基于三维模型及数值模拟计算的露天矿山

基于三维建模及数值模拟计算的露天矿山地下采空区稳定性分析及处理探讨 摘要: 采空区问题自始至终都是矿山开采所要面对和急需解决的问题。采空区形成以后,在自然情况下一般处于稳定状态,但由于受上部露天矿开采、邻近地下矿山开采以及地下水等因素的影响,会出现顶板失稳的现象,譬如顶板岩层冒落、地开裂,甚至会导致大规模地表塌陷等事故的发生。 本文三道庄露天矿D区复杂地下采空区的分析处理为例,介绍了一种基于三维模型及数值模拟计算的露天矿山地下采空区稳定性分析方法,通过三维建模和数值模拟计算对存在采空区的区域进行稳定性分析,并在科学计算的基础上,对地下采空区处理作进一步的探讨。 关键词:三维建模数值模拟计算采空区稳定性 1 概述 (1) 1.1 地理位置 (1) 1.2 地质概况 (1) 1.3 深部空区情况 (1) 1.4 深部空区地压活动 (3) 1.5 深部空区对露天矿的影响 (3) 1.6 深部空区治理的必要性和意义 (4) 2 深部1300复合空区稳定性分析 (6) 2.1 数值模拟计算的基础条件 (7) 2.2 数值模拟计算的目标 (8) 2.3 空区三维模型的建立 (8) 2.4 深部空区现状稳定性分析 (10) 2.4.1总体模型位移及应力分析 (10) 2.4.2剖切模型后内部位移及应力分析 (11) 2.5采空区稳定性因素分析 (14) 2.6区内危险等级划分 (18) 2.7采空区稳定性分析结论 (19) 3 深部空区治理方案选择 (21) 3.1 深部空区治理方案选择的原则 (21) 3.2 深部空区治理方案优选 (21) 3.3优选方案述评 (22) 3.3.1 地表钻孔碎石干式充填法(方案一) (22) 3.3.2 地表钻孔尾砂干式充填法(方案二) (26) 3.3.3 地表深孔爆破成井块石充填法(方案三) (28) 3.3.4 地表竖井块石充填法(方案四) (33) 3.3.5井下溜井块石充填法(方案五) (37) 3.3.6井下平硐块石充填法(方案六) (38) 3.3.7台阶深孔爆破强制崩落法(方案七) (40) 3.3.8井下硐室爆破强制崩落法(方案八) (41) 3.4优选方案综合分析比较 (42) 3.5 结论 (45) 1 概述 1.1 地理位置 三道庄矿区D区深部特大空区位于横5~17线,纵ⅩⅦ线——ⅩⅨ线之间,标高1180m~1330m之间,坐标范围X6275、Y4674;X6223、Y4606; X5593、Y4805;X5645、Y4875,面积达50000m2。空区东北面750m为观礼台,东北面520m为2#破碎站,南面480m为观景楼。 1.2 地质概况 该区内揭露的地层主要为三川组上段(Zjs2),矿岩主要为矽卡岩和硅灰石角岩,矿岩硬度系数f=14~16,矿岩坚硬。 在该区内共有5条较大的构造带穿过,与深部空区近似垂直,构造带宽度0.5~5m,但在9′~9线之间出现两条构造带相交,宽度增大,宽度达30m。断层内充填物多为块状围岩角砾,石英角砾岩,黄绿色断层泥。 1.3 深部空区情况 根据现有空区资料显示,D区深部自1376以下共有12层空区,自下而上分别为:1151、1180、1205、1223、1260、1280、1300、1317、1340、1345、1350、1376,有深孔采场,也有浅孔采场。其中1180、1205、1223、1260、1280、1300空区为深孔采空区,采高约20m;由于矿体品位高,各中段矿房采场回采结束后,上下分段间水平顶柱采用水平孔压顶全部回收,由此形成1180~1320,高达140m,长500m,宽20~50m 的特大型空场,规模十分巨大。 (1)1376空区 1376空区主要分布在13线以西,空区标高位于1374~1382m之间,空区高度6m、8m、10m不等,空区跨度16~40m。在11~13线之间,1376空区覆盖在深部1300复合空区上方,1376空区底板至深部1300复合空区顶板的厚度为50m左右。 (2)1350空区 1350空区位于1348~1360m标高之间,高度6m、8m、10m不等。在135~140线之间,1350空区覆盖在深部1300复合空区上方,1350空区底板至深部1300复合空区顶板的厚度为20~30m。见135线剖面图。 (3)1345空区 1345空区位于1345~1354m标高之间,空区高度6~9m,局部空区顶板标高为1362m水平。在本区横13~17线范围内,1345空区覆盖在深部1300复合空区上方,1345空区底板至深部1300复合空区顶板的厚度为25~30m。见130线剖面图。 (4)1340空区 1340空区完全复合在1350空区下方,空区高6~8m,跨度25~30m, 1350与1340空区之间隔层原岩厚度为8~10m,小于最小安全厚度,部分地段与1350空区相透。1340空区与深部1300复合空区仅局部相重叠,重叠面积小。见155线剖面图。 (5)1317空区 1317空区位于1317~1330之间,空区高度8~15m,空区跨度20~ 30m。在本区横7~9′线范围内及横13线处,1317空区覆盖在深部1300复合空区上方,并与深部1300复合空区相透。见160、155、135线剖面图。 (6)深部1300复合空区 深部1300复合空区位于横7~17线之间,赋存标高为1180~1320m,