采空區(qū)穩(wěn)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(qū)穩(wěn)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(qū)的安全性狀況，在前期現(xiàn)場(chǎng)空區(qū)探測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了空區(qū)賦存地質(zhì)模型，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了礦體開挖后采空區(qū)周邊圍巖中的應(yīng)力、位移分布情況，并結(jié)合容許極限位移量破壞判據(jù)對(duì)采空區(qū)的安全性進(jìn)行了判定。結(jié)果表明：礦山現(xiàn)有的80個(gè)空區(qū)中，有39個(gè)空區(qū)存在破壞現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)大規(guī)模的破壞誘發(fā)地表塌陷范圍的繼續(xù)擴(kuò)大。

采空區(qū)；空區(qū)探測(cè)；數(shù)值模擬；安全性判定；穩(wěn)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(jīng)過幾年的回采，在井下5個(gè)中段均形成了大量的未處理采空區(qū)，部分采空區(qū)已經(jīng)坍塌，并且在地表出現(xiàn)了大面積的塌陷坑。隨著回采工作的進(jìn)一步推進(jìn)，如不處理井下的采空區(qū)，在爆破、運(yùn)輸?shù)染律a(chǎn)擾動(dòng)影響下，采動(dòng)裂隙將繼續(xù)發(fā)展，地表的塌陷范圍勢(shì)必進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)甚至造成附近河流斷流和透水事故，已嚴(yán)重影響礦山及周邊居民的安全、生產(chǎn)。因此，開展地下采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的安全評(píng)價(jià)研究顯得尤為重要。

本文結(jié)合我國(guó)西部某礦山的井下開采現(xiàn)狀，通過CMS三維空區(qū)探測(cè)獲得了空區(qū)賦存的實(shí)際形態(tài)，并結(jié)合相關(guān)的地表地層數(shù)據(jù)，建立了地下采空區(qū)及地表地層的三維模型，運(yùn)用三維有限元軟件進(jìn)行空區(qū)穩(wěn)定性分析和安全性判定，為礦山井下采空區(qū)的治理方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 數(shù)值模型及參數(shù)選取

結(jié)合礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況，對(duì)井下5個(gè)中段現(xiàn)有的80個(gè)空區(qū)進(jìn)行CMS三維空區(qū)探測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及地表地層數(shù)據(jù)導(dǎo)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(yīng)力。數(shù)值模擬計(jì)算選取的礦體、圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

1.2.1 空區(qū)位移分析

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，各空區(qū)頂板的最大沉陷位移如圖1所示，其中73＃空區(qū)在礦體開挖后周邊圍巖的位移場(chǎng)分布見圖2。由圖1、圖2可知，在空?qǐng)龇ㄩ_采礦體后，由于未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)處理，采空區(qū)的形成擾動(dòng)了地質(zhì)體的外部環(huán)境，原巖中的初始地應(yīng)力重新分布轉(zhuǎn)移，空區(qū)周邊圍巖及地表巖土層以采空區(qū)為導(dǎo)向空間，發(fā)生了指向采空區(qū)的巖體移動(dòng)，導(dǎo)致空區(qū)頂板在自重及上覆巖層的作用下產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)和變形，且各空區(qū)頂板的最大沉陷位移隨空區(qū)形態(tài)、暴露面積的不同而不同。

圖1 各空區(qū)頂板最大沉降位移

圖2 73?？諈^(qū)最大沉降位移

計(jì)算結(jié)果表明，在現(xiàn)有的80個(gè)采空區(qū)中，沉陷位移大于10cm的空區(qū)有39個(gè)，沉陷位移為5～10 cm的有29個(gè)，沉降位移小于5cm的空區(qū)有12個(gè)，其中沉陷位移小于10cm的空區(qū)主要為采空區(qū)體積、頂板暴露面積相對(duì)較小、頂板形態(tài)為拱形或埋深較小的空區(qū)。

1.2.2 空區(qū)應(yīng)力分析

圖3、圖4是現(xiàn)有空區(qū)條件下，各空區(qū)潛在危險(xiǎn)截面的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖。從圖3可看出，礦體開挖后形成的采礦空間對(duì)礦房頂?shù)字暗V柱的應(yīng)力環(huán)境改變較大，且由于各空區(qū)賦存的實(shí)際空間位置、空區(qū)形態(tài)及開挖后的應(yīng)力場(chǎng)分布等條件不同，各空區(qū)的最小主應(yīng)力值分布較散亂，少數(shù)空區(qū)最小主應(yīng)力為正值，表明在空區(qū)周邊圍巖中存在拉應(yīng)力區(qū)，但最大值均在0.5MPa以下。由圖4可知，采空區(qū)的存在使得空區(qū)周邊礦柱中出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大值達(dá)13.65MPa。

