采空區穩定性論證

陳建平

（福建省潘洛鐵礦有限責任公司， 福建漳平市 364405）

采空區穩定性論證

陳建平

（福建省潘洛鐵礦有限責任公司， 福建漳平市 364405）

潘洛鐵礦經過多年開采后，在井下形成了多個大小不等、形態復雜的采空區。通過對采空區的現場調查、礦巖取樣及圍巖節理裂隙的綜合分析，對現有空區的穩定性進行了論證，為后期礦塊采礦設計的礦柱留設、礦房跨度及空區頂板暴露面積的確定提供了參考依據。

采空區；現場調查；巖體分級；穩定性分析

1 礦井概況

福建省潘洛鐵礦有限責任公司始建于1958年，早期為露天開采，1993年隨著1＃、3＃主礦體露天開采完畢，逐步由露天開采轉向地下開采，目前已形成坑內開采和淺部小礦體兩大開采系統。全礦設計采礦生產能力為45萬t／a，其中坑采系統生產系統為25萬t／a，淺部小礦體系統為20萬t／a。礦區內鐵礦體主要賦存在船山組底部的矽卡巖中，部分小礦體賦存于花崗巖邊部的矽卡巖中，其余均賦存于統林組碎屑巖與船山組灰巖之間的層間斷裂中?？硬上到y主要開采4－14線間的131＃、23＃、122＃、2＃等礦體，這4個主礦體儲量均達百萬噸。該系統一期設計有＋130，＋100m兩個中段，開采地質儲量為514萬t，可采儲量為317萬t；二期設計有＋70，＋40m兩個中段，開采地質儲量為589.6萬t，可采儲量為442.8萬t。目前＋130m中段的開采已結束并作為回風水平，現井下生產主要在＋70m中段，在＋100m中段進行殘采，在＋40m中段主要進行采準作業，局部礦塊回采作業。

坑采系統采用豎井開拓，采用留礦全面法、點柱淺眼留礦法和水平進路房柱法開采，礦塊結構參數為階段垂高30m、礦塊走向長50m、礦塊寬為礦體寬度，若礦塊寬度較大，則在采場中間留設8m×8 m的礦柱。主要開采2＃、23＃、122＃和131＃主礦體及其周邊小礦體，目前已開采形成＋130，＋100，＋70 m和＋40m五個中段。多年的空場法開采形成多個大小不等、形態復雜的采空區，隨著開采中段的下降，采空區體積在不斷增加，地壓活動明顯，采空區穩定性狀況令人堪憂。因此公司與長沙礦山研究院合作，對公司坑采礦井開展了采空區穩定性認證。

2 現場調查

2.1 采空區現狀調查

潘洛鐵礦洛陽礦區南礦段位于礦區西部，已探明有礦體142個，其中主采礦體有4個，即2＃、23＃、122＃和131＃，其規模較大，含礦性較好，是礦山開采的主要對象，也是采空區最集中的區域。采空區的形狀與礦體相似，總體上近東西向展布，走向多為北東—南東，傾向北東。根據采空區和礦體的分布特點，將井下采空區的集中區域劃分為2＃采空區、23＃采空區、122＃采空區和131＃采空區，各采空區因礦脈的不連續性，總體特點為采空區個數多，相互不連續，形態復雜，單個采空區的規模不大，根據開采礦量估計和現場調查統計，南礦段采空區總體積約為65.8m3。較大采空區的調查與統計結果，見表1。

2.2 礦巖取樣及試驗測試

針對礦山實際情況，在現場采取了礦巖、花崗斑巖、大理巖和矽卡巖4種巖樣，按照試驗要求對巖樣進行二次加工和容重、單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比及單軸抗壓強度參數測試。測試結果見表2。

3 工程地質調查與巖體工程分類

3.1 工程地質調查

潘洛鐵礦礦體個數多，礦體連續性差、形態復雜，圍巖種類較多，變化復雜。為查明開采區域的巖體工程地質條件，對＋130，＋100，＋70m中段揭露的礦巖體進行工程地質調查和巖體質量分類。共對12點范圍內的147條節理進行節理、裂隙的產狀、規模、密度、形態、地下水狀況等進行了詳細的現場調查，再通過體積節理密度換算成RQD指標。節理調查統計結果見表3。

