰TAOFeng曰陈俊智CHENJun-zhi（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）（FacultyofLandResourceEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，China）

摘要院开采扰动下采空区上覆岩层将产生位移和应力的重新分布。为研究云南某急倾斜铁矿在持续开采下空区上覆岩层移动和破坏情况，根据实验室试验得到的矿山岩体力学参数，建立了矿山有限元模型。对矿体的开采进行了模拟，得到该矿体逐层开挖后上覆岩层最大主应力和地表下沉值的分布图，综合分析急倾斜矿体持续开挖对采空区上覆岩层产生的影响。

Abstract:Miningdisturbancewillcausetheredistributionofdisplacementandstressofdepressingzonesoverlyingagoaf.InordertostudythemininggoafoverlyingstratamovementandfailureduringthecontinuousminingofainclinedorebodyofYunnan,thefiniteelementmodeloftheironminewerecreatedaccordingtotheminingrockmechanicsparametersobtainedfromthetestlaboratory.Thedistributionofmaximumprincipalstressoverlyingstrataandsurfacesubsidencewereobtainedafterlayerbylayerexcavationoftheorebody.Thencomprehensiveanalysisofthecontinuousexcavationeffectofoverlyingstrataofmined-outarea.

关键词院急倾斜矿体；有限元；采空区；上覆岩层

Keywords:inclinedorebody；finiteelement；mined-outarea；overlyingstrata

中图分类号院TD311文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）02-0292-020

引言采空区是矿山开采活动中最典型的地质灾害源之一，随着矿体的开挖，矿山采空区的数量和规模都在不断的增大，而这将诱发众多的矿山地质灾害和生态环境问题，例如地面的开裂、沉陷、滑坡、地下水位下降、采空区突水等等。近些年来，随着我国矿产资源开发强度的不断增大，以及开采难度的增加，由于空区上覆岩层失稳造成的矿山灾害日益增多，也越来越引发人们的关注。

对采空区覆岩移动和破坏规律的研究主要有：现场实测监控法、理论分析法、相似材料模拟法和数值模拟法。

3D-滓数值模拟软件，是基于最小总势能变分原理，能方便的处理各种线性问题，模拟各种岩土工程中复杂的施工过程。而且它具有强大的前处理和后处理能力，快速建模及分析结果的可视化使其具有相当广泛的使用基础。

1工程概况该矿山以原生菱铁矿为主，矿体埋藏标高在1270m耀1690m，顶底板均为条带状含铁质灰岩。矿山目前1580耀1690的矿体以基本开采完毕，根据前期采空区的调查，目前采空区的暴露面积已经达到了16.2万平方米，暴露空间大约142万立方米。由于采空区暴露面积巨大，造成的上覆岩层破坏和地表沉陷严重影响了深部矿体的开采，因此应注意在继续开采中对采空区上覆岩层造成的影响和扰动。

2数值模拟2.1力学参数通过前期的矿山节理裂隙调查、室内试验室试验并经过相应的参数折减，得到建立模型所需要的力学参数如表1。

2.2建立模型在岩体破坏分析中，采用莫尔—库仑塑性破坏准则。此破坏准则是所有可能屈服面的内极限面，在工程上采用此屈服准则是偏于安全的。计算域边界采取位移约束，地应力根据弹性力学计算公式姿=滋（/1-滋）作为为基本计算方案。

根据矿山实际形态及断面图，建立三维模型，模型长伊宽伊高为：1200m伊2650m伊550m。模型共计274857个节点，64672个20节点三维等参元单元。单元网格划分图见图1。

2.3已采区域模拟2.3.1原始模型计算结果该模拟过程不进行任何的开挖过程，只给所构建的模型施加自重应力和构造应力，在整个模型中形成应力场（如图2），为后续的开挖奠定基础。最大主应力从模型的顶部向下依次增大，最大主应力线呈水平状态，但在矿体所在位置，由于矿岩参数不同，在该处发生一定的应力集中现象，最大主应力为-6.0206MPa，地表无明显沉陷。

2.3.2回采1580中段时采空区稳定性分析结合矿山开采的实际情况，此步骤是将矿体开挖至与目前阶段相一致的1580中段。从模拟结果来看，矿体开挖至1580中段后，受采动影响，空区覆岩发生了应力和位移的重新分布。其中最大主应力值增至19.032MPa，地表沉陷最大增加至1.180m，处于相对稳定安全的状态。这与矿山现场的情况比较吻合，为后续的开采模拟奠定了基础。

2.41556-1580分段崩落法开采模拟淤1568-1580分段开采：此分段开采完毕后，上覆岩层受开采影响明显，北部矿体上覆岩层最大主应力增至35.936MPa，地面沉陷增加到3.253m；南部分别为21.754MPa和2.891m。

于1556-1568分段开采：该分段模拟开采之后，岩层进一步破坏，地表下沉值也相应增加，其最大值分别达到了44.409MPa和5.444m。

以下列出矿体开挖过程中-2#、3#和15#勘探线附近最大主应力和最大处置位移的变化情况。见图3-图5。

3结论根据矿山的节理裂隙调查、室内力学试验以及相应的参数折减确定了矿山的基本力学参数。利用有限元模拟软件，并参照矿体的断面图和相应地形图建立了矿山3D模型。根据矿山的实际开采情况和生产计划，分别对1580中段、1568-1580分段和1556-1568分段进行了开采模拟，得到其相应的上覆岩层的最大主应力以及地表下沉变化情况。在采空区下对急倾斜矿体进行逐步开采，会导致上覆岩层的持续破坏和地表下沉值的不断增大，因此需要在采空区预留足够强度和数量的顶间柱，并采取合适的开采计划，以保证矿山的安全回采。

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作者简介院陶峰（1988-），男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为采矿工程（岩石力学方向）。