黑色矿山充填采矿法对地表影响的模拟研究.pdf

黑色矿山充填采矿法对地表影响 的模拟研究 孙丽军,许梦国,王 平,张 滔,李爱民,崔 波,张士平 武汉科技大学,湖北 武汉430081 摘 要通过模型实验来模拟程潮矿区47 剖面,采用充填法和崩落法时对矿区地表变形的影响进 行了分析,并且使用2D - Sigma软件进行数值模拟验证。实验分析和数值模拟都取得了较好的结果。 关键词模型实验;充填法;数值模拟;地表沉陷 中图分类号TD325 文献标识码A 文章编号1008 - 4495200506 - 0021 - 03 收稿日期2005 - 05 - 17修回日期2005 - 08 - 11 作者简介孙丽军1980 - ,男,山西阳泉人,武汉科技大 学化工与资源环境学院硕士,助教,主要从事采矿方法,岩土 工程的教学与科研工作。 多年来崩落采矿法一直是地下铁矿的主要采矿 方法,占地下铁矿开采产量的90 以上。但采用崩 落法的矿山,会在地表形成大的崩落区,引起地面大 的下陷。这样不仅影响矿山的正常生产,而且会造 成房屋塌陷。 近年来,采用崩落法的矿山,有些已经延伸到了 居住区或者地表上建有大的厂矿区。为了保证地表 不塌陷,在开采过程中,就必须留有保安矿柱来支护 围岩。这样势必会影响矿山经济效益。充填采矿法 一直运用于开挖深度较浅的矿山,对于深部开挖采 用充填法以前很少运用于矿山。 所以,作者通过矿山模型实验,并结合运用有限 元分析软件2D - Sigma来论证两种采矿方法,并对 地表所产生的影响进行分析。 1 实验原理 [1] 为使模型上产生的物理现象与原型相似,就必 须使模型材料、 模型形状和荷载等遵循相似原理。 对于地质力学模型试验,除要求模型与原型的平衡 方程、 相容方程、 几何方程、 物理方程和边界条件须 完全一致外,还要求模型与原型的应变相同、 模型材 料与原型岩土体的强度准则和应力应变关系全过程 曲线相似。因此,在地质力学模型中,应模拟出岩体 中的断层破碎带、 软弱带及一些主要节理裂隙组,同 时,模型的几何尺寸、 边界条件及作用荷载、 模型材料 的容重、 强度及变形特性等方面均须满足相似原理。 根据相似原理,地质力学模型试验应满足下列 相似判据 [1] cσ cγcl 1 cμcεcfcφcεvcεccεt 1 cσcEcccσcRtcRccτ cδcl 式中cσ为应力相似常数,cl为几何相似常数,cγ为 容重相似常数,cμ为泊松比相似常数,cε为应变相似 常数,cf为摩擦系数相似常数,cφ为内摩擦角相似常 数,cεv为残余应变相似常数,cεc为单轴极限压应变 相似常数,cεt为单轴极限拉应变相似常数,cE为弹性 模量相似常数,cc为内聚力相似常数,cσ为边界应力 相似常数,cRt为抗拉强度相似常数,cRc为抗压强度相 似常数,cτ为抗剪强度相似常数,cδ为位移相似常数。 实际上,全部相似判据都满足的完全相似模型 是难以获得的,只能使模型满足主要的相似判据。 2 工程实例 2.1 工程地质简介 程潮铁矿矿区为低山丘陵地带,原始地形坡度 为25 ～30,相对高差70 m以上。东区工业场区整 体上位于上体南坡,而控制室以东从主井到水泥库 在地形上又构成了一个NNW - SSE走向的小山脊, 主井、 水泥库、 服务大楼等建筑物就坐落于山脊上, 而调度室、 下料系统及浴室等则位于山脊两侧山谷 中。工业场地建成之前曾进行过削高填低处理。现 有地形平坦,主井所在地标高为85 m。东主井场地 以南为崩塌区。 东主井系统建筑物地基为0～53 m的强风化斑 12 2005年12月 矿业安全与环保 第32卷第6期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 状花岗岩,含较多闪长玢岩和长石石英斑岩脉。节 理裂隙发育约12条Πm ,裂隙中充填粘土及绿泥石 等,非常松软,53～250 m深度内逐步从中风化过渡 到微风化及新鲜斑状花岗岩,岩层内小断层、 节理裂 隙及不同岩性岩脉较发育,多为北动向和北西向,且 为高陡倾角约60 ～80 , 岩性仍较破碎。在沟谷 地带斑状花岗岩之上,覆盖有厚度不等的第四系堆 土和坡积土及人工填土 [2] 。 2.2 实验模拟 模型实验最重要的是试验剖面的选取、 试验材 料的配比、 试验模型比和几何相似常数的合理选择。 选择试验剖面的主要依据① 地表已有重要建筑物; ② 地下矿体分布复杂、 厚度较大;③ 基本工程地质条 件和采矿条件具有代表性等。材料的配比是经过数 百次小模型的压力及各向应力来模拟地下岩石。实 验模型比和几何相似常数关系到试验精度、 模型的 工作量及经济指标等。最终选取程潮铁矿47号勘 探线剖面,实验模型比按1∶400 ,相似常数为1来模 拟程潮铁矿实验模型见图 1 。在该模型上端安置 5个百分表,记录当模拟充填法及崩落法采矿时,所 引起的地表的变形。 