鉛鋅礦采空區上覆邊坡穩定性分析及治理

黃舞炎+房佳+周能祥

（福建金東礦業股份有限公司，福建 三明 365000）

摘要：文章闡述了影響鉛鋅礦采空區上覆邊坡穩定性的主要因素，提出了鉛鋅礦上覆邊坡穩定性的分析方法，并在此基礎上對治理鉛鋅礦采空區上覆邊坡穩定性的思路進行論述，期望對確保礦山安全生產有所幫助。

關鍵詞：鉛鋅礦；采空區；邊坡穩定性；礦山安全

中圖分類號：TU457文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）22-0104-031影響鉛鋅礦采空區上覆邊坡穩定性的主要因素

大體上可將影響采空區上覆邊坡穩定性的因素歸納為以下幾個方面：

1.1巖體結構

結構體和結構面是構成巖體結構的兩大基本要素，同時這兩個要素也是反映巖體工程地質特征的主要因素，其不但會對巖體的內在特性有所影響，而且還會影響到巖體本身的物理力學性質及變形破壞過程。由于結構體與結構面能夠決定巖體的結構類型。故此，巖體的穩定性與這兩個方面有著密切關聯，兩者的性質是影響巖體穩定性的關鍵因素。

1.2礦體傾角

由于礦體傾角直接決定了采空區的賦存特征，因此也對頂板和底板巖石的受力狀態以及變形破壞具有一定程度的影響。相關研究結果表明，傾角不同的礦體對采空區地面的影響均不相同，在采空區容積相同的前提下，急傾斜比緩傾斜對地表的破壞作用更大一些，并且極其容易形成垂直剪斷。此外，急傾斜礦體的采空區還很難保持相對穩定，其中的松散體易出現垮落，由此會引起地表沉降，進而引起邊坡失穩。

1.3采空區的規模與形態

采空區規模與形態是影響鉛鋅礦圍巖穩定性的重要因素。具體表現為：若采空區的面積較大，則極易引發垮落事故，造成大范圍的巖移；若相鄰采空區距離較近，則會促使采空區在相互影響下加劇對圍巖穩定性的危害；當地下采空區總量相同時，若被強度足夠的礦柱或無礦帶隔離、分割，則會提高圍巖的穩定性，大幅度減少巖移幅度；矩形采空區的拱角處是圍巖應力的高度集中區，極易出現拱角破壞現象。

1.4采空區的開挖深度

采空區開挖深度的不同，其引起地表巖移的程度也不同。開采深度與各種變形值成反比，隨著開采深度的增加，會減小地表各種移動變形值，擴大地表移動范圍。同時，采空區開挖深度還對地表持續時間有一定影響。當開采深度較小時，地表的下沉速度較大，其移動持續時間較短；當開采深度較大時，地表的下沉速度較小，其移動持續時間較為緩慢。

1.5水文條件

地下水對巖體結構面的阻抗能力有著重要影響。具體表現為：地下水的滲透壓力越大、賦存越豐富，其結構面中的充填物越軟化，導致結構面的抗剪強度越弱。在巖體內裂隙水的動水壓力作用下，會沖刷走結構面中的大量充填物，降低巖體的力學強度，進而嚴重影響巖體的穩定性，最終導致不穩定結構出現滑落現象。

2鉛鋅礦上覆邊坡穩定性的分析方法

在巖土工程中，有限元法是應用最為普遍的一種分析工具，該方法具體是指將一個實際的結構物通過與之近似的物理模型來代替，然后依據相關理論建立方程組，再對方程組進行求解，由此獲得未知的物理物（量），進而獲取與之相關的輔助量值。目前較為常用的有限元法包括位移型、平衡型、混合型等，在這幾種方法中，位移型有限元比較容易在計算機上實現，從而使得求解問題變得更加簡單。在對礦山的巖土工程問題進行研究時，常常會涉及到幾何非線性方面的問題，如巖層移動、不均勻沉陷、采空區頂板下沉規律等，這些問題的實質上就是大位移問題。故此，可以采用有限元法進行分析。

2.1建立分析模型

2.1.1有限元模型的特點。本文中采用的是三維有限元模型，該模型的基本功能如下：可以對三維巖土工程問題進行計算；可以模擬出分步開挖，在這一過程中能夠充分考慮多種因素的影響；能夠考慮材料的屈服準則；可以輸入多種荷載，如地震荷載等；單元種類多；運算速度快、精度高；處理功能強大。

2.1.2計算模型建立。按照某鉛鋅礦采空區的基本形態和特點，并在充分結合巖石力學相關理論的基礎上，建立起了三維有限元模型，該模型的長寬高分別如下：1200m、1000m、800m，模型當中的x方向為沿著礦體的走向，該數值可以取800m，z方向為垂直于礦體走向，可取1000m，y方向則為沿垂直方向，可取1000m。該三維模型底部的所有節點均采用x、y、z三個方向作為約束；由于采空區與地表之間的距離大約在300m左右，加之地應力相對比較復雜，故此，為了便于計算，λ取1.15；采用Drucker-Prager塑性破壞準則對巖體的具體破壞情況進行分析。

