夏永閣

（承德市五洲地質(zhì)測(cè)繪有限公司 河北·承德 067000）

摘 要 本文針對(duì)灤平老達(dá)子溝采區(qū)的開(kāi)采現(xiàn)狀及地表情況，采空區(qū)采用的尾砂膠結(jié)充填后，對(duì)新井位及地表構(gòu)筑物進(jìn)行了安全穩(wěn)定性分析，從而論證了采空區(qū)通過(guò)尾砂膠結(jié)充填后，不會(huì)對(duì)地表及新井位產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞 尾砂膠結(jié)充填 模擬 穩(wěn)定性 開(kāi)采 采空區(qū)

中圖分類號(hào)：TD21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

灤平老達(dá)子溝采區(qū)地表采動(dòng)移動(dòng)范圍內(nèi)有選廠、礦山辦公室、礦山工人宿舍、公房、綠化設(shè)施及新井位等。為了保護(hù)地表建筑及新施工井位設(shè)施的安全，礦山采用尾砂膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采。通過(guò)全尾砂試塊的強(qiáng)度試驗(yàn)后，礦山充填采用1：8的水泥尾砂的膠結(jié)配比，濃度為65%。通過(guò)大型有限元模擬軟件對(duì)礦體開(kāi)采充填過(guò)程進(jìn)行三維仿真模擬計(jì)算，以分析礦山充填后地表的各變形參數(shù)以及對(duì)地表建筑設(shè)施穩(wěn)定性的影響程度。

另外礦山豎井后期建設(shè)在尾砂膠結(jié)充填空區(qū)的基礎(chǔ)上，預(yù)留了足夠的豎井井筒保護(hù)礦柱，保證了豎井井筒的安全的。

1計(jì)算模型參數(shù)選取

采用大型有限元模擬軟件建立礦區(qū)的三維實(shí)體模型，模型長(zhǎng)650 m，寬350 m，高310 m，共158522個(gè)單元。礦區(qū)三維實(shí)體計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)詳查報(bào)告及礦山提供的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，選定了建立模型的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

模擬步驟分為3步，首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力計(jì)算，其次為礦體開(kāi)采，然后再進(jìn)行充填。

2礦體采動(dòng)對(duì)地表建筑穩(wěn)定性分析

地下采礦對(duì)地表的影響主要有垂直方向和水平方向的移動(dòng)和變形，包括下沉、傾斜、曲率。不同性質(zhì)的地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑物的影響是不同的。地表產(chǎn)生的移動(dòng)和變形破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，同時(shí)力學(xué)平衡重新建立，使建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。地表移動(dòng)和變形主要分為6種：地表下沉、地表傾斜、地表曲率、地表水平變形、剪切變形、扭曲變形。

運(yùn)用地表移動(dòng)范圍確定準(zhǔn)則，確定礦體開(kāi)采地表移動(dòng)范圍來(lái)分析其穩(wěn)定性。

2.1地表移動(dòng)范圍確定準(zhǔn)則

按照移動(dòng)角來(lái)確定巖層的移動(dòng)范圍，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，具體的確定指標(biāo)如下：

（1）地表傾斜（i），為地表下沉盆地沿某一方向的坡度值，其平均值以兩點(diǎn)間的下沉差△W除以兩點(diǎn)間的水平距離L0AB，即

式中iAB為地表傾斜，mm/m；WA為地表移動(dòng)A點(diǎn)全向量的垂直分量；WB為地表移動(dòng)曰點(diǎn)全向量的垂直分量；L0AB為地表移動(dòng)點(diǎn)A、B之間的距離，m。

（2）地表曲率（K），為下沉盆地剖面線的彎曲度，其平均值以相鄰兩線段傾斜差△i除以兩線段地表水平長(zhǎng)度的平均值，即

式中，KB為地表曲率；iBC為B、C兩點(diǎn)的地表傾斜，mm/m；iAB為A、B兩點(diǎn)地表傾斜，mm/m；L0AB為A、B兩點(diǎn)之間的距離，m。

（3）地表水平變形（ ），為移動(dòng)盆地內(nèi)一線段兩端點(diǎn)的水平移動(dòng)差與此線段長(zhǎng)度之比，其平均值為

式中，uE為地表移動(dòng)E點(diǎn)全向量的水平分量；uF為地表移動(dòng)F點(diǎn)全向量的水平分量；L0AB為E、F兩點(diǎn)之間的距離，m。

在3個(gè)指標(biāo)中，對(duì)于礦體上下盤來(lái)說(shuō)，i、K、s三者任意指標(biāo)在一點(diǎn)達(dá)到其臨界值，則為地表破壞點(diǎn)。其與開(kāi)采礦體水平的最外側(cè)連線（該連線以不穿過(guò)采空區(qū)為原則）的夾角，則為移動(dòng)角。