表1 坑采系統體積較大采空區的調查與統計

表2 礦巖力學參數試驗結果

表3 現場節理調查統計結果

3.2 巖體工程分類

要進行合理的巖體質量分級，選擇適合的巖體分級方法至關重要。本次論證采用了RQD值分級、RMR分級、Q系統分級3種分級方法。

本次節理統計換算RQD指標時，采用Palmstrom給出的體積節理數Jv與體積RQD之間的相關關系計算：RQD＝115－3.3Jv，計算結果見表3。RMR分級結果見表4。

Q系統分級結果表見表5。

3.3 巖體分類變化范圍

根據現場節理調查統計結果得出的巖體RQD值、RMR值和Q值的變化范圍見表6。

4 采空區穩定性計算與分析

采用Barton“當量尺寸”極限跨度分析法從頂板允許跨度、允許暴露面積兩個方面計算分析采空區頂板的穩定性。

表4 RMR分級結果

表5 Q系統分級結果

為了把巖體質量Q指標與開挖體的支護要求聯系起來，Barton定義了一個附加參數，稱為開挖體的“當量尺寸”（等效直徑）De。這個參數是將開挖體的跨度、直徑或側幫高度除以開挖體的“支護比”（ESR），即：

開挖體不支護而能保持穩定的當量尺寸De與巖體質量指標Q有關，關系如圖1所示。

開挖體支護比與開挖體的用途和它所允許的不穩定程度有關。對于ESR，Barton（1976）建議采用表7數據。

表6 不同巖組的巖體分類范圍

圖1 無支護地下開挖體最大當量尺寸De與質量指標Q的關系

表7 不同開挖工程類別的ESR建議值

開挖體的最大無支護跨度SPAN與“當量尺寸”（等效直徑）De和開挖比（ESR）的關系如下式：

ESR為開挖體的“支護比”，根據礦巖的Q分類結果，由圖1可以查出，礦巖、花崗斑巖、大理巖及矽卡巖巖體中，開挖體不支護的最大當量尺寸De分別為6.6，6.1，6.2，6.4m。當礦山巷道作為礦山永久性工程時，取ESR＝1.6；當老空區及巷道只作為礦山一臨時構筑物時，取ESR＝3～5。由上述關系可計算出4種巖體條件下的最大無支護跨度SPAN，見表8。

采空區作為臨時構筑物，其無支護跨度的值取開挖體支護比為3～5時的計算結果。

5 結 語

根據礦井調查、礦巖取樣試驗、工程地質調查、巖體工程分類、采空區穩定性理論計算與分析可得出如下結論：

表8 無支護的最大跨度SPAN計算結果

（1）2＃礦體、122＃礦體、131＃礦體及其它礦體頂板或上盤巖層的巖性主要為矽卡巖，根據表8的計算結果可知，采空區頂板最大無支護跨度為28.5 m，在該跨度范圍內，采空區頂板巖層能保持穩定，建議采場最大允許暴露面積為1600m2；

（2）23＃礦體及其它礦體頂板或上盤巖層的巖性主要為花崗斑巖，根據表8的計算結果可知，采空區頂板最大無支護跨度為26.5m，在該跨度范圍內，采空區頂板巖層能保持穩定，建議采場最大允許暴露面積為900m2；

（3）根據論證結果，＋100m東7＃礦塊、＋100 m23＃礦塊、＋100m西7＃礦塊、＋70m西2＃礦塊的4個采空區跨度局部超寬，頂板及上盤巖層暴露面積過大，頂板塑性破壞區較大，頂板較不穩定，需采取必要措施進行處理。

［1］張 理，龔 囪，趙 奎.工程巖體分類評價方法綜述［J］.有色金屬科學與工程，2010，1（1）：91－95.

［2］GB50218－94.工程巖體分級標準［S］.

2011－12－22）

陳建平（1972－），男，福建漳平人，工程師，主要從事井下開采現場生產、安全的技術及管理工作，Email：chenjienpin＠126.com。