2.2邊坡穩定性的有限元分析

為了便于計算分析，決定模擬空區的實體形態，并按照實際模擬結果，對采空區上覆邊坡的穩定性進行分析，具體如下：在采空區不開挖的前提下，模型的整體位移垂直向下，且位移由上向下逐步減小，此時模型當中出現無塑性區域。但是由于本文所研究的鉛鋅礦采空區已經形成狀態。為此，采用計算機進行模擬時，需要將實體轉變為采空區。從模擬結果上看，隨著采空區的開挖，其上盤出現應力集中現象，但并未超出圍巖的極限抗拉強度，同時，開挖引起了新的位移現象，最大位置處的位移接近4mm，此時采空區上盤的安全率超過1.5，表明采空區一般穩定狀態。然而，在增加地震荷載的情況下，采空區上覆邊坡的穩定系數大幅度降低，這表明邊坡為欠穩定狀態。

通過三維有限元分析得出如下結論，本文所研究的鉛鋅礦采空區在正常情況下為穩定狀態，但如果遇到地震激發時，采空區的上覆邊坡會出現不穩定狀態，針對這一情況，可采取如下方法加以治理。

3治理鉛鋅礦采空區上覆邊坡穩定性的思路研究

3.1圍巖崩落處理法

圍巖崩潰處理法是指利用崩落圍巖充填采空區，使其形成緩沖保護墊層，進而有效防止巖石突然冒落造成嚴重危害的一種治理方法。采用這種治理方法能夠及時消除采空區應力過于集中的問題，大幅度減少地壓活動，同時還能夠簡化圍巖的處理工藝，降低采空區的處理成本。圍巖崩落處理法主要包括自然崩落圍巖和強制崩落圍巖兩種方法，自然崩落圍巖法主要適用于圍巖強度低、易崩落的情況，如對采礦的兩盤圍巖和上覆圍巖進行崩落處理，待開采之后對崩落圍巖進行回收；強制崩落適用于地下硐室爆破、淺孔削壁充填、深孔切槽放頂等情況。

3.2充填處理法

充填處理法是指將廢石或濕式充填材料運輸至采空區進行充填密實的一種方法，該方法可以有效限制圍巖移動，消除采空區帶來的隱患。這種處理方法主要適用于圍巖穩固性較差，上部礦體需要保護以及貴重金屬、稀有礦床的開采治理，不僅有利于增強采空區上覆邊坡的穩定性。而且還有利于提高礦石回收率，減小開采對地表生態的影響，避免放頂煤開采引起地表沉陷現象。為此，我國正逐步加大充填處理法的應用力度，力求促使礦山開采實現無公害化、環保化。目前，我國銅官山銅礦已經成功使用巖溶水充填采空區，金嶺鐵礦也采取充填法建成了地下尾礦庫，充填法的推廣應用使得我國許多礦山取消了地表排土場。充填處理法根據充填材料性質的不同，可分為干式充填法和濕式充填法，干式充填法適用于規模不大的中小礦山采空區充填，濕式充填法適用于具體分布狀況不明確的采空區充填。濕式充填法只能通過鉆孔來輸送已加工成流態的物料，而后再在壓力泵的作用下使其進入采空區，這種充填方法有利于流態物料脫水沉積，增強圍巖的穩定性。

3.3封閉、隔離采空區

這種治理方式是將采空區與外界相通的巷道封閉，并且在采空區與作業區之間設置隔離層，再在采空區上部開通“天窗”，使采空區冒落產生的沖擊氣浪可以順利排出地表，從而確保作業區的安全。現階段，封閉、隔離采空區處理法在許多礦山得到了成功應用，有利于保護作業設備、人員、巷道安全完好，防范作業人員誤入采空區。封閉采空區主要包括以下幾個形式，即設置巖石阻波墻、混凝土阻波墻、齒狀阻波墻、緩沖型阻波墻。

3.4聯合處理法

聯合處理法是指針對同一采空區共同實施幾種不同的處理方法，這種處理方法適用于礦體賦存條件復雜、生產狀況多樣的采空區，能夠充分發揮不同單一處理方法的優勢，提高采空區上覆邊坡處理的經濟性和合理性。目前，聯合處理法主要包括礦柱支撐與充填聯合法、封閉隔離與崩落圍巖聯合法。從應用效果來看，聯合處理法擁有良好的應用前景，可根據實際生產情況，靈活選取幾種單一的處理方法，有利于增強處理方法的適用性。

4結語

總而言之，隨著國內鉛鋅礦采空區的不斷增多，為了預防頂板冒落、上覆邊坡失穩等情況的發生，應當對采空區的圍巖及上覆邊坡的穩定性進行分析，并采取相應的方法加以治理，從根本上消除礦山的安全隱患。這對于確保采礦安全和礦山的持續生產具有非常重要的現實意義。

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作者簡介：黃舞炎（1985—），男，廣西藤縣人，福建金東礦業股份有限公司助理工程師，研究方向：礦山開采。

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