铁矿开采对高压线路塔基变形影响数值模拟研究

毕振东 崔宇鹏 夏 鹏 张明伟 董 山

(1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101； 2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)



铁矿开采对高压线路塔基变形影响数值模拟研究

毕振东1崔宇鹏2*夏 鹏2张明伟2董 山1

(1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101； 2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

为了研究铁矿未来采空区对高压线路塔基变形影响，采用FLAC3D软件，对铁矿充填开采过程进行了数值模拟，结果表明：因地下开采引起的最大地表位移在矿体两端移动范围边界附近，地表水平变形趋势为两侧向中间移动，在矿体两端移动范围内呈现对称分布，整个开采过程发生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右，对塔基变形及位移影响甚微。

铁矿，数值模拟，倾斜性矿体，塔基

0 引言

目前，铁矿充填开采法对地表建筑物影响的研究已经比较成熟，张滔等人[1]运用有限元方法对金属矿山充填开采进行数值模拟，分析充填开采对民宅建筑物的影响，王平等人[2]通过孔隙介质固液耦合的三维有限元法对采矿进行数值模拟，分析地表沉降问题。王晓军等人[3]通过数值模拟手段分析了充填井下关键隔离层对地表沉陷的影响。但是对急倾斜矿体开采引起的地表沉降的研究还不是很多见。研究充填采矿法对地表建筑的影响，由于矿区地质条件的复杂性，采用物理力学模型模拟方法很难将地表的变形规律表述清楚，然而采用数值模拟方法可以弥补这个缺陷。本文在前人研究的基础上，以胜宏铁矿为背景，基于FLAC3D软件分析急倾斜矿体充填开采造成的地表变形以及地表建筑物高压输电线塔基的变形规律。

1 工程概况

某±800 kV特高压直流输电工程，线路由于路径走廊限制，在山东省汶上县境内需要穿越铁矿矿区。为了确保直流输电工程线路安全运行以及铁矿开采的顺利进行，开展铁矿开采对塔基沉降数值分析。

某铁矿采用地下开采方式。设计采用下盘竖井开拓系统；单翼对角式通风系统，主井进新风，风井回风；主井、风井均设置梯子间作为井下安全出口；主井工业场地附近设充填制备站。

根据矿体赋存深度，矿量分布和采矿方法构成要素，确定阶段高度为55 m。划分为-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四个中段，-29 m为回风水平。

阶段开采顺序为：-249 m～-194 m→-194 m～-139 m→-139 m～-84 m→-84 m～-29 m→-249 m水平以下→-29 m水平以上。阶段内矿块采用后退式开采顺序，即由风井一侧向主井方向推进。

根据矿床地质条件及矿、岩性质，并参考同类型矿山的实际经验，本矿床开采崩落范围的圈定，第四系取45°，基岩层岩石移动角均取70°。

根据矿体的赋存条件，矿体按厚度属于中厚及厚矿体，按倾角属于倾斜及急倾斜矿体，按稳固性属于稳固矿体。考虑到地表不能塌陷且不能破坏第四系护顶矿柱，同时以提高回采率、降低采矿贫化率为目标，本着安全、可靠、环保以及可持续性发展的原则，采用浅孔留矿采矿法。

浅孔留矿采矿法适用于厚度小于8 m的矿体。矿块沿走向布置，标准矿块长度50 m，高度为阶段高度55 m，宽度为矿体水平厚度，间柱6 m，顶柱3 m，不设底柱。

矿房内浅孔凿岩分层落矿，落矿的分层高度不小于2 m。采场凿岩采用7655型凿岩机，炮孔直径约40 mm，爆破采用乳化炸药，装药方式采用人工，起爆材料采用导爆管。

每次落矿后放出崩落矿石的1/3，其余约2/3的崩落矿石留在采场内支撑上盘围岩，并作为回采的工作平台。

整个矿房落矿完毕后进行集中放矿。矿体倾角大于50°时崩落矿石借自重放出，矿体倾角小于50°时崩落矿石不能借自重放出，矿房内需要辅助电耙出矿，底部采用铲运机出矿。均采用尾砂+胶固粉嗣后一次充填。

输电线路与铁矿相互影响范围确认图如图1所示。

2 三维建模及计算

采开FLAC是快速拉格朗日差分分析开展采矿过程对上覆塔基的变形影响分析。三维模拟计算的主要目的是通过对铁矿-29 m～-84 m中段、-84 m～-139 m中段、-139 m～-194 m中段、-194 m～-249 m中段、-249 m以下矿体、-29 m以上矿体等矿体的开采，分步模拟地下开采对地表变形和塔基沉降产生的影响，从而给出结论。

根据开拓系统纵投影图、勘探线剖面图和矿体总平面布置图，推断出矿体的三维空间分布，将矿体简化为等厚层，利用ABAQUS建立三维模型，模型长1 367 m，宽800 m，高623 m。

本次数值模拟利用ABAQUS建立三维模型，模型包括矿区整体模型、护顶矿柱模型、矿体中间夹层模型、矿柱模型和开采矿体模型，具体如图2～图6所示。

通过转换程序将模型导入到FLAC3D中，如图7，图8所示。模型共计113 155个单元体，包含119 880个网格节点。土体采用8节点六面体实体单元模拟，土体结构计算采用摩尔—库仑本构模型。

