龙桥铁矿复杂采空区的探测及处理方案.pdf

收稿日期 2011- 05- 18 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50874024, 10872046, 50904013, 51174045 ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 N090601003, N100601003 . 作者简介 李海洲 1982- , 男, 辽宁锦州人, 东北大学博士研究生; 杨天鸿 1968- , 男,辽宁抚顺人, 东北大学教授,博士生导师. 第32卷第11期 2011 年 11 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol. 32, No. 11 Nov.2 0 1 1 龙桥铁矿复杂采空区的探测及处理方案 李海洲1,杨天鸿1, 张洪海2, 丁 铭3 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819; 2. 烟台黄金设计研究所, 山东 烟台 264000; 3. 龙桥铁矿, 安徽 庐江 231500 摘 要 安徽省庐江县龙桥铁矿- 320m 水平采空区, 发生局部塌落导致现有采空区形态不详, 为保证 下部矿体正常安全开采, 在地表不允许塌落的情况下, 采用留设隔离矿柱的方案来隔离上部采空区. 在钻孔探 测确定采空区形态的基础上, 应用 FLAC3D程序建立三维数字模型, 分析了留设不同厚度隔离层对整个采空 区应力分布的影响及自身稳定程度. 结果表明 留设 25 m 厚的水平隔离矿柱可以有效地分担地压分布情况, 能够保证下部矿体安全开采. 关 键 词 采矿工程; 采空区探测; 稳定性; FLAC3D; 数值模拟 中图分类号 TD 853. 391 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026 201111 -1647 -04 Detection and Disposal of the Complex Goaf in Longqiao Iron Mine LI Hai -zhou1,YANG Tian -hong1, ZHANG Hong -hai 2, DING Ming3 1. School of Resources 2. Yantai Gold Design Institute, Yantai 264000, China; 3. Longqiao Iron Mine, Lujiang 231500, China. Corresponding author LI Ha- i zhou, E -mail huaienf 163. com Abstract Local goaf collapse at - 320 m level in Longqiao Iron Mine has caused the unknown goaf shape. Under the condition of unpermitted surface subsidence, in order to ensure the deep ore bodies safety, the interval layer should be remained. Based on the drilling detection, the goaf shape was definitely known, and then the FLAC3Dwas applied to analyzing the influence of stress distribution in the whole goaf under the conditions of different interval layer thickness.The results showed that the 25 m interval layer remained in next level can effectively alleviate stress distribution. It can also ensure the mining safety at the next level. Key words mining engineering; goaf detection; stability; FLAC3D; numerical simulation 矿产资源是人类文明进步、 国民经济发展和 科学技术革命的基础. 经过多年的努力, 我国已成 为世界采矿大国, 目前已有非煤矿山 11 万多座. 我国地下矿山多是以房柱法、 全面法、 留矿法等空 场法为主要开采形式, 每年将形成数百万立方米 的采空区, 而且绝大多数采空区均未进行有效的 处理. 