基于Mathews法與Midas/GTS的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

段旦 ,陳德勇 ,華治東,樊繼棟,包中林,吳鴻飛,蔣斌

(1.正元國際礦業(yè)有限公司,北京 101300;2.阿勒泰正元國際礦業(yè)有限公司,新疆 哈巴河縣 836700)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采,必然會遺留大量采空區(qū),而遺留的大規(guī)模采空區(qū)不僅會影響圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)[1],造成周巖失穩(wěn)破壞,甚至?xí)?dǎo)致地表沉降,極大地危害礦山生產(chǎn)安全與礦山周邊的生態(tài)環(huán)境[2-3]。新疆哈巴河縣托庫孜巴依金礦目前開采深度為＋645 m 至＋154 m,開采規(guī)模為6萬t/a。該礦經(jīng)過長期的淺孔留礦法開采,中部三中段和四中段形成了大小不一的20多個采空區(qū),體積達(dá)16萬m3。隨著時間的推移,地壓逐步釋放,采空區(qū)穩(wěn)定性逐步降低,安全隱患非常突出,給礦山深部開采和淺部殘礦回收帶來了巨大困難。因此,對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價分析是礦山目前的重要工作。

在采空區(qū)穩(wěn)定性評價方面,唐碩等[4]將綜合集成賦權(quán)法與模糊元理論相結(jié)合,建立了采空區(qū)穩(wěn)定性評價模型。羅周全等[5]利用Midas軟件建立采空區(qū)模型,利用FLAC3D 分析了采空區(qū)群的穩(wěn)定性。謝偉等[6]利用Mathews圖評價采空區(qū)穩(wěn)定性。宮鳳強等[7]基于未確知測度理論評價采空區(qū)的危險性。Mathews法在工程應(yīng)用中有較強實用性,但作為一種經(jīng)驗方法,不夠嚴(yán)密,且具有一定的局限性[8-9]。因此,本文將利用Mathews圖法與Midas/GTS數(shù)值模擬相結(jié)合來分析礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性。

1 采空區(qū)調(diào)查

1.1 采空區(qū)調(diào)查方法

采空區(qū)底部存在大量無法鏟出的礦巖,先根據(jù)礦山資料估算采空區(qū)的體積。待采空區(qū)與出礦巷道內(nèi)的存窿礦清理完畢后,用采空區(qū)掃描儀對采空區(qū)進(jìn)行精確探測,并對探測結(jié)果進(jìn)行修改完善。

1.2 采空區(qū)調(diào)查結(jié)果

本次采空區(qū)調(diào)查范圍為三中段和四中段,主要采集采空區(qū)位置、體積和形狀等信息。

(1)四中段主要存在19個采空區(qū),采空區(qū)體積共12.13萬m3,采空區(qū)的編號分別為401、402、402下、403、403下、405、406、407、408、409、409-2、411、412、413、415、417、418、419、420。

(2)三中段主要存在8 個采空區(qū),采空區(qū)體積共3.85 萬m3,采空區(qū)的編號分別為301、302-1、302-2、303、305、306、307、308。

(3)目前部分采空區(qū)和出礦巷道內(nèi)仍留有大量的存窿礦(見圖1),具有較高的回收利用價值,在采空區(qū)充填治理之前需考慮進(jìn)行回收。

圖1 采空區(qū)現(xiàn)狀

2 基于Mathews法的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

現(xiàn)在最常用的Mathews圖解法為謝偉、Potvin等[6,10]調(diào)整了穩(wěn)定性值N之后的Mathews圖解法,如圖2所示。Mathews法認(rèn)為,采空區(qū)穩(wěn)定性主要取決于巖體穩(wěn)定性指數(shù)(N)與采場暴露面形狀系數(shù)(S)。

圖2 修改的Mathews

巖體穩(wěn)定性指數(shù)N的計算式為:

式中,Q為修正的NGI巖體質(zhì)量指數(shù);A為巖石應(yīng)力系數(shù);B為節(jié)理方位修正系數(shù);C為重力調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)Mathews穩(wěn)定性圖(見圖2),由N值和S值即可判斷出巖體的穩(wěn)定性。

