崩落围岩处理采空区对尾矿库的影响研究

刘王政　张云鹏　刘爱兴,2　郑文龙

(1．华北理工大学矿业工程学院；2．徐州铁矿集团有限公司；3.河北钢铁集团司家营铁矿)



崩落围岩处理采空区对尾矿库的影响研究

刘王政1张云鹏1刘爱兴1,2郑文龙3

(1．华北理工大学矿业工程学院；2．徐州铁矿集团有限公司；3.河北钢铁集团司家营铁矿)

摘要某铁矿地下采空区的地表为尾矿库的一部分，为确保尾矿库稳定，采用崩落充填法处理后运用“三带”理论、岩石移动带理论及数值模拟对采空区进行研究。结果表明，崩落处理采空区后，地表水平位移和竖直位移均处在标准范围内，地表沉降裂隙带距尾矿库最小距离为127 m，采空区处理后能够保证地表尾矿库稳定。但随着该矿深部矿体的进一步开采，应加强对地表裂隙带范围的监控，以保证尾矿库的安全。

关键词崩落围岩采空区尾矿库稳定性分析

随着时间的推移，滞留的采空区将诱使上覆围岩发生沉降，对深部矿体的安全开采产生严重影响。上覆围岩沉降发展到地表形成一定区域的岩石移动带，在移动带内建构物的稳定性将受到严重影响，给矿山及附近居民的生活带来巨大的安全隐患。

国内外许多专家研究了矿山地下开采引起地表沉陷及对地表建筑物的影响，并取得了较多成果。前苏联专家阿维尔申运用塑性理论，得出矿体采空后引起地表下沉盆地剖面方程，形成了水平移动与地面倾斜成正比的结论[1]；梁力等人利用ANSYS有限元分析软件，对尾矿坝稳定性进行了数值模拟分析[2]；李宏儒等人采用有效应力算法对坝体边坡的稳定性进行了数值模拟分析[3]；李国政等运用结构可靠度指标，对坝体稳定性进行了评价研究[4]。然而，崩落法处理后采空区对地表尾矿库稳定性的影响研究相对较少。

以某地下铁矿为例，该矿采区共有3条矿体：由北向南分别为Fe1#、Fe2#和Fe3#矿脉，其中Fe1#正在开采，220 m水平以上Fe2#和Fe3#矿脉已采完，形成采空区，采用崩落法治理采空区并回收矿柱。在采区上盘存在即将废弃的尾矿库，库区面积约6.25万m2，库容约250万m3。随着矿床开采深度的逐渐加大，采空区及其周围可能产生下沉或塌陷，并诱发裂隙。由于尾矿库的一部分位于采空区岩石移动范围内，本文采用三带理论、岩石移动带分析法和数值模拟，对崩落围岩处理的采空区进行研究分析，以确保矿山正常生产及尾矿库的稳定。

1采空区对地表影响评价方法

1.1三带理论分析方法

矿床开采后，空区围岩及上覆岩层在应力重新分配的过程中运动。为研究其移动破坏规律，由下至上依次将岩层移动划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，如图1所示。通过计算分析得出地表建构物所处的岩层移动带，并判断其稳定性。

图1　采空区上覆岩层三带示意

(1)冒落带。空区顶板所属岩层发生弯曲、变形以及断裂、冒落等破坏。冒落带高度为：

(1)

式中,m为采高，m；kp为岩体松散系数，为1.25～1.50。

(2)裂隙带。岩层沿层理方向发生裂隙进而产生破坏，下沉量及变形量大，位于两带之间。

(3)弯曲下沉带。位于裂隙带上方至地表，该范围内岩层受自重影响，发生层面法向弯曲下沉且不断裂。

1.2岩石移动带分析方法

地下采空区促使岩体原有应力的平衡发生改变，在新应力平衡过程中，采空区周围岩体发生的形变和移动会逐渐延展至地表，使地表形成一定范围的移动带和塌陷带，空区底部与移动带边缘连线和水平面所形成的夹角叫做移动角。在移动带以内的地表建筑物及施工工程，都可能会受到岩体移动的影响而发生破坏，如图2所示。通过计算岩石移动角和塌落角，判断地表建构物是否处于移动带内。