当采空区面积、 体积达到一定规模时, 可能 诱发大规模突然冒落等地压灾害, 造成人员和财 产的重大损失[ 1- 2]. 近几年来我国由于采空区未 能及时处理而引起的矿山安全问题十分严峻. 1 龙桥铁矿概况 安徽省庐江龙桥铁矿位于庐江县城东南方向 25 公里处的龙桥村, 行政区划属龙桥镇管辖. 矿 区总面积 345 平方公里. 矿床内勘探共圈定大小矿体 13 个, 其中 1 矿体为主矿体, 其储量占矿床总储量的 997, 其余的 12 个矿体规模很小, 1 号主矿体空间形态 分布见图 1 . 图 1 龙桥铁矿 1主矿体空间形态分布 Fig.1 The spatial patterns of 1main iron ore at Longqiao Iron Mine 2 龙桥铁矿采空区探测及处理方法 2. 1 龙桥铁矿采空区探测 龙桥铁矿 1主矿体- 320 m 水平东侧采空 区曾发生局部坍塌, 已无法进入采空区进行详细 勘测, 运用国际先进的采空区三维激光探测系统 C- ALS 对其进行探测, 从而确定采空区形态. C- ALS 的基本构成包括激光探头、 电源、 数 据接收器、 计算机控制软件, 该系统采用激光测距 仪的扫描头, 伸入采空区后能够上下 180, 水平 360旋转, 并连续收集距离和角度数据, 精确度达 到 5 cm, 角度可以精确到 01. 图 2 为 C- ALS 系统组成及小钻孔地下采空区探测示意图. 图 2 C- ALS 系统基本组成及地下采空区探测 Fig. 2 Basic components of C -ALS system and detection of underground goaf 1主矿体 320m 东侧采空区暴露面积较大, 为本次主要研究对象, 现场设立了 3 个采空区探 测点 czk01, czk02, czk03 , 见图 3, 钻孔及采空区 探测结果见图 4 . czk01较好地探测了采空区形态, 本次采空 区处理以测点 czk01 探测数据为研究依据, 探测 结果见表 1 . czk01探测点较好地探测到塌陷采空区高度 为1557 m, 碴石堆积深度 519 m, 见图 5, 为进 一步研究采空区稳定性及采空区处理方法提供科 学依据. 图 3 1采空区形状大小及测点位置 Fig.3 Size of 1goaf and the location of monitoring points 图 4 钻孔及采空区探测图 Fig. 4 Drilling and goaf detection results a 裂隙发育; b 裂隙水; c 矿矸石堆积. 表 1 采空区 czk01 孔探测结果 Table 1 The detection results of goaf czk01m 时间 孔口 标高 孔底 标高 碴石堆 积标高 碴石 厚度 探测空 区高度 2009- 09 159. 17 - 299. 62 - 315. 195. 1915. 57 图 5 czk01 探测结果示意图 Fig. 5 The detection results of goaf czk01 2. 2 采空区处理方法选取 目前, 国内外处理采空区的方法主要是封闭、 崩落、 加固和充填四大类, 有时采用两类方法联合 处理. 由于采空区所处位置、 形态特征、 规模各异, 在对其处理过程中, 针对各自的特征, 分别采用相 应的处理方法[ 3]. 安徽省龙桥铁矿是一座中型矿山, 多年来矿 山开采形成较大采空区, 且采空区形态不规则, 最 大暴露面积达 4 000 m2以上, 高度达 1557 m . 针对上述采空区形态, 为保证其下部赋存有 1648东北大学学报 自然科学版 第 32 卷 大量矿体继续开采, 采用崩落法消除采空区, 能够 及时消除危害, 防治应力过分集中和大规模的地 压活动, 成本低, 效率高, 但是龙桥铁矿周围住户 集中, 地表不允许塌陷. 为了不影响下部矿体的正 常生产进度, 本文提出留设隔离矿柱的方法对上 部采空区进行隔离处理. 国家安全生产规程规定, 无底柱自然崩落法采空区隔离层厚度必须超过 2 个分段高度, 在龙桥铁矿即为 20 m, 由于龙桥铁 矿 1采空区暴露面积过大, 为保证下分段回采安 全, 确定隔离层厚度分为 20 和 25 m 两种方案, 分 别验证其可行性. 随着计算机技术的发展, 数值模拟技术在采 矿工程和岩土工程等领域得到了快速发展和广泛 应用[ 4- 7]. FLAC3D是一个三维有限差分程序, 基 本原理即是拉格朗日差分法, 适合求解非线性的 大变形问题, 详见文献[ 8- 9] . 本文在对现有采空 区状况进行充分调研的基础上, 通过理论和数值 分析、 取样试验等手段, 建立稳定性评断模型进行 分析计算, 应用 FLAC3D, 对1采空区分别模拟计 算隔离层预留厚度 20, 25 m 时的应力及位移, 合 理地留设隔离矿柱, 保证下部矿体回采安全. 