尾砂胶结充填对井位及地表构筑物安全稳定性分析

（承德市五洲地质测绘有限公司 河北・承德 067000）

摘 要 本文针对滦平老达子沟采区的开采现状及地表情况，采空区采用的尾砂胶结充填后，对新井位及地表构筑物进行了安全稳定性分析，从而论证了采空区通过尾砂胶结充填后，不会对地表及新井位产生影响。

关键词 尾砂胶结充填 模拟 稳定性 开采 采空区

中图分类号：TD21 文献标识码：A

滦平老达子沟采区地表采动移动范围内有选厂、矿山办公室、矿山工人宿舍、公房、绿化设施及新井位等。为了保护地表建筑及新施工井位设施的安全，矿山采用尾砂胶结充填采矿法开采。通过全尾砂试块的强度试验后，矿山充填采用1：8的水泥尾砂的胶结配比，浓度为65%。通过大型有限元模拟软件对矿体开采充填过程进行三维仿真模拟计算，以分析矿山充填后地表的各变形参数以及对地表建筑设施稳定性的影响程度。

另外矿山竖井后期建设在尾砂胶结充填空区的基础上，预留了足够的竖井井筒保护矿柱，保证了竖井井筒的安全的。

1计算模型参数选取

根据矿区地质详查报告及矿山提供的现场参数，选定了建立模型的物理力学参数，见表1。

模拟步骤分为3步，首先进行了原岩应力计算，其次为矿体开采，然后再进行充填。

2矿体采动对地表建筑稳定性分析

地下采矿对地表的影响主要有垂直方向和水平方向的移动和变形，包括下沉、倾斜、曲率。不同性质的地表移动和变形对建筑物的影响是不同的。地表产生的移动和变形破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，同时力学平衡重新建立，使建筑物产生附加应力，从而导致建筑物发生破坏。地表移动和变形主要分为6种：地表下沉、地表倾斜、地表曲率、地表水平变形、剪切变形、扭曲变形。

运用地表移动范围确定准则，确定矿体开采地表移动范围来分析其稳定性。

2.1地表移动范围确定准则

按照移动角来确定岩层的移动范围，根据有关设计规范，具体的确定指标如下：

（1）地表倾斜（i），为地表下沉盆地沿某一方向的坡度值，其平均值以两点间的下沉差△W除以两点间的水平距离L0AB，即

式中iAB为地表倾斜，mm/m；WA为地表移动A点全向量的垂直分量；WB为地表移动曰点全向量的垂直分量；L0AB为地表移动点A、B之间的距离，m。

（2）地表曲率（K），为下沉盆地剖面线的弯曲度，其平均值以相邻两线段倾斜差△i除以两线段地表水平长度的平均值，即

式中，KB为地表曲率；iBC为B、C两点的地表倾斜，mm/m；iAB为A、B两点地表倾斜，mm/m；L0AB为A、B两点之间的距离，m。

（3）地表水平变形（ ），为移动盆地内一线段两端点的水平移动差与此线段长度之比，其平均值为

式中，uE为地表移动E点全向量的水平分量；uF为地表移动F点全向量的水平分量；L0AB为E、F两点之间的距离，m。

在3个指标中，对于矿体上下盘来说，i、K、s三者任意指标在一点达到其临界值，则为地表破坏点。其与开采矿体水平的最外侧连线（该连线以不穿过采空区为原则）的夹角，则为移动角。

2.2地表移动范围分析

矿体开采充填后，地表位移模拟结果见图2。

根据《采矿设计手册：矿床开采卷下》对建筑物保护等级及允许变形值的规定，通过对矿区开采地表建筑物调查，属Ⅳ级保护，但考虑到计算时对围岩和实际条件进行了理想化，其破坏准则选取倾斜率为5‰。为了便于分析，对地表进行测点布设，见图3。

各测点提取模拟结果见表2。

沉降曲线见图4

根据表2地表监测点垂直位移值和式（1）计算得出矿体开采地表倾斜率表，见表3、表4：

通过分析得出了地表倾斜率变化曲线，见图5。

根据表3、表4和图5可知，充填法开采后地表变形倾斜率均小于3‰，但考虑到计算时对围岩和实际条件进行了理想化，对其地表变形倾斜率大于0. 5‰的区域定义为位移敏感区域，其范围见图6。

地下工程因其具有复杂性和隐蔽性特点，在实施过程中难免有不可控因素，为此需在矿体回采过程建立地表沉降敏感区域监测系统，对其进行实时监测，及时预报地表变形情况，根据具体情况采取相应的加固保护措施。

2.3矿山实测地表变形数据处理

矿山根据要求建立了地表沉降敏感区域监测系统，采用监测仪器对地表位移进行连续监测。根据观测精度要求，在地表位移敏感区域的边缘按每40-50 m设置一个安全观测桩，在敏感区域中心按50～60 m设置一个安全观测桩，桩上设有标尺、反射棱镜与防雨防晒设施，在敏感区域范围外的安全区域设置3个观测点，利用高精度全站仪来观测数据并记录，再输入至监控主机进行处理分析，并对沉降趋势做预测和报警。矿山地表沉降敏感区域观测桩分布见图7。

经过长时间的地表监测，并对监测数据进行分析，矿山敏感监测区地表下沉为62mm，倾斜为0.8 mm/m，水平位移为22 mm，水平变形为0.5mm/m，其地表变形的主要技术指标小于建筑物I级变形的要求，现场实测数据与数值模拟数据基本一致。

3结论

采用大型有限元模拟软件对矿山开采充填过程进行三维仿真模拟计算，数值模拟结果与现场实测数据基本相符，其地表变形的主要技术指标小于建筑物I级变形的要求，证明采用尾砂胶结充填采矿法开采后造成的地表位移对地面建筑设施和新竖井井位影响不大，可以保证其稳定性。

原地表的监测站及监测设备设施要长期保留，并长期记录地表监测数据，以便能及时掌握地表动态，出现问题及时上报并制定相应的解决方案。

矿山按照设计将上部所有空区利用尾矿胶结充填法充实，后期开采采区中段上向开采嗣后胶结充填空区，即先开采最下面一个中段，采完即充，充填完毕后不会对上部构筑物和新竖井井位造成影响。

参考文献

[1] 蔡嗣经.矿山充填力学基础[M].北京：冶金工业出版社，1994.

[2] 刘志祥，李夕兵，深部开采尾砂胶结充填体变形的混沌研究[J].采矿与安全工程学报，2005，22（3）：94-97.

[3] 刘同友等，充填采矿技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[4] 孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵，当代胶结充填技术，[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[5] 彭康，李夕兵，海下点柱式开采的有限元动态模拟分析[J].金属矿山，2009（ 10）：59-65.

[6] 蔡嗣经，矿山充填力学基础[M].2版.北京：冶金工业出版社，2009.