基于CMS實測的采空區穩定性分析

陸 剛

（廣西金河礦業股份有限公司拉么鋅礦， 廣西河池市 547000）

基于CMS實測的采空區穩定性分析

陸 剛

（廣西金河礦業股份有限公司拉么鋅礦， 廣西河池市 547000）

為研究西部某礦山井下采空區圍巖穩定性，結合現場CMS空區探測數據及FLAC軟件，建立了空區賦存地質模型，分析了采空區圍巖穩定性，并結合巖體破壞判據判定了空區的穩定性狀況。結果表明，空區的結構尺寸對空區穩定性影響較大，1號空區因頂板平整，最大沉陷位移及最大拉應力均最大；3號空區雖空區體積及暴露面積均大于1號空區，但因頂板成拱形而使得其整體穩定性比1號空區好。

采空區；穩定性分析；數值模擬；CMS

我國西部某礦山以銅礦體為主，采礦方法主要用淺孔留礦法，部分采用中深孔落礦，回采后未對空區進行處理，部分采場空區已與地表塌陷貫通。隨著采動裂隙的擴展，地表塌陷坑范圍繼續發展擴大，嚴重時會造成井下透水事故，甚至造成地表河流的塌陷和斷流，嚴重影響礦山的安全生產。本文基于CMS三維空區探測數據及地表地層數據，運用3DMINE礦業工程軟件及FLAC3D相結合的方式對空區形成過程及穩定性進行模擬計算分析，為礦山空區治理方案設計提供理論依據。

1 數值模擬計算

1.1 模型建立

數值模擬試驗中，計算模型的精確與否在一定程度上決定了模擬結果的可靠性程度。建立精確數值模型的首要前提是獲取空區、地層以及地表等地質單元的數據信息。為此，利用CMS空區探測儀器精確獲取空區的三維空間位置及空區形態，再將數據導入3DMINE軟件中建立地表、地層及空區的三維模型，具體的礦山三維空間模型及數值計算模型見圖1，圖2。

數值計算模型總體尺寸為300m×150m×150 m，由于空區埋深較淺，一中段距地表僅有50m，因此模型上邊界取至地表，四周及下邊界按開采的影響范圍確定。網格劃分時，為使模擬結果更加準確，將采空區及周邊圍巖附近尺寸劃分得較小，外圍網格尺寸較大。采用位移約束的邊界條件約束模型邊界，上邊界為自由邊界，下邊界及四周邊界為全約束，模擬主要載荷為巖體自重應力。

礦體、圍巖的計算力學參數見表1。

圖1 礦山空區及地表模型

圖2 計算區域的地質網格模型

表1 礦巖和圍巖主要物理力學參數

1.2 破壞判據

目前在采礦與巖土工程領域中，巖體破壞判據主要有巖石強度理論及容許極限位移量判據等［1－2］。巖石強度理論常用的有Mohr－Coulomb、Hoek－Brown以及Drucker－Prager破壞準則；容許極限位移量判據是指在采空區不產生有害松動及地表不出現有危害的開采沉陷的條件下，采空區頂板及底板的最大容許下沉量或底鼓量，一般認為：2cm以下的位移對巖體穩定基本不構成影響；2～5cm量級的位移，巖體可以保持穩定性；5～10cm量級的位移，巖體存在潛在穩定問題；＞10cm屬于大變形／位移問題，巖體存在破壞現象，大規模破壞也可能產生。本文通過數值模擬計算采場在開挖后空區周邊圍巖的應力、位移狀況及塑性區分布，綜合以上2種判據對空區穩定性作出評價。

2 空區穩定性計算結果及分析

數值計算的結果分析，可針對空區的關鍵區域，選取最危險截面（一般為采空區的長軸方向和短軸方向）切割剖面，分析空區周邊圍巖移動和應力場分布特性［3］。空區穩定性的影響因素包括空區的暴露面積、體積、埋深、相鄰空區間距等，因此選取一中段的3個采空區來分析空間位置及空區結構尺寸對穩定性的影響。經現場調查及建模計算，1號空區體積4723m3，頂板暴露面積848m2；2號空區體積3354m3，頂板暴露面積728m2；3號空區體積8006 m3，頂板暴露面積960m2。