2.1 巖體質(zhì)量參數(shù)計算

礦區(qū)主要節(jié)理有 189°∠81°、222°∠84°、115°∠15°、168°∠30°。礦體附近節(jié)理、裂隙發(fā)育,多為充填式,裂隙寬度一般為1～3mm,個別為0.5～1cm,裂面多為硅質(zhì)、泥鈣質(zhì)物。礦區(qū)內(nèi)礦體頂?shù)装鍑鷰r主要為絹云母石英片巖,巖石質(zhì)量等級總體達(dá)到Ⅱ等,巖石質(zhì)量較好,巖體較完整;礦石質(zhì)量等級以Ⅲ等為主,巖石質(zhì)量中等,巖體中等完整,巖體質(zhì)量指標(biāo)計算參數(shù)見表1。

表1 巖體質(zhì)量指標(biāo)的計算參數(shù)

巖體質(zhì)量指數(shù)Q的計算公式如下:

式中,RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù);Ja為節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為節(jié)理水折減系數(shù);Sf為應(yīng)力折減系數(shù)。三中段頂板、四中段頂板巖體質(zhì)量參數(shù)的計算結(jié)果見表2。

表2 三中段頂板、四中段頂板巖體質(zhì)量參數(shù)的計算結(jié)果

2.2 巖石應(yīng)力系數(shù)A 值計算

A值的設(shè)置主要是考慮高地應(yīng)力會降低巖石穩(wěn)定性,其數(shù)值大小與σc/σi成線性關(guān)系,σc為完整巖石的單軸抗壓強度,σi為平行于采場暴露面方向的采礦誘導(dǎo)應(yīng)力,由于采空區(qū)暴露面較陡,取為暴露面上方巖體自重應(yīng)力。礦區(qū)地表標(biāo)高＋645 m,礦體賦礦標(biāo)高＋645～＋313 m,控制最大斜深330 m,最大垂深310 m,巖石密度一般為2.70 g/cm3,經(jīng)計算不同中段采空區(qū)上方巖體自重應(yīng)力約3.453 MPa、4.515 MPa,再根據(jù)采空區(qū)上方巖石單軸抗壓強度,可得σc/σi>10,取巖石應(yīng)力系數(shù)A為1。

2.3 節(jié)理方位修正系數(shù)B 值計算

采場垂直礦體走向布置,由于礦體走向和傾角變化較小,采空區(qū)暴露面方位按平均走向90°,傾角70°考慮,節(jié)理面115°∠15°與采空區(qū)上盤暴露面夾角的最小值為73°,根據(jù)圖3,節(jié)理方位修正系數(shù)B取值為0.88。

圖3 節(jié)理方位系數(shù)B 的圖解

2.4 重力調(diào)整系數(shù)C 值和穩(wěn)定性指數(shù)N

重力調(diào)整系數(shù)的作用是考慮重力對采場暴露表面崩落、滑落等穩(wěn)定性的影響。由于采場暴露面傾角按70°考慮,故C=8－(6×cos70°)=5.948。

根據(jù)式(1)及各參數(shù)計算結(jié)果可得出穩(wěn)定性指數(shù)N,結(jié)果見表2。

2.5 形狀系數(shù)S

形狀系數(shù)S定義為暴露面面積與暴露面周長之比,計算公式為:

根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)N和Mathews圖,可以得出各采空區(qū)容許形狀系數(shù)。由式(3)計算得到的各采場實際形狀系數(shù),結(jié)果見表3。當(dāng)容許形狀系數(shù)小于實際形狀系數(shù)時,判定為不穩(wěn)定,反之為穩(wěn)定。

表3 形狀系數(shù)計算結(jié)果

由表3可初步認(rèn)為采空區(qū)401、402下、403下、405、406、407、408、409、411、302-2、303 等不穩(wěn)定,在礦山生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行充填處理,以保證礦區(qū)的整體安全穩(wěn)定性。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立及計算參數(shù)確定

為全面、客觀地反映礦區(qū)應(yīng)力情況,研究采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性及殘礦回采過程巖體穩(wěn)定性,考慮礦體及圍巖分布特點,并綜合考慮一定邊界效應(yīng),建立三維模型。研究范圍為上部三中段和四中段的采空區(qū)。模型尺寸為X×Y×Z=600 m×200 m×500 m。模型由247 223 個節(jié)點組成,單元尺寸為10 m×10 m×10 m,次級單元尺寸為5 m×5 m×5 m。計算采用摩爾庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則,巖體力學(xué)參數(shù)見表4。模型初始平衡后的總體開挖順序為:首先自上而下開挖采空區(qū)內(nèi)礦體,再對采空區(qū)按照設(shè)計順序進(jìn)行充填,最后按照設(shè)計回采順序進(jìn)行礦柱回采。開挖后整體模型如圖4所示。