1.3岩石移动带分析方法

随着计算机技术的发展，数值模拟方法在地质环境复杂、不利于现场试验的地下工程研究中得到广泛应用。在已知矿岩体物理参数的条件下，通过建立数值模型对采空区及上覆围岩进行模拟研究，分析地表形变量及应力分布图，进而得出空区的稳定性及对地表建构物的影响程度。

图2　岩石移动带与塌陷带范围

2稳定性综合分析

2.1三带理论分析

采空区崩落的围岩为散体，压实后会在顶部出现少量空区，每个阶段采空区崩落的岩石充满率按95%计算。尾矿库位于勘探线3-3和3-7附近，故选取这两个剖面为研究对象，结合矿山开采现状及岩性，取岩体松散系数为1.3，裂隙带高度取采高的25倍，计算各勘探线岩体的冒落带和裂隙带高度。如表1所示。

表1　各勘探线冒落带高度计算结果

由表1可知，在3-3线剖面上，矿体Fe1#、Fe2#、Fe3#采出后，崩落采空区围岩形成的冒落带高度均小于采高，但裂隙带高度均大于采高，地表产生裂隙；在3-7线剖面上，Fe1#及Fe3#采空区处理后形成的冒落带和裂隙带高度均小于采高，对尾矿库稳定性无影响，Fe2#采空区处理后形成的冒落带高度小于采高，裂隙带高度超过采高，地表存在裂隙。综合分析地表裂隙并不发育，对地表尾矿库稳定性影响不大，但随时间推移裂隙将进一步发育，可能对尾矿库产生影响，应加强对地表监测，及时消除尾矿库的安全隐患。

2.2岩石移动带理论分析

采用工程类比法，选取上下盘的岩石移动角65°，崩落角70°，据此圈定3-3线及3-7勘探线剖面的岩石移动范围和岩石崩落范围，如图3、图4所示。

图3　3-3线剖面移动带

图4　3-7线剖面移动带

由图3、图4可知，按选定角度圈定的岩石移动范围和崩落范围，一部分尾矿库位于圈定的范围内，表明尾矿库存在安全隐患，但对尾矿库的排水涵管无影响。由于该方法没有考虑矿体埋深、矿体厚度等因素，因此具有一定的局限性。

2.3“三带”和岩石移动带理论综合分析

“三带”理论可以分析出采空区的变形破坏能否延展至地表，但对地表的影响范围不能确定。岩石移动带理论能够弥补“三带”理论的不足，便于确定地表影响范围。本次研究基于“三带”理论，采用岩石移动带评价方法对采空区进行综合评价，最终得出采空区对地表的影响范围，结果如图5、图6所示。

图5　3-3线剖面移动带

由图5、图6可知，3-3及3-7剖面有部分采空区的裂隙带发育至地表，距尾矿库最小距离分别为127.43 m和196.06 m，所有采空区冒落带高度均小于采高，故采空区对尾矿库稳定性基本无影响。根据岩石移动理论计算分析处理后，采空区地表裂隙带范围如图7所示。尾矿库位于崩落法处理采空区地表裂隙带范围之外，尾矿库的稳定性能够得到保障。

图6　3-7线剖面移动带

图7　岩石移动界限

2.4数值模拟综合分析

基于有限元ANSYS软件，建立采空区数值模型，分别对采空区处理前后的地表水平及竖直位移进行模拟研究，分析尾矿库最大位移变化，最终圈定岩石移动对尾矿库的影响范围。

2.4.1模型建立及岩石力学参数

针对3-3及3-7两个剖面，分别建立(长×高)566 m×500 m、626 m×504 m的两个岩体数值模型，选取plane 82模型单元，模型左右两侧施加水平位移约束，底部施加垂直位移约束，地表为自由面。矿岩力学参数如表2。