根据地质勘探报告，地表及以下55 m为第四系松散岩层，其余为岩体，充填体参数参考文献《金川二矿贫矿开采充填设计优化及数值分析》并结合铁矿充填参数选取，矿体参数参考勘察报告。具体数值如表1所示。

表1 计算采用的矿岩物理力学参数表

三维模拟方案技术路线及实施程序如图9所示。

根据矿体赋存深度，矿量分布和采矿方法构成要素，设计确定阶段高度为55 m。矿山划分为-29 m～-84 m,-84 m～-139 m,-139 m～-194 m,-194 m～-249 m四个中段，-29 m为回风水平。阶段开采顺序为：-249 m→-194 m→-139 m→-84 m→-249 m以下矿体→-29 m以上矿体。

根据现场地质勘查剖面图以及已有的CAD图形数据估算出塔基的地理位置如图10所示。

3 矿山开采全过程模拟计算分析

最终沉降位移云图如图11所示。分析上述地表沉降云图可知，地表竖向最大值出现在矿体投影到地表的区域，并向四周逐渐减小。地表竖向位移随着矿体的开挖不断增大，最大沉降位移值约为44 mm。地表水平位移在矿体投影到地表区域呈现对称分布，距离矿体越远，位移值越小，随着矿体的开挖，水平位移的值逐渐增大，最大水平位移值约为20 mm。

纵剖面、横剖面地表竖向位移随施工步骤变化曲线图如图12，图13所示。分析图12可知，随着矿体的开挖，地表先沉降，位移的分布呈现抛物线形分布，随着开挖中段逐渐接近地表，抛物线出现反转，出现局部隆起现象。塔基所在位置符合沉降的总体趋势，先沉降，后隆起，但是位移值很小，位移值不到0.1 mm，几乎可以忽略不计。

分析图13可知，地表竖向位移呈现“横S形”分布，随着矿体的开挖，沉降值逐渐增加，塔基所在位移变化趋势先沉降后隆起，沉降值不足0.1 mm，位移很小，几乎可以忽略不计。

4 结语

根据铁矿矿区矿产地质特点和开采方法、开发方案等，以及线路工程塔基设计情况，采用有限差分数值模拟方法，建立了FLAC3D数值模型，对上覆岩层及地表的移动规律和采场地压显现进行了研究，得出了开采沉降的规律，主要结论如下：

1)计算模型水平方向范围内因地下开采引起的最大地表位移在矿体两端移动范围边界附近，矿山六步开采完成后，地表的最大沉降在44 mm左右。

2)矿体开采引起的地表水平变形趋势为从两侧向中间移动，在矿体两端移动范围内呈现对称分布，整个开采过程发生的向左、向右水平位移最大值均在20 mm左右。水平位移与竖向位移相比受开采影响不显著。

3)矿体开挖对塔基变形影响很小，最终开挖完成后塔基所在位置地表竖向位移不到0.1 mm，可以忽略不计。计算结果表明，地下矿体开采引起的塔基变形在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》允许范围之内。

4)铁矿开采对塔基变形及位移影响甚微。

[1] 张 滔,许梦国,欧阳治华.某黑色金属矿山充填采矿法的数值模拟[J].黄金,2005(11):24-27.

[2] 王 平,许梦国,李惠强.充填采矿法和崩落采矿法对地表影响的计算机数值模拟分析[J].工业安全与环保,2010(10):50-52.

[3] 王晓军,方胜勇,刘绩勋.充填井下关键隔离层控制地表沉陷的数值模拟[J].金属矿山,2010(10):13-16.

[4] 张梅花,高 谦,翟淑花.金川二矿贫矿开采充填设计优化及数值分析[J].金属矿山,2009(11):28-31.

[5] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,2000.

Numerical simulation research on the impact of iron mine mining upon high-voltage tower foundation deformation

Bi Zhendong1Cui Yupeng2*Xia Peng2Zhang Mingwei2Dong Shan1

(1.ShanxiMetallurgyDesignInstituteCo.,Ltd,Jinan250101,China;2.CollegeofCivilConstruction&Hydraulic,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In order to study the impact of future iron mine mined out area upon high-voltage line tower foundation deformation, the paper applies FLAC3Dsoftware, and carries out numerical simulation for the mine mining process. Results show that: maximum ground surface displacement owning to underground mining is within the mine body lateral moving area; surface horizontal displacement trend is from the lateral side to the middle, which is symmetrical distribution within lateral mine moving scope; the maximum value of the left and the right horizontal displacement of the whole mining process is about 20 mm, which has little influence upon the tower foundation deformation and displacement.

iron mine, numerical simulation, unbalanced ore body, tower foundation

1009-6825(2017)10-0077-03

2017-01-22

毕振东(1975- )，男，工程师； 夏 鹏(1989- )，男，在读硕士； 张明伟(1989- )，男，在读硕士； 董 山(1977- )，男，工程师

崔宇鹏(1989- )，男，在读硕士

TU470

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