表4 巖體力學(xué)參數(shù)

圖4 整體模型

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

采空區(qū)充填前后的應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5可以看出,在充填前,部分采空區(qū)頂?shù)字㈤g柱出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力達(dá)到4.98 MPa左右。在充填前,只有礦柱支撐頂柱,形成類似框架梁的力學(xué)結(jié)構(gòu),受地壓作用,采空區(qū)頂板中部和間柱出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。采空區(qū)充填后,充填體和礦柱同時支撐頂板,從而改善了頂柱間柱的應(yīng)力集中情況。但是充填體的強度和剛度均不及礦柱,所以充填體內(nèi)形成一定的低應(yīng)力區(qū)。

圖5 采空區(qū)充填前后周邊巖體最大、最小主應(yīng)力分布情況

3.2.2 位移分析

開挖后采空區(qū)模型豎向位移情況見圖6。從圖6可以看出,礦體開挖后,地表豎向位移或變形略有增加,最大約11.3 mm。采空區(qū)頂板產(chǎn)生向下的豎向位移,最大約7.0 mm;底板產(chǎn)生向上的豎向位移或變形,最大約2.1 mm;上盤圍巖向采空區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生位移,最大約2.8 mm。同時,采空區(qū)上部覆巖的移動符合“三帶”理論,即從下往上依次為垮落帶、斷裂帶和整體彎曲帶,采空區(qū)上部地表變形最大[11]。由于圍巖移動角的存在,采空區(qū)上部移動呈現(xiàn)“下半球”形狀。采空區(qū)周邊位移量較小,但是范圍大,疊加至地表后造成地表移動量最大。采空區(qū)充填后,位移分布呈以空區(qū)為中心的“上半橢球狀”,越往外越小,近地表位移為0。頂柱豎向位移的集中突出情況有所緩解,整個礦體區(qū)域沒有出現(xiàn)豎向位移的突出或集中情況。這是因為圍巖移動受到充填體限制,移動量大大減少,無法疊加至地表并被覆巖或土層“消化”[12]。

圖6 礦體區(qū)域豎向位移云圖

3.2.3 塑性區(qū)分析

礦體開挖后,模型整體及礦體區(qū)域塑性區(qū)分布見圖7。從圖7可以看出,礦體開挖后,受地下開采的影響,地表出現(xiàn)一定程度的破壞,但地表的破壞并沒有向下擴(kuò)展至采空區(qū)。在靠近礦體正上部的采空區(qū)附近,塑性區(qū)較多,且采空區(qū)規(guī)模越大,塑性區(qū)分布相對越多。同時,空間上下相鄰采空區(qū)之間的礦柱中的塑性區(qū)容易貫通,與礦柱相連的上盤圍巖也出現(xiàn)了一定破壞;跨度較大的采空區(qū)頂板、上下盤圍巖塑性區(qū)分布較多。采空區(qū)充填后,多數(shù)采空區(qū)周圍塑性區(qū)分布范圍大幅縮小,說明充填體發(fā)揮了作用,提高了采空區(qū)的穩(wěn)定性。

圖7 模型塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

本文基于Mathews圖法建立了采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價方案,利用Midas/GTS 三維數(shù)值模擬軟件預(yù)測采空區(qū)破壞模式,并應(yīng)用于新疆哈巴河縣托庫孜巴依金礦的采空區(qū)穩(wěn)定性評價,得出如下結(jié)論。

(1)基于已有的圖紙資料和采空區(qū)掃描獲得的采空區(qū)信息,確定了該礦三中段和四段的采空區(qū)位置、大小和形狀。

(2)基于Mathews圖法初步確定401、402下、403下、405、406、407、408、409、411、302-2、303等采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài),為保證礦山生產(chǎn)安全,需要及時對不穩(wěn)定采空區(qū)進(jìn)行處理。

(3)基于Midas/GTS模擬分析了應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布,采空區(qū)頂柱和間柱應(yīng)力集中明顯,巖體破壞也從頂柱、間柱開始,尤其是采空區(qū)頂板中部以及尺寸較小的間柱。充填可以明顯改善頂柱和間柱的應(yīng)力狀態(tài),減少圍巖及覆巖的位移,控制地表沉降,提高采空區(qū)穩(wěn)定性。