表2　矿岩力学参数

2.4.2采空区未处理时数值模型

当采空区未处理时，通过施加重力场，对两剖面采空区进行数值模拟，分析采空区对地表水平位移影响，如图8～9所示。

图8　3-3采空区未处理时位移云图

图9　3-7采空区未处理时位移云图

依据采空区建筑地基稳定性评价标准，水平方向位移变化量为0～14 mm、垂直方向位移变化量为0～40 mm时，采空区对地表无影响。由图8～图9可知，两个剖面水平位移分别为2 mm和4 mm，未超过水平位移变化量；两个剖面的竖直位移为分别52 mm和60 mm，均大于竖直位移变化量。因此，采空区未处理不利于地表尾矿库稳定。

2.4.3崩落处理采空区数值模型

崩落充填采空区后，通过数值模拟研究，地表水平及竖直位移较采空区未处理时变化较大，结果如图10～11所示。

图10　采空区处理后3-3位移云图

由图10～11可知，剖面3-3和3-7的水平位移分别为6 mm及5 mm，竖直位移分别为30 mm和20 mm，采空区地表影响范围距尾矿库最小距离分别为57 m和68 m。根据评价标准沉降量，剖面3-3和 3-7采空区对地表尾矿库无影响，崩落处理采空区，有效的控制了空区对地表的影响范围，确保了尾矿库稳定。

图11　采空区处理后3-7位移云图

3结论

针对该矿空区现状及尾矿库与采空区的空间位置关系，选定3-3和3-7两个典型剖面，分别运用岩石移动带理论、“三带”理论、综合两种方法及数值模拟对采空区进行分析。研究表明，采用崩落法处理采空区后，地表裂隙带范围减小，水平和数值位移沉降量降至安全范围内，对地表影响很小，采空区地表破坏点距离尾矿库最小距离为127 m，确保了尾矿库稳定性。但随着深部矿体的进一步开采，裂隙还会逐渐发展，应加强监测，确保安全生产。

参考文献

[1]孙超,薄景山,孙有为.采空区沉陷研究历史及现状[J].防灾科技学院学报,2008(4):128-131.

[2]梁力,李明,王伟,等.尾矿库坝体稳定性数值分析方法[J].中国安全生产科学技术,2007,3(5):11-15.

[3]李宏儒,胡再强，陈存礼，等.金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析[J].岩土力学,2008，29(4):1138-1142.

[4]李国政,李培良,徐宏达.基于结构可靠度指标的尾矿库坝体稳定性分析[J].黄金，2005，26(6)：48-50.

(收稿日期2015-10-27)

Study of the Influence of Using Caving Rock to Deal with Goaf to Tailings

Liu Wangzheng1Zhang Yunpeng1Liu Aixing1,2Zheng Wenlong3

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology;2.Xuzhou Iron Group Co.,Ltd.; 3.Sijiaying Iron Mine, Heibei Iron & Steel Group Co.,Ltd.)

AbstractPart of the tailings is existed at the surface of a underground iron mine goaf, in order to ensure the tailings stability, the caving filling method is adopted to deal with the goaf, the “three zones”theory, rock displacement belt theory and numerical simulation method are adopted to analyze the tailings stability. The results show that, after dealing with the goaf by caving filling method, the surface horizontal displacement variation and vertical displacement variation are within the standard range, the minimum distance of surface subsidence fissure belt to tailings is 127 m, the goaf treatment could ensure the surface tailings stability, with the further mining of the deep ore-body of the mine, it is necessary to strengthen the monitoring of surface crack zone so as to ensure the safety of surface tailings.

KeywordsCaving rock, Goaf, Tailings, Stability analysis

刘王政(1988—)，男，硕士研究生，063009 河北省唐山市新华西道46号。