3 模拟计算及分析 3. 1 计算模型 根据前期采空区探测成果, 将模型分为三个 区, 即采空区 excavation 、 矿体 mine 和围岩 rock . 模型中尺寸完全按照实际尺寸建立, 水平 沿矿体走向方向 X 轴 取 5 线为中心向两侧扩 展, 全长 1 200 m; 矿体倾向方向 Y 轴 以矿体为 中心向上下盘扩展, 全长 500 m, Z 轴高 280 m . 几何模型共有 74, 088 个初始单元数, 86, 499 个 初始节点. 几何模型见图 6, 图 7 . 图 6 矿体三维图形 Fig. 6 3D graphics of ore body 图 7 矿体模型 Fig.7 Ore body model 模型范围内岩性较简单, 根据现场调查, 可将 岩体分为围岩和矿石两大类, 矿体上盘围岩为粗 安岩, 下盘围岩为泥质粉砂岩矿石为铅锌矿石. 计 算所需的岩体物理具体参数见表 2 . 表 2 龙桥铁矿围岩与矿体的力学参数 Table 2 The mechanical parameters of rocks at Longqiao iron ore body 介质名称 kgm- 3 E GPa 内聚力 MPa 单轴抗压强度 MPa 单轴抗拉强度 MPa 内摩擦角 泥质粉砂岩2 683. 6723. 410. 250. 97114. 657. 6123. 75 粗安岩2 593. 6817. 810. 281. 2193. 946. 2326. 01 矿岩3 848. 8422. 200. 271. 4389. 745. 9524. 97 3. 2 矿体开采模拟计算方案 为研究开采后采空区围岩应力发生再次重分 布的规律和位移的进一步变化. 本次数值模拟, 分 别模拟计算隔离层预留厚度 20, 25 m 时的应力及 位移, 计算采用 Mohr- Coulomb 准则, 即弹塑性 模型, 大应变计算模式. 3. 3 模拟结果分析 1 应力分析 图 8 . - 320 m 水平开挖后应 力发生重分布, 采空区顶板处出现较大的拉应力; 留设 20 m 隔离矿柱时, 下分段矿体开挖后, 顶板 围岩 最大主应力上升明 显, 其 最大主应力为 0828MPa, 留设 25 m 隔离矿柱时, 下分段矿体 开挖后, 其顶板最大主应力为 0328 MPa . 图 8 不同隔离层厚度时下部矿体开挖后应力云图 Fig. 8 The stress cloud after excavation under different depths of interval layer a 20m; b 25 m . 1649第 11期 李海洲等龙桥铁矿复杂采空区的探测及处理方案 2 位移分析 图 9 . 留设 20 m 隔离矿柱时, 下分段矿体开挖后, - 320 m 采空区顶、 底板围岩 Z 方向位移的最大值为- 2373 cm 和 919 cm; 下分段采空区顶、 底板围岩 Z 方向位移的最大值 为- 400 cm 和 25 cm . 图 9 不同隔离层厚度时下部矿体开挖后 Z 向位移云图 Fig.9 The Z displacement after excavation under different depthsof interval layer a 20m; b 25 m . 留设 25 m 隔离矿柱时, 下分段矿体开挖后, - 320 m 采空区顶、 底板围岩 Z 方向位移的最大 值为- 2165 cm 和 619cm; 下分段采空区顶、 底 板围岩 Z 方向位移的最大值为- 213 cm 和 142 cm . 3 塑性区分析 图10 . 从塑性区分布情况来 看, 当隔离层厚度为 20 m 时, 采空区开挖和施加 动载后塑性区分布较广, 隔离层容易产生大的塑 性屈服, 容易产生塌落; 当隔离层厚度为 25m 时, 下分段开采对隔离矿柱变形影响不大, 能够有效 地保证下分段开采的安全. 图 10 不同隔离层厚度时下部矿体 开挖后塑性区分布图 Fig.10 Plastic -zone distribution after excavation under different depths of interval layer a 20m; b 15 m . 4 结 论 本文根 据 龙桥 铁 矿的 实 际地 质 条 件和 FLAC3D模拟分析得出, 在地表不允许崩落的情况 下, 在 1矿体采空区留设 25 m 厚的隔离矿柱能 够有效地承担地应力的分布, 避免冲击地压对下 部矿体开采的影响, 确保矿山后续的安全生产. 参考文献 [ 1]郝玉龙. 试论建立矿山安全生产长效机制[ J] . 中国安全科 学学报, 2005, 15 5 34- 37 . 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