2.2地表移動(dòng)范圍分析

礦體開(kāi)采充填后，地表位移模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

根據(jù)模擬結(jié)果可知：x方向位移范圍在19 -23 mm，y方向位移范圍在22 - 28 mm，垂直方向位移范圍在36 - 79 mm。位移值處于低變形范圍，垂直方向大于水平方向，因此選取傾斜率作為移動(dòng)范圍分析的依據(jù)。

根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)：礦床開(kāi)采卷下》對(duì)建筑物保護(hù)等級(jí)及允許變形值的規(guī)定，通過(guò)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采地表建筑物調(diào)查，屬Ⅳ級(jí)保護(hù)，但考慮到計(jì)算時(shí)對(duì)圍巖和實(shí)際條件進(jìn)行了理想化，其破壞準(zhǔn)則選取傾斜率為5‰。為了便于分析，對(duì)地表進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，見(jiàn)圖3。

各測(cè)點(diǎn)提取模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

沉降曲線見(jiàn)圖4

根據(jù)表2地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移值和式（1）計(jì)算得出礦體開(kāi)采地表傾斜率表，見(jiàn)表3、表4：

通過(guò)分析得出了地表傾斜率變化曲線，見(jiàn)圖5。

根據(jù)表3、表4和圖5可知，充填法開(kāi)采后地表變形傾斜率均小于3‰，但考慮到計(jì)算時(shí)對(duì)圍巖和實(shí)際條件進(jìn)行了理想化，對(duì)其地表變形傾斜率大于0. 5‰的區(qū)域定義為位移敏感區(qū)域，其范圍見(jiàn)圖6。

地下工程因其具有復(fù)雜性和隱蔽性特點(diǎn)，在實(shí)施過(guò)程中難免有不可控因素，為此需在礦體回采過(guò)程建立地表沉降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)報(bào)地表變形情況，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的加固保護(hù)措施。

2.3礦山實(shí)測(cè)地表變形數(shù)據(jù)處理

礦山根據(jù)要求建立了地表沉降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)地表位移進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)觀測(cè)精度要求，在地表位移敏感區(qū)域的邊緣按每40-50 m設(shè)置一個(gè)安全觀測(cè)樁，在敏感區(qū)域中心按50～60 m設(shè)置一個(gè)安全觀測(cè)樁，樁上設(shè)有標(biāo)尺、反射棱鏡與防雨防曬設(shè)施，在敏感區(qū)域范圍外的安全區(qū)域設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，利用高精度全站儀來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)并記錄，再輸入至監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行處理分析，并對(duì)沉降趨勢(shì)做預(yù)測(cè)和報(bào)警。礦山地表沉降敏感區(qū)域觀測(cè)樁分布見(jiàn)圖7。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的地表監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，礦山敏感監(jiān)測(cè)區(qū)地表下沉為62mm，傾斜為0.8 mm/m，水平位移為22 mm，水平變形為0.5mm/m，其地表變形的主要技術(shù)指標(biāo)小于建筑物I級(jí)變形的要求，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本一致。

3結(jié)論

采用大型有限元模擬軟件對(duì)礦山開(kāi)采充填過(guò)程進(jìn)行三維仿真模擬計(jì)算，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，其地表變形的主要技術(shù)指標(biāo)小于建筑物I級(jí)變形的要求，證明采用尾砂膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采后造成的地表位移對(duì)地面建筑設(shè)施和新豎井井位影響不大，可以保證其穩(wěn)定性。

原地表的監(jiān)測(cè)站及監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)施要長(zhǎng)期保留，并長(zhǎng)期記錄地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便能及時(shí)掌握地表動(dòng)態(tài)，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)上報(bào)并制定相應(yīng)的解決方案。

礦山按照設(shè)計(jì)將上部所有空區(qū)利用尾礦膠結(jié)充填法充實(shí)，后期開(kāi)采采區(qū)中段上向開(kāi)采嗣后膠結(jié)充填空區(qū)，即先開(kāi)采最下面一個(gè)中段，采完即充，充填完畢后不會(huì)對(duì)上部構(gòu)筑物和新豎井井位造成影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡嗣經(jīng).礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

[2] 劉志祥，李夕兵，深部開(kāi)采尾砂膠結(jié)充填體變形的混沌研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2005，22（3）：94-97.

[3] 劉同友等，充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[4] 孫恒虎，黃玉誠(chéng)，楊寶貴，當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)，[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[5] 彭康，李夕兵，海下點(diǎn)柱式開(kāi)采的有限元?jiǎng)討B(tài)模擬分析[J].金屬礦山，2009（ 10）：59-65.

[6] 蔡嗣經(jīng)，礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.