某錳礦采空區上方建筑物安全穩定性影響研究

張秉皓，郭忠林

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

0 前言

隨著社會的發展，處于整個社會生產鏈頂端的礦產資源開采也在大力發展，與之而來的“三下”(礦山工程在河流、鐵路和建筑下)問題，即在河流、鐵路和建筑下的問題也越來越明顯。云南省蒙自縣某錳礦山在開采過程中，就面臨所形成的采空區位于地表建筑物下的問題。為保證礦山正常開采和周圍村民生命財產安全，通過“三帶理論”(采空區覆圍巖破壞和移動出現自下而上分別為冒落帶、斷裂帶、整體移動帶3個明顯部分)及數值模擬方法，研究該礦山繼續地下開采對地表建筑的安全穩定性影響，得出結論，供礦山生產參考。

1 空區影響分析

1.1 礦山概況

云南省蒙自縣某錳礦山礦體為層狀、似層狀錳礦。礦層較復雜，由多個不同巖性巖層構成。礦體厚度約 2.5 m 左右，傾角在 31(°)～44(°)之間。各地層巖石力學參數如表1所示[1]。

表1 巖石力學參數

1.2 “三帶理論”評價分析

采空區形成之后，采空區上覆圍巖破壞和移動出現自下而上分別為冒落帶、斷裂帶、整體移動帶3個明顯的部分[2]。

1)冒落帶：采空區上覆圍巖在自重應力下，其上覆圍巖自身的抗拉強度小于上覆圍巖所施加的拉應力時，發生彎曲，變形直至斷裂破壞，最后破碎甚至垮塌，堆積于采空區之中。

2)斷裂帶：采空區上覆圍巖產生裂縫、離層及斷裂，但仍然保持著各個巖層之間的相互關系。

3)整體移動帶：即彎曲帶，其內巖層在自重應力作用下，在法向方向發生彎曲，在水平方向上受雙向壓縮應力。整體壓實，且整體性較好且巖層不會發生錯位，保持層狀結構，整個彎曲帶將延伸到地表。

采空區形成之后，采空區上的直接頂板會很快冒落，當采空區上的上覆圍巖自身堅固性較差時，自然會波及到上部的老頂板。冒落帶的高度取決于礦體的厚度，寬度，傾角，采空區的高度，相關的巖石的物理力學性質及所處的環境等。

采空區形成后，頂板巖體發生破碎，接著在地壓和自重應力條件下開始冒落，破碎斷裂巖石逐漸填滿采空區，隨著時間推移，這些掉落巖石會壓實，在上部空間形成新的空區，巖體繼續冒落和斷裂，直到整個空間被壓實，不再發生冒落和斷裂。碎脹巖體體積不能恢復到原巖體積后，這時冒落的巖體體積與原巖體積之比，叫做巖石的殘余碎脹系數。

壓實后的殘余碎脹系數，一般軟巖為1.02；中硬巖石為1.025；一般硬巖為1.03。巖石越硬，碎脹系數越大。

采空區及上覆圍巖所在地層為中三疊統法郎組(T2f)淺灰～深灰色灰巖、白云質灰巖，巖體堅硬、連續性較好，為中厚層或塊狀結構。綜合考慮，本研究區域圍巖殘余碎脹系數取1.03。

前面已述，采空區頂板巖層冒落與斷裂高度與采空區的高度、傾角及圍巖物理力學性質有關。采空區高度變化如表2所示。

表2 勘探線剖面上采空區高度

由于采空區的圍巖比較堅硬，故選用冒落帶的計算公式為：

式中H——頂板巖層冒裂高度(m)；

m——采出礦層厚度(采空區高度)(m)；

k——巖石殘余碎脹系數；

α——礦層傾角(采空區傾角)(°)。

在選取礦體松散系數時，考慮的是壓實后殘余碎脹系數，所以計算出來的頂板巖層崩落高度與斷裂高度之和，而沒有單獨計算冒落高度和斷裂高度。

計算參數的選取：m按表2中的采空區高度；殘余壓實系數 k 取 1.03；α=5(°)～9(°)，具體大小從剖面圖量取，將上述參數值帶入公式，可得到各剖面上巖石冒裂帶高度為表2。

