采空區穩定性分析及安全性判定

何林松

（湖南省郴州市桂陽縣煤炭局， 湖南桂陽縣 424400）

采空區穩定性分析及安全性判定

何林松

（湖南省郴州市桂陽縣煤炭局， 湖南桂陽縣 424400）

為掌握某礦山井下采空區的安全性狀況，在前期現場空區探測的基礎上，建立了空區賦存地質模型，對采空區的穩定性進行了分析，得到了礦體開挖后采空區周邊圍巖中的應力、位移分布情況，并結合容許極限位移量破壞判據對采空區的安全性進行了判定。結果表明：礦山現有的80個空區中，有39個空區存在破壞現象，甚至出現大規模的破壞誘發地表塌陷范圍的繼續擴大。

采空區；空區探測；數值模擬；安全性判定；穩定性分析

西部某礦山礦床主要為銅礦體，采礦方法主要為淺孔留礦法，經過幾年的回采，在井下5個中段均形成了大量的未處理采空區，部分采空區已經坍塌，并且在地表出現了大面積的塌陷坑。隨著回采工作的進一步推進，如不處理井下的采空區，在爆破、運輸等井下生產擾動影響下，采動裂隙將繼續發展，地表的塌陷范圍勢必進一步擴大，嚴重時甚至造成附近河流斷流和透水事故，已嚴重影響礦山及周邊居民的安全、生產。因此，開展地下采空區圍巖穩定性的安全評價研究顯得尤為重要。

本文結合我國西部某礦山的井下開采現狀，通過CMS三維空區探測獲得了空區賦存的實際形態，并結合相關的地表地層數據，建立了地下采空區及地表地層的三維模型，運用三維有限元軟件進行空區穩定性分析和安全性判定，為礦山井下采空區的治理方案設計提供理論依據。

1 數值模擬計算

1.1 數值模型及參數選取

結合礦山生產的實際情況，對井下5個中段現有的80個空區進行CMS三維空區探測，將實測數據以及地表地層數據導入三維建模軟件中建立的三維空間模型。

模型四周及下邊界按照開采的影響范圍確定，上邊界為地表，總體尺寸為1260m×1060m×600 m，模擬的主要載荷為巖體自重應力。數值模擬計算選取的礦體、圍巖力學參數見表1。

1.2 數值模擬計算結果及分析

1.2.1 空區位移分析

表1 礦巖力學參數

根據數值模擬結果，各空區頂板的最大沉陷位移如圖1所示，其中73＃空區在礦體開挖后周邊圍巖的位移場分布見圖2。由圖1、圖2可知，在空場法開采礦體后，由于未對采空區進行及時處理，采空區的形成擾動了地質體的外部環境，原巖中的初始地應力重新分布轉移，空區周邊圍巖及地表巖土層以采空區為導向空間，發生了指向采空區的巖體移動，導致空區頂板在自重及上覆巖層的作用下產生連續的移動和變形，且各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。

圖1 各空區頂板最大沉降位移

圖2 73?？諈^最大沉降位移

計算結果表明，在現有的80個采空區中，沉陷位移大于10cm的空區有39個，沉陷位移為5～10 cm的有29個，沉降位移小于5cm的空區有12個，其中沉陷位移小于10cm的空區主要為采空區體積、頂板暴露面積相對較小、頂板形態為拱形或埋深較小的空區。

1.2.2 空區應力分析

圖3、圖4是現有空區條件下，各空區潛在危險截面的最小主應力、最大主應力統計圖。從圖3可看出，礦體開挖后形成的采礦空間對礦房頂底柱及礦柱的應力環境改變較大，且由于各空區賦存的實際空間位置、空區形態及開挖后的應力場分布等條件不同，各空區的最小主應力值分布較散亂，少數空區最小主應力為正值，表明在空區周邊圍巖中存在拉應力區，但最大值均在0.5MPa以下。由圖4可知，采空區的存在使得空區周邊礦柱中出現壓應力集中，最大值達13.65MPa。

圖3 各空區最小主應力示意

圖4 各空區最大主應力

圖5、圖6是73?？諈^的礦體開挖后周邊的應力場分布情況。由圖可知，由于采用空場法開采礦體后未采取相關措施控制頂底板及周邊圍巖的巖體移動，采空區直接懸空頂板的部分自重應力傳遞到周邊未采動的巖體，使得頂板發生類似彈性恢復那樣的膨脹變形，在頂板巖層形成減壓區，造成頂板出現拉應力區，而兩幫圍巖由于受頂板傳遞的上覆巖體自重應力形成增壓區，使得礦柱中存在明顯的壓力集中，其最大拉應力、最大壓應力值分別為0.5，10.9MPa。

圖5 73?？諈^最小主應力

圖6 73?？諈^最大主應力

2 采空區安全性判定

采礦與巖土工程領域中的巖體破壞判據主要有巖石強度理論及容許極限位移量破壞判據等。根據數值模擬計算結果，采空區周邊圍巖中的最大壓應力及最大拉應力值均在巖體的極限強度范圍內，而采場頂板的位移量較大，因此采用容許極限位移量破壞判據對采空區的安全性進行判定。

容許極限位移量是指在采場硐室不產生有害松動以及地表不出現有危害的開采沉陷的條件下，從采場開挖到變形穩定為止，采場圍巖頂板或底板最大容許的下沉量或底臌量。根據礦山地下采場大跨度開挖不支護或零時支護條件下的實際經驗，運用容許極限位移量破壞判據對該礦山井下80個空區的安全性進行判定，位移量及其空區安全性狀況見表2。對于頂板沉陷位移大于10cm的空區，應立即處理；下沉位移為5～10cm的空區，若要繼續使用，必須進行加固處理；下沉位移小于5cm的空區，應加強監控，并在發生險情的第一時間對其進行加固處理。

表2 采空區安全性判定結果

3 結 論

（1）結合現場CMS三維空區探測及地表地層數據建立了精確的三維地質模型，應用有限元軟件分析了采空區周邊圍巖的應力場、位移場分布，獲得了各空區礦體開挖后頂板最大沉陷位移及周邊圍巖的最大拉應力、最大壓應力值。

（2）應用容許極限位移量破壞判據，判定了采空區的安全性狀況，為后續的采空區綜合治理方案研究提供了理論依據和指導。

（3）采空區安全性判定結果表明，有39個空區頂板最大下沉位移大于10cm，巖體中存在破壞現象，且有可能產生大規模破壞，甚至造成地表塌陷范圍的繼續擴大，需立即進行處理。

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2012－02－20）

何林松（1982－），男，湖南桂陽人，助理工程師，主要從事礦山安全管理工作。