宿松磷礦地下采礦對(duì)地表穩(wěn)定性的分析及管控方案

閆紅橋

【摘要】據(jù)宿松磷礦目前揭露的礦體和圍巖情況可知，礦體頂?shù)装鍑鷰r極為破碎，巷道掘進(jìn)過(guò)程中冒頂、片幫等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，礦體呈間斷式分布，且厚度差異較大。為保證地下采礦的安全以及地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，根據(jù)上級(jí)主管部門的文件精神，擬對(duì)宿松磷礦的地下開(kāi)采對(duì)地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定性開(kāi)展分析，并選擇對(duì)應(yīng)的地壓管理措施和采礦方案：

【關(guān)鍵詞】磷礦；地下采礦；穩(wěn)定性

1礦體頂?shù)装遘浫鯂鷰r的采礦方法

在采礦過(guò)程中，若遇到礦體頂?shù)装鍑鷰r較破碎的地段，可采取超前管棚護(hù)頂?shù)拇胧偌右缘V柱的保留，可明顯提高采區(qū)頂板的穩(wěn)定性，亦可提高采礦的安全性，防止采空區(qū)因大面積冒頂引起的地表塌陷。超前管棚一般是沿巷道斷面的一部分或全部，以一定的間距環(huán)向布設(shè)，形成鋼管棚護(hù)。這樣可以實(shí)現(xiàn)在特殊環(huán)境下安全開(kāi)挖，并且可以預(yù)先提供增強(qiáng)地層承載力的臨時(shí)支付方法。這種方法主要用于砂礫地層和軟層、巖堆、破碎帶地段。在回采工作開(kāi)始前，沿回采巷道拱圈以一定角度和間距打入鋼管，在管棚進(jìn)口端一般加有套拱基礎(chǔ)，另一端深入到前方圍巖深處，這樣可以對(duì)上部的破碎軟弱圍巖形成一個(gè)穩(wěn)定的“簡(jiǎn)支梁”支撐結(jié)構(gòu)，此簡(jiǎn)支梁可承受上部松動(dòng)壓力或者傳遞上部荷載的作用，從而提高礦房頂板的穩(wěn)定性和采礦的安全性。

2礦體頂板遇破碎帶的采礦方法

在采礦過(guò)程中，若遇到大面積破碎帶的地段，可采取人工假頂小分段開(kāi)采法，即縮短分段距離，減少一次采空區(qū)凈空，降低因采礦對(duì)上部圍巖的擾動(dòng)范圍，從而提高采礦的安全性，亦可降低上部碎石混入率，減少礦石貧化。對(duì)于較厚礦體，應(yīng)將其劃分為多個(gè)小分段自上而下依次回采，盡量減少一次回采暴露的空間；人工假頂采礦是在人工構(gòu)筑的鋼筋混凝土假頂下進(jìn)行支護(hù)、鑿巖、爆破、出礦等一系列采礦作業(yè)活動(dòng)。待上一分段回采完畢后，即施筑假頂，為下分段回采提供穩(wěn)定的頂板條件。薄礦體可一次回采完畢，厚礦體利用小分段開(kāi)采方法，礦體間隔處的巖體可留作礦柱用。

3采空區(qū)充填

為防止采空區(qū)頂板圍巖失穩(wěn)垮落而影響地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定，在回采過(guò)程中，采用一采一充的充填措施，在上一分段充填完成后，方可進(jìn)入下一分段進(jìn)行回采作業(yè)。隨著回采工作面的推進(jìn)，逐步用充填料充填采空區(qū)的采礦方法稱為充填采礦法，利用充填體進(jìn)行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表下沉，并為回采工作創(chuàng)造安全和方便條件。對(duì)于薄礦體，可采用單層充填采礦，充填順序?yàn)橛上孪蛏?，一段一段地充填，一次充填長(zhǎng)度視頂板穩(wěn)固程度而定，該方法是薄礦體在頂板不允許崩落的復(fù)雜條件下非常有效地采礦法。對(duì)于較厚礦體，可采用下向分層充填采礦，該方法適用于復(fù)雜的礦山開(kāi)采條件，如圍巖很不穩(wěn)固，或圍巖或礦石很不穩(wěn)固，以及地表和上覆巖層需保護(hù)等，該法代替分層崩落法，效果好。下向分層膠結(jié)充填法優(yōu)點(diǎn)較多，礦石損失很小，依步驟回采。