通過“三帶理論”的運用，計算得出采空區的冒裂帶為圖1的曲線所示，可以看出礦山對地表建筑物不會產生破壞的影響。

圖1 勘探線剖面冒落帶曲線

1.3 采空區影響的數值模擬分析

隨著計算機的發展，特別是在巖土工程方面的相關軟件的研究開發，為解決在工程實例中的巖土問題提供了方面實際的計算工具。采用ANSYS數值模擬分析軟件，模擬采空區對上覆巖層移動產生的變形破壞對地表建筑的安全穩定性分析。

ANSYS軟件主要包括3個部分：前處理模塊(Preprocessing)，求解模塊(Solution)和后處理模塊(Postprocessing)[3]。

前處理模塊的主要功能是對實體進行建模并且進行網格的劃分。求解模塊對已經劃分好的網格模型進行加載和求解。通用后處理器POST1和時間歷程處理器POST2是后處理模塊的兩個處理器。POST1的功能是檢查模型在某一載荷和子步的結果；POST2的功能是檢查模型的在指定點的特定結果相對于時間、頻率或者其他結果項的變化。ANSYS分析計算的基本流程如圖2。

圖2 ANSYS分析計算的基本流程

本次模擬將忽略巖體的構造應力，只考慮巖體的自重應力，在計算分析前，首先模擬分析巖體的自重應力場，然后加入各個巖性不同巖體的參數。此方法還應考慮在自重應力場的條件下的初始位移，所以在以后的模擬過程中，所得到位移量包含了初始位移，而實際工程中初始位移是不存在的，對空區的模擬不產生影響，所以，最終的結果都有折減掉巖體的初始位移。

通過以上方法模擬分析，得出模型在原巖應力條件下及開采之后的位移云圖和應力云圖。為了更加直觀的分析所得出的應力、位移云圖數據中的應力位移情況，以剖面中的建筑物位置為中心，繪制半徑為50 m，半徑差為50 m的同心圓。再以地表的一邊為軸，每旋轉30(°)與同心圓周的交點中，選取適當的23個控制點(如圖1所示)，列出如表3的各個控制點的應力、位移圖。

表3 模型1上控制點模擬數據

從表3可以得出：

1)以建筑物地表的沉降判斷采動安全穩定性。根據上面所采集控制點的數據可知，采空區引起的地表建筑物附近地表沉降最大值為15.848 mm，小于民用建筑物的地表允許值，可以判斷地表建筑物是安全穩定的。

2)以地表建筑物的垂直應力判斷采動的安全穩定性。在整個模型的全部控制點所取得的應力，體現為壓應力，且低于所給相應的圍巖巖層的抗拉壓強度，從而可以斷定開采對建筑物的影響是可以忽略的，地表建筑物是安全穩定的。

2 結論

通過對某錳礦山采空區對其上村莊建筑物的安全穩定性分析研究，可以得出在工程實例中面對開采的“三下”問題，提出相應的思路與方法。

1)“三帶理論”可以定性的判斷分析出采空區在地層中所能達到的影響范圍。

2)通過數值模擬的方法計算出的結果，與定性方法相結合，可以有效的分析出采空區對地表建筑物的安全穩定性影響。

綜上所述，在相關的對采空區對地表建筑物影響的研究，理論與試驗相結合，可以達到很好的預期效果。

[1]岳順.隧道圍巖穩定性研究與時間序列建模分析[D].重慶：重慶大學，2009.

[2]何國清，楊倫.礦山開采沉陷學[M].北京：中國礦業大學出版社，1991.

[3]張玉卓.巖層與地表移動計算原理及程序[M].北京：煤炭工業出版社，1993.

[4]劉紅元.采動影響下覆巖破壞過程的虛擬研究[D].沈陽：東北大學，2000.

[5]付士根.采空區對地表建筑物的影響評價方法研究[J].中國安全科學學報，2007(17)：144-145.