TM 大理岩;Cs 石膏;SK 矽卡岩;π γ 闪长岩;Fe 铁矿体。 图1 实验模型图 首先将矿体分为5个阶段 - 290～- 360 m水平, - 360～- 430 m水平, - 430～- 500 m水平, - 500～ - 570 m水平, - 570～- 640 m水平。然后在每个阶段 的矿体,按照实际情况分为均匀的几个矿房。 开挖及充填观测步骤在开挖前,先将各表的最 初读数记录下来。第1步,按47 剖面开挖第一阶 段的 Ⅰ、 Ⅱ 号矿房,并将开挖后表的读数记录下来; 第2步,充填第一阶段的 Ⅰ、 Ⅱ 号矿房,同时记录充 填后表的读数;第3步,开挖第二阶段的 Ⅰ 号矿房, 并记录表的读数;第4步,充填第二阶段的 Ⅰ号 矿房,记录表的读数后,同时开挖 Ⅱ号矿房;第5 步,记录表的读数,充填第二阶段的 Ⅱ 号矿房,同时 开挖第三阶段的 Ⅰ 号矿房;第6步,记录表的读数, 充填第三阶段的 Ⅰ 号矿房,同时开挖第三阶段的 Ⅱ 号矿房;第7步,记录表的读数,充填第三阶段的 Ⅱ 号矿房,同时开挖第四阶段的 Ⅰ 号矿房;第8步,记 录表的读数,充填第四阶段的 Ⅰ 号矿房,同时开挖第 四阶段的 Ⅱ 号矿房;第9步,记录表的读数,充填第 四阶段的 Ⅱ 号矿房;第10步,记录充填完后表的读 数;第11步,过数日,等矿体充填稳定后,再一次记 录表的读数,同时将充填物全部挖掉,来模拟崩落法 采矿,并将挖空后的表的读数记录;第12步,周期性 的记录表的读数,观测表的读数变化。最后将各表 读数随时间的变化绘制成曲线图,见图2。 图2 各个测点表头读数随时间的变化情况 22 2005年12月 矿业安全与环保 第32卷第6期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在此实验中,表头位置的选取也是很重要的。 由于地表构筑物的不同,以及不可能在实验中监测 地表的每个具体位置,所以在实验中,表头位置是选 取在地表变形可能会发生大的变化的位置,及地表 建有比较重要的建筑物。其中一个是程潮矿区的农 民居住集中处程潮大湾,即图1中的第3个表的位 置。另外一个是选矿厂位置,即图1中的第4个表 的位置。并在第4个表的旁边放置一小型电动机24 h运转,来模拟选矿厂每日所施加的动载荷。 参照表1 ,根据实测表读数,计算各个测点的倾 斜T及最小曲率半径R , 均符合安全标准。 表1 建筑物保护等级及允许变形值[1] 保护 等级 建筑物重要程度建筑物 地 下 允 许 最 大 变 形 倾斜 Π mm Π m 最小曲率 半径Πkm 水平变形 Π mm Π m εΔ ε Π mm Π m 一对采动很敏感,只允许微小变形的地面建筑物发电厂、 冶金厂、 炼油厂、 井架2.5201.52.0 二对采动敏感,允许一定的变形,当变形后不难修缮的建筑物一般工厂、 学校楼房、 铁路、 车站等5.0123.04.0 三对采动不敏感,能经受较大变形,加强维修即可使用的建筑物一般房屋、 铁路支线等10.06.06.08.0 四价值不高的并能经受较大采动影响的建筑物石房、 木房15.04.09.012.0 2.3 有限元分析 作者采用的有限元数值模拟软件为2D - Sigma。 用软件进行分析时,各种数据的选取至关重要。在 实验中,岩石的物理力学性质及裂隙平均密度,由矿 山地质科提供。而弹性模量借助等效水力模型,可 用涌水量大小直接描述岩体的弹性模量。数值模拟 模型图见图3 ,网格划分图见图4。 图3 计算模型图 图4 网格划分图 对图3模型进行数值计算,对选矿厂保护等级 一级,居民区保护等级三级,即最危险状态下,加载 为800 kNΠm 2 时,变形图见图5。计算的各项指标 倾斜T2 0. 22 mmΠm、T4 0. 451 mmΠm ,曲率半径 R2 22 km、R4 43 km ,均符合国家安全标准,且与 模型实验结果一致。 图5 加载800 kNΠm2时的变形图 3 结果分析 1 通过百分表读数及软件数值计算,均得出采 用充填法对于矿区地表变形影响较小,而且符合国 家关于地表沉陷和错动所允许的范围。采用崩落法 将对矿区造成大的塌陷,给矿山带来巨大的麻烦。 2 实验既模拟了所选断面复杂的地质条件,又 比较逼真地模拟了充填法的采矿过程,且其模型实 验结果与数据计算结果比较吻合。 3 采用崩落法,尾矿库则必须扩建,程潮大湾 和选矿厂必须搬迁。这将给矿山经济方面带来巨大 的困难。而采用充填法则可以有效回收尾矿作为充 填材料,来维护围岩。 参考文献 [1]北京有色冶金设计研究院.采矿设计手册[M]1 北京中 国建筑工业出版社 [2]陈云鹤.我国铁矿运用充填法开采提出的问题[J ]1 金 属矿山,2000 ,99 5 - 6 责任编辑吕晋英 32 2005年12月 矿业安全与环保 第32卷第6期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.