尾砂膠結(jié)充填對井位及地表構(gòu)筑物安全穩(wěn)定性分析

夏永閣

（承德市五洲地質(zhì)測繪有限公司 河北·承德 067000）

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

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

中圖分類號：TD21 文獻標(biāo)識碼：A

灤平老達子溝采區(qū)地表采動移動范圍內(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)充填采礦法開采。通過全尾砂試塊的強度試驗后，礦山充填采用1：8的水泥尾砂的膠結(jié)配比，濃度為65%。通過大型有限元模擬軟件對礦體開采充填過程進行三維仿真模擬計算，以分析礦山充填后地表的各變形參數(shù)以及對地表建筑設(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礦柱，保證了豎井井筒的安全的。

1計算模型參數(shù)選取

采用大型有限元模擬軟件建立礦區(qū)的三維實體模型，模型長650 m，寬350 m，高310 m，共158522個單元。礦區(qū)三維實體計算模型見圖1。

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)詳查報告及礦山提供的現(xiàn)場參數(shù)，選定了建立模型的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

模擬步驟分為3步，首先進行了原巖應(yīng)力計算，其次為礦體開采，然后再進行充填。

2礦體采動對地表建筑穩(wěn)定性分析

地下采礦對地表的影響主要有垂直方向和水平方向的移動和變形，包括下沉、傾斜、曲率。不同性質(zhì)的地表移動和變形對建筑物的影響是不同的。地表產(chǎn)生的移動和變形破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，同時力學(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。

運用地表移動范圍確定準(zhǔn)則，確定礦體開采地表移動范圍來分析其穩(wěn)定性。

2.1地表移動范圍確定準(zhǔn)則

按照移動角來確定巖層的移動范圍，根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(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，其平均值以兩點間的下沉差△W除以兩點間的水平距離L0AB，即

式中iAB為地表傾斜，mm/m；WA為地表移動A點全向量的垂直分量；WB為地表移動曰點全向量的垂直分量；L0AB為地表移動點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度的平均值，即

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

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

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

在3個指標(biāo)中，對于礦體上下盤來說，i、K、s三者任意指標(biāo)在一點達到其臨界值，則為地表破壞點。其與開采礦體水平的最外側(cè)連線（該連線以不穿過采空區(qū)為原則）的夾角，則為移動角。

2.2地表移動范圍分析

礦體開采充填后，地表位移模擬結(jié)果見圖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范圍分析的依據(jù)。

根據(jù)《采礦設(shè)計手冊：礦床開采卷下》對建筑物保護等級及允許變形值的規(guī)定，通過對礦區(qū)開采地表建筑物調(diào)查，屬Ⅳ級保護，但考慮到計算時對圍巖和實際條件進行了理想化，其破壞準(zhǔn)則選取傾斜率為5‰。為了便于分析，對地表進行測點布設(shè)，見圖3。

各測點提取模擬結(jié)果見表2。

沉降曲線見圖4

根據(jù)表2地表監(jiān)測點垂直位移值和式（1）計算得出礦體開采地表傾斜率表，見表3、表4：

通過分析得出了地表傾斜率變化曲線，見圖5。

根據(jù)表3、表4和圖5可知，充填法開采后地表變形傾斜率均小于3‰，但考慮到計算時對圍巖和實際條件進行了理想化，對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，其范圍見圖6。

地下工程因其具有復(fù)雜性和隱蔽性特點，在實施過程中難免有不可控因素，為此需在礦體回采過程建立地表沉降敏感區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，對其進行實時監(jiān)測，及時預(yù)報地表變形情況，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的加固保護措施。

2.3礦山實測地表變形數(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)測系統(tǒng)，采用監(jiān)測儀器對地表位移進行連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)觀測精度要求，在地表位移敏感區(qū)域的邊緣按每40-50 m設(shè)置一個安全觀測樁，在敏感區(qū)域中心按50～60 m設(shè)置一個安全觀測樁，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個觀測點，利用高精度全站儀來觀測數(shù)據(jù)并記錄，再輸入至監(jiān)控主機進行處理分析，并對沉降趨勢做預(yù)測和報警。礦山地表沉降敏感區(qū)域觀測樁分布見圖7。

經(jīng)過長時間的地表監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，礦山敏感監(jiān)測區(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級變形的要求，現(xiàn)場實測數(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礦山開采充填過程進行三維仿真模擬計算，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(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級變形的要求，證明采用尾砂膠結(jié)充填采礦法開采后造成的地表位移對地面建筑設(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)測站及監(jiān)測設(shè)備設(shè)施要長期保留，并長期記錄地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便能及時掌握地表動態(tài)，出現(xiàn)問題及時上報并制定相應(yīng)的解決方案。

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

參考文獻

[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，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，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，海下點柱式開采的有限元動態(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.