2.1 位移分析

圖3顯示1～3號采場在礦體開挖后周邊圍巖的位移分布情況。空區頂板的最大沉陷位移隨空區形態、暴露面積的不同而不同。1號空區頂板很平整，成拱作用很弱，不能抑制頂板的沉降，其頂板最大沉陷位移為10.55cm；2號空區有一定的傾斜，空區頂板最大位移出現在具有一定坡度的較低高度頂板上，最大沉陷位移為6.56cm；3號空區暴露面積大，但空區頂板成拱形，能較好地發揮圍巖的自承載能力，致使其雖然空區體積和暴露面積均大于1號空區，但頂板的最大沉陷位移比1號空區小，為7.33 cm。而底板圍巖在礦體開挖后，從三維應力狀態變成二維應力狀態，加之受水平方向的壓縮，導致底板向上隆起，出現向上的位移，其最大值分別為2.24，2.99，4.15cm。

圖3 空區沉陷位移示意

2.2 應力分析

經計算1～3號空區潛在危險截面的最小主應力值和最大主應力值見圖4，圖5。

圖4 空區最小主應力

由圖4可知，在礦體開挖以后，由于空區未進行處理，采空區周邊圍巖的受力狀態由三維受力轉化為二維受力，使得頂板巖層承載的部分應力轉移到兩幫圍巖中形成壓力增大區域，在兩幫圍巖中出現壓應力集中現象［4］。但由于3個空區的埋深均較小，其兩幫圍巖中的最大壓應力值分別為6.92，8.29，10.75MPa，遠小于巖體的抗壓強度，但在井下爆破震動等因素的強烈擾動下，仍有可能發生破壞造成圍巖跨落［5］。

圖5 空區最大主應力

圖5顯示，礦體開挖后頂板直接懸空，頂板巖層的部分自重應力轉移到兩幫圍巖中，空區頂板出現減壓區，發生類似彈性恢復的膨脹變形［8］，使得頂板中易出現拉應力區域。1號空區頂板由于很平整，沒能很好發揮圍巖的自承載作用，頂板出現拉應力區域，拉應力最大值出現在頂板中心位置，為0.25 MPa；2號空區由于呈傾斜狀，其最大拉應力出現在位置較高的頂板，為0.12MPa；3號空區由于頂板成拱作用強，頂板的自重應力轉移較小，很好地發揮了頂板圍巖的自支撐作用，在頂板中未出現拉應力區［4］。雖然空區所受拉應力最大值均小于巖體的抗拉強度，但在出現拉應力的區域，隨采掘車輛的運輸、設備的加載作用以及爆破震動等因素的影響，容易發生頂板巖層離層，甚至坍塌［2］。

2.3 空區穩定性判定

基于以上分析，并結合巖石破壞判據，1～3號空區最大壓應力及最大拉應力值均在巖體的可承受范圍內；根據容許極限位移量判據，1號空區頂板最大位移＞10cm，屬于大變形問題，巖體存在破壞現象，大規模破壞也可能產生；2、3號空區頂板最大沉陷值在5～10cm范圍內，巖體存在潛在穩定問題。因此，需立即采取措施處理1號空區，2、3號空區則應加強監控，并在發生險情的第一時間對其進行加固處理。

3 結 論

（1）借助CMS三維空區探測儀器獲得采空區的精確掃描數據，構建了精確的采空區三維計算模型。

（2）運用FLAC3D軟件對采空區的穩定性進行了分析計算，得出各采空區的沉降位移和最大拉應力、壓應力值，結果表明，空區的結構尺寸對空區穩定性影響較大，頂板具有成拱作用的空區穩定性比頂板平整的空區穩定性好。

（3）結合巖體破壞判據，評定1號空區為危險空區，2、3號空區穩定性稍好，為研究采空區的綜合治理方案提供了指導。

［1］桂惠中.地下洞室圍巖穩定及錨固分析［D］.武漢：武漢大學，2005.

［2］劉培慧.基于應力邊界法厚大礦體采場結構參數數值模擬優化研究［D］.長沙：中南大學，2009.

［3］吳亞斌.基于CMS實測的采空區群穩定性數值模擬研究［D］.長沙：中南大學，2007.

［4］謝文兵，陳曉祥，鄭百生.采礦工程問題數值模擬研究與分析［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2005.

［5］劉科偉，李夕兵，宮風強，等.基于CALS及Surpac.FLAC3D耦合技術的復雜空區穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（9）：1924－1931.

2011－09－15）

陸 剛（1975－），男，廣西南丹人，助理工程師，主要從事地下采礦工程技術及礦山管理工作。