宿松磷矿地下采矿对地表稳定性的分析及管控方案

闫红桥

【摘要】据宿松磷矿目前揭露的矿体和围岩情况可知，矿体顶底板围岩极为破碎，巷道掘进过程中冒顶、片帮等不稳定现象时有发生，矿体呈间断式分布，且厚度差异较大。为保证地下采矿的安全以及地表构筑物的稳定性，根据上级主管部门的文件精神，拟对宿松磷矿的地下开采对地表构筑物的稳定性开展分析，并选择对应的地压管理措施和采矿方案：

【关键词】磷矿；地下采矿；稳定性

1矿体顶底板软弱围岩的采矿方法

在采矿过程中，若遇到矿体顶底板围岩较破碎的地段，可采取超前管棚护顶的措施，再加以矿柱的保留，可明显提高采区顶板的稳定性，亦可提高采矿的安全性，防止采空区因大面积冒顶引起的地表塌陷。超前管棚一般是沿巷道断面的一部分或全部，以一定的间距环向布设，形成钢管棚护。这样可以实现在特殊环境下安全开挖，并且可以预先提供增强地层承载力的临时支付方法。这种方法主要用于砂砾地层和软层、岩堆、破碎带地段。在回采工作开始前，沿回采巷道拱圈以一定角度和间距打入钢管，在管棚进口端一般加有套拱基础，另一端深入到前方围岩深处，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载的作用，从而提高矿房顶板的稳定性和采矿的安全性。

2矿体顶板遇破碎带的采矿方法

在采矿过程中，若遇到大面积破碎带的地段，可采取人工假顶小分段开采法，即缩短分段距离，减少一次采空区净空，降低因采矿对上部围岩的扰动范围，从而提高采矿的安全性，亦可降低上部碎石混入率，减少矿石贫化。对于较厚矿体，应将其划分为多个小分段自上而下依次回采，尽量减少一次回采暴露的空间；人工假顶采矿是在人工构筑的钢筋混凝土假顶下进行支护、凿岩、爆破、出矿等一系列采矿作业活动。待上一分段回采完毕后，即施筑假顶，为下分段回采提供稳定的顶板条件。薄矿体可一次回采完毕，厚矿体利用小分段开采方法，矿体间隔处的岩体可留作矿柱用。

3采空区充填

为防止采空区顶板围岩失稳垮落而影响地表构筑物的稳定，在回采过程中，采用一采一充的充填措施，在上一分段充填完成后，方可进入下一分段进行回采作业。随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区的采矿方法称为充填采矿法，利用充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表下沉，并为回采工作创造安全和方便条件。对于薄矿体，可采用单层充填采矿，充填顺序为由下向上，一段一段地充填，一次充填长度视顶板稳固程度而定，该方法是薄矿体在顶板不允许崩落的复杂条件下非常有效地采矿法。对于较厚矿体，可采用下向分层充填采矿，该方法适用于复杂的矿山开采条件，如围岩很不稳固，或围岩或矿石很不稳固，以及地表和上覆岩层需保护等，该法代替分层崩落法，效果好。下向分层胶结充填法优点较多，矿石损失很小，依步骤回采。

4数值模拟

数值模拟也就是用计算机对实物进行的一种数值模型试验。数值模拟的通用性非常强，可以模拟出各种复杂的情况，即方便又灵活，能反复进行多次试验，修改也非常方便，更重要的是耗资少，因此数值模拟方法得到了广泛的应用。其中，有限元数值模拟技术在模拟多种介质及介质的非均匀性和弹塑性、工程开挖、充填及支护等方面更为灵活，在处理复杂结构、复杂边界及载荷条件等方面也显示出了独特的功效，因而在数值模拟实用分析技术中起着主导作用。

岩体结构和采空区具有复杂多变的性质，为了更加清楚的认识了解井下采矿的可行性、合理性、以及采空区对地下开采所存在的危害；为了确保地下开采区和空区的处理中存在的安全问题，确定地下开采对地表位移变化的影响规律，就需要对采空区和地表构建物的稳定性进行数值模拟计算分析。由于有限单元法有很多优点，所以本次分析采用该方法。同时为了对现场实际情况更加真实的掌握模拟，我们选用三维有限单元法作为研究手段。

三维有限单元法可以根据实际测得的岩土形状和各岩层的不同的物理性质分别进行单元划分，并且根据测得的数据自动地计算出不同形状的采空区周边岩体所受应力、应变和位移大小，以及地表位移和变形大小；另一方面，三维有限单元法能真实地反映出岩土失稳及塑性区的发展过程，可以考虑岩土的非线性本构关系、施工过程和复杂边界条件，因此，三维有限单元法为复杂条件与复杂形状采空区和地表构筑物的稳定性分析提供了一种比较理想、准确的计算分析方法。

针对此矿区的地质条件和开拓现状，建立如下三维数值模型：

（1）依照原设计将形成的采空区及该采空区上部地表移动范围内的地形和构筑物三维数值模型；

（2）采取超前管棚支护的采空区及该采空区上部地表移动范围内的地形和构筑物三维数值模型；

（3）采取充填处理的采空区及该采空区上部地表移动范围内的地形和构筑物三维数值模型；

（4）采取超前管棚支护和充填处理的采空区及该采空区上部地表移动范围内的地形和构筑物三维数值模型；

（5）小分段開采与原设计分段开采的采空区稳定性对比分析。

通过对以上模型的数值模拟结果分析，以期得到采空区应力应变分布规律和地表的沉降变形规律，验证管棚支护和充填采矿对采空区安全的有效性，并对此前采取的技术措施提出优化建议。

5结束语

针对矿区现状和上级主管部门的文件要求，需对原有的采矿方法做出适当调整。综合前述，超前管棚、充填、小分段结合采矿法，可以实现安全、经济、有效地采出此类矿体，并能有效地将地表的沉降值控制在安全许可范围内。