深部高阶段矿房稳定性分析
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摘 要：对田兴矿深部矿房进行数值模拟分析后，得出以下结论：（1）矿房充填后，整个地表出现的变形值都没有超过一般砖木结构允许的临界变形值，因此，开采后对空区进行及时充填后，地表的沉降变形不会对建（构）筑物的安全造成较严重的危害。（2）在充填上分段矿房与下分段矿柱后回采上分段矿柱时，若同时开采全部矿柱，盘区中部充填后的矿房不稳定。故在充填矿房与下分段矿柱后，应尽量减少同一盘区同时回采上分段矿柱个数，并先回采上分段中部矿柱。
司家营铁矿田兴矿地质开采条件复杂，矿床其上地表有大量的村庄和耕地。大部分矿体被第四系表土覆盖，厚度在60m～130m之间，由北向南厚度逐渐变厚，同时其含水丰富，根据相关地质报告，采用露天法开采矿体时的平水期涌水量一般为128万m3/d。设计方案采用的开采顺序为自下而上，采矿方法为阶段空场嗣后充填，这可以有效地阻止地表变形及塌陷，减少矿山受水患的影响。虽然采用充填法进行开采，但是由于矿房高度较大，开采过程中稳定性大小难以保证。同时，由于充填沉降导致充填不接顶等原因，会使充填体上部岩体产生连续的移动和变形，此变形通常需要经历较长的时间才能达到最终的稳定状态，在此期间，可能会对地表构筑物产生一定影响。
1 稳定性模拟
本次数值模拟采用数值模拟软件ANSYS对地表沉降变形进行模拟分析，对预测地表变形、指导矿山安全生产等有非常重要的意义。为对地表变形进行精确的计算，根据司家营田兴矿体矿体围岩产状建立矿体模型，同时根据阶段空场嗣后充填采矿法中盘区及采场的相关参数进行单元划分，为减少边界条件对模型计算结果的影响程度，把矿体纵深方向取足够大的长度。模型高度690m，宽1194m，第四系厚度取100m，强风化带取40m，弱风化带取50m，同时开采一个盘区的16采场，矿房与矿柱均取18m。如图1、图3所示。
模型建立完毕后，即设定模型的整体边界条件，然后划分网格并进行相关计算。形成初始的应力场后，首先，为准确模拟地表的变形程度，在初始条件计算的基础上，建立各阶段均被充填的模型，并进行计算分析，其次，在采完-450m至-350m上分段矿房并充填的基础上，把-450m至-350m水平范围的盘区内的下分段矿柱进行开挖，并充填物理性质为充填体的物理力学参数，再对盘区上分段矿柱进行开挖，并对最后结果进行分析。
计算模型边界条件（如图2所示）确定如下：
（1）模型的左右边界均施加水平约束条件，边界水平的初始位移为零。
（2）模型整体底部边界的水平、垂直的初始位移均为零。
（3）模型顶部为自由边界。
充填模型设置的约束条件如图2所示。
-450水平开挖充填模型如图3所示。
矿石、岩石和充填体的力学性质参数列于表1。
2 模拟结果分析
2.1 地表沉降分析
对各阶段盘区进行充填后，由图4可知，地表最大沉降距离为2.8cm，并随竖直标高降低，沉降距离越小，-450m水平沉降值只有1.2cm。地表总体保持均匀下沉，由采场向四周变形逐渐变小。在采场上方，地表的主要建筑为村庄，按建筑物保护等级及允许变形值分类。我国一般砖木结构允许的临界变形值为3.0mm/m，经计算，整个地表出现的变形值都没有超过一般砖木结构允许的临界变形值，因此，开采后对空区进行及时充填后，地表的沉降变形不会对建（构）筑物的安全造成较严重的危害。
2.2 采场稳定性分析
由图5可知，开挖后，采场盘区中央位置沉降值较大，为5.7cm。并且，由盘区中央向四周竖直沉降位移逐渐减小。开挖引起的最大竖直位移未能超过10cm，位移沉降较小，不会对采场产生较大影响。
由图6可知，开挖后空区上方有较大压应力，为4.8MPa，而盘区矿柱出现较大拉应力集中，为10.1MPa。
其中压应力远小于矿石极限抗压强度，但盘区预留矿柱所承受拉应力已接近矿石极限抗拉强度，可能会引起矿柱片落甚至失稳。
盘区中部充填后的矿房承受的拉应力过大，为5MPa，超过充填体极限抗拉强度，可能引起采场失稳。盘区两端充填体矿房拉应力较小，为0.14MPa，远小于充填体极限抗拉强度，具有一定稳定性。
3 结束语
矿房充填后，整个地表出现的变形值都没有超过一般砖木结构允许的临界变形值，因此，开采后对空区进行及时充填后，地表的沉降变形不会对建（构）筑物的安全造成较严重的危害。在充填上分段矿房与下分段矿柱后回采上分段矿柱时，若同时开采全部矿柱，盘区中部充填后的矿房不稳定。故在充填矿房与下分段矿柱后，应减少同一盘区同时回采上分段矿柱个数，并先回采上分段中部矿柱。
参考文献
[1]中国有色金属学会.2014中国充填采矿新工艺技术与装备成果交流会[C].昆明：中国金属协会采矿分会，2014.