4數(shù)值模擬

數(shù)值模擬也就是用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行的一種數(shù)值模型試驗(yàn)。數(shù)值模擬的通用性非常強(qiáng)，可以模擬出各種復(fù)雜的情況，即方便又靈活，能反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，修改也非常方便，更重要的是耗資少，因此數(shù)值模擬方法得到了廣泛的應(yīng)用。其中，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在模擬多種介質(zhì)及介質(zhì)的非均勻性和彈塑性、工程開(kāi)挖、充填及支護(hù)等方面更為靈活，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界及載荷條件等方面也顯示出了獨(dú)特的功效，因而在數(shù)值模擬實(shí)用分析技術(shù)中起著主導(dǎo)作用。

巖體結(jié)構(gòu)和采空區(qū)具有復(fù)雜多變的性質(zhì)，為了更加清楚的認(rèn)識(shí)了解井下采礦的可行性、合理性、以及采空區(qū)對(duì)地下開(kāi)采所存在的危害；為了確保地下開(kāi)采區(qū)和空區(qū)的處理中存在的安全問(wèn)題，確定地下開(kāi)采對(duì)地表位移變化的影響規(guī)律，就需要對(duì)采空區(qū)和地表構(gòu)建物的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。由于有限單元法有很多優(yōu)點(diǎn)，所以本次分析采用該方法。同時(shí)為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更加真實(shí)的掌握模擬，我們選用三維有限單元法作為研究手段。

三維有限單元法可以根據(jù)實(shí)際測(cè)得的巖土形狀和各巖層的不同的物理性質(zhì)分別進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，并且根?jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)自動(dòng)地計(jì)算出不同形狀的采空區(qū)周邊巖體所受應(yīng)力、應(yīng)變和位移大小，以及地表位移和變形大?。涣硪环矫?，三維有限單元法能真實(shí)地反映出巖土失穩(wěn)及塑性區(qū)的發(fā)展過(guò)程，可以考慮巖土的非線性本構(gòu)關(guān)系、施工過(guò)程和復(fù)雜邊界條件，因此，三維有限單元法為復(fù)雜條件與復(fù)雜形狀采空區(qū)和地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定性分析提供了一種比較理想、準(zhǔn)確的計(jì)算分析方法。

針對(duì)此礦區(qū)的地質(zhì)條件和開(kāi)拓現(xiàn)狀，建立如下三維數(shù)值模型：

（1）依照原設(shè)計(jì)將形成的采空區(qū)及該采空區(qū)上部地表移動(dòng)范圍內(nèi)的地形和構(gòu)筑物三維數(shù)值模型；

（2）采取超前管棚支護(hù)的采空區(qū)及該采空區(qū)上部地表移動(dòng)范圍內(nèi)的地形和構(gòu)筑物三維數(shù)值模型；

（3）采取充填處理的采空區(qū)及該采空區(qū)上部地表移動(dòng)范圍內(nèi)的地形和構(gòu)筑物三維數(shù)值模型；

（4）采取超前管棚支護(hù)和充填處理的采空區(qū)及該采空區(qū)上部地表移動(dòng)范圍內(nèi)的地形和構(gòu)筑物三維數(shù)值模型；

（5）小分段開(kāi)采與原設(shè)計(jì)分段開(kāi)采的采空區(qū)穩(wěn)定性對(duì)比分析。

通過(guò)對(duì)以上模型的數(shù)值模擬結(jié)果分析，以期得到采空區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和地表的沉降變形規(guī)律，驗(yàn)證管棚支護(hù)和充填采礦對(duì)采空區(qū)安全的有效性，并對(duì)此前采取的技術(shù)措施提出優(yōu)化建議。

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)礦區(qū)現(xiàn)狀和上級(jí)主管部門的文件要求，需對(duì)原有的采礦方法做出適當(dāng)調(diào)整。綜合前述，超前管棚、充填、小分段結(jié)合采礦法，可以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、有效地采出此類礦體，并能有效地將地表的沉降值控制在安全許可范圍內(nèi)。