圖3 各空區(qū)最小主應(yīng)力示意

圖4 各空區(qū)最大主應(yīng)力

圖5、圖6是73?？諈^(qū)的礦體開挖后周邊的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。由圖可知，由于采用空?qǐng)龇ㄩ_采礦體后未采取相關(guān)措施控制頂?shù)装寮爸苓厙鷰r的巖體移動(dòng)，采空區(qū)直接懸空頂板的部分自重應(yīng)力傳遞到周邊未采動(dòng)的巖體，使得頂板發(fā)生類似彈性恢復(fù)那樣的膨脹變形，在頂板巖層形成減壓區(qū)，造成頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，而兩幫圍巖由于受頂板傳遞的上覆巖體自重應(yīng)力形成增壓區(qū)，使得礦柱中存在明顯的壓力集中，其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力值分別為0.5，10.9MPa。

圖5 73?？諈^(qū)最小主應(yīng)力

圖6 73?？諈^(qū)最大主應(yīng)力

2 采空區(qū)安全性判定

采礦與巖土工程領(lǐng)域中的巖體破壞判據(jù)主要有巖石強(qiáng)度理論及容許極限位移量破壞判據(jù)等。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采空區(qū)周邊圍巖中的最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力值均在巖體的極限強(qiáng)度范圍內(nèi)，而采場(chǎng)頂板的位移量較大，因此采用容許極限位移量破壞判據(jù)對(duì)采空區(qū)的安全性進(jìn)行判定。

容許極限位移量是指在采場(chǎng)硐室不產(chǎn)生有害松動(dòng)以及地表不出現(xiàn)有危害的開采沉陷的條件下，從采場(chǎng)開挖到變形穩(wěn)定為止，采場(chǎng)圍巖頂板或底板最大容許的下沉量或底臌量。根據(jù)礦山地下采場(chǎng)大跨度開挖不支護(hù)或零時(shí)支護(hù)條件下的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用容許極限位移量破壞判據(jù)對(duì)該礦山井下80個(gè)空區(qū)的安全性進(jìn)行判定，位移量及其空區(qū)安全性狀況見表2。對(duì)于頂板沉陷位移大于10cm的空區(qū)，應(yīng)立即處理；下沉位移為5～10cm的空區(qū)，若要繼續(xù)使用，必須進(jìn)行加固處理；下沉位移小于5cm的空區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，并在發(fā)生險(xiǎn)情的第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行加固處理。

表2 采空區(qū)安全性判定結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)CMS三維空區(qū)探測(cè)及地表地層數(shù)據(jù)建立了精確的三維地質(zhì)模型，應(yīng)用有限元軟件分析了采空區(qū)周邊圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布，獲得了各空區(qū)礦體開挖后頂板最大沉陷位移及周邊圍巖的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力值。

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

（3）采空區(qū)安全性判定結(jié)果表明，有39個(gè)空區(qū)頂板最大下沉位移大于10cm，巖體中存在破壞現(xiàn)象，且有可能產(chǎn)生大規(guī)模破壞，甚至造成地表塌陷范圍的繼續(xù)擴(kuò)大，需立即進(jìn)行處理。

［1］石志純，趙國(guó)彥，李發(fā)本.地下復(fù)雜采空區(qū)的探測(cè)［J］.采礦技術(shù)，2005，5（4）：103－104，120.

［2］寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于CMS及DIMINE－FLAC3D耦合技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)［J］.礦業(yè)工程研究，2010，25（1）：31－35.

［3］陸 剛.基于CMS實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.采礦技術(shù)，2012，12（1）：57－59.

［4］周科平，杜相會(huì).基于3DMINE－MIDAS－FLAC3D耦合的殘礦回采穩(wěn)定性研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21（5）：17－22.

［5］謝文兵，陳曉祥，鄭百生.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［6］張曉君.影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素敏感性分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（1）：14－16.

［7］趙 奎，饒運(yùn)章，蔡美峰.采空區(qū)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2002，22（4）：21－23.

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。