某銅多金屬礦采空區穩定性綜合評價及治理方案研究

劉彬

(湖南有色金屬研究院有限責任公司,湖南 長沙 410100)

0 引言

中國現有金屬非金屬礦山約6萬座,其中大部分采用空場采礦法開采,遺留了大量礦柱和采空區。據統計,至2015年底,全國金屬非金屬地下礦山共有采空區12.8億m3,分布于國內的28個省、直轄市、自治區[1-3]。隨著礦山開采深度的延伸,每年采空區的體積都在迅速增長,在不同開采中段之間形成了復雜采空區。在深部高地應力和開采擾動等復雜地質力學環境下,采空區的存在使原巖受力狀態發生改變,產生次生應力場,引起應力集中,出現一系列的地壓顯現,造成頂板垮塌、圍巖片幫,給礦山的安全生產帶來重大影響[4-8]。更為甚者破壞波及到地表,使地表變形或塌陷,嚴重威脅地面人員、農田和建(構)筑物的安全,并可能改變生態環境,誘發嚴重影響生態環境的工程地質災害[9-11]。

1 工程背景

湖南某銅多金屬礦采用地下開采,平硐＋斜井開拓,已形成＋230 m、＋200 m、＋150 m、＋100 m、＋50 m 和0 m 六個中段。礦山采用淺孔留礦法對礦體進行開采。＋150 m 中段以上礦體均已采完,目前主要開采0 m 中段的7號礦體和＋50 m 中段、＋100 m 中段殘采收尾工作。經過多年的無序、高強度空場法開采,形成的采空區體積達十幾萬平方米。隨著采空區規模持續擴大,礦柱暴露時間延長,賦存在不均質巖體內形態復雜的采空區,在地應力和開采擾動等多維度的損傷作用下,易引發礦柱“多米諾骨牌式”失穩、采空區圍巖突發冒落等災害事故[12]。目前,采空區穩定性已成為制約礦山安全綠色開采和可持續發展的重要影響因素。因此,開展復雜采空區穩定性綜合評價及治理方案研究刻不容緩。

2 巖體質量分級與力學參數計算

2.1 巖體質量現場調查

在參考礦山地質報告關于工程地質相關描述的基礎上,對礦山井下圍巖體質量進行了現場調查。礦山圍巖主要為構造熱液蝕變巖帶,該巖帶較堅硬,厚度較大,巖石似角礫狀,大部分被硅質、石英充填膠結,膠結致密,巖體完整。通過巷道揭露的圍巖查看,巖體節理不發育,完整性較好,節理內充填有石英,潮濕、未見明顯風化,巷道為裸巖巷,無支護即可穩定,巷道內無掉塊。采場內礦體同樣為似角礫狀,膠結致密堅硬。礦體及圍巖如圖1所示。

圖1 礦體及圍巖情況

2.2 室內巖石力學試驗

根據室內試驗結果,得到各巖石力學參數見表1。結合現場巖體質量調查結果,參考巴頓Q 分級[13-14],得到礦巖體巖體質量等級為II級,礦山頂板相對礦體及底板圍巖力學參數較差。根據地質報告中工程地質描述,得到巖體GSI值約75。

表1 室內巖石力學試驗結果

2.3 巖體力學參數計算

利用試驗得到的數據計算礦山巖體力學參數。礦體圍巖單軸抗壓強度依據巖石室內力學試驗相關數據選取,保守起見,圍巖抗壓強度選取礦體頂板巖石抗壓強度,礦體強度按照其本身強度進行計算。利用巖體地質強度指標GSI值與巖石單軸抗壓強度,即可得到巖體力學參數,同時參考《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[15]進行修正,得到最終的巖體力學參數,結果見表2。

表2 巖體力學參數值估算結果

3 采空區穩定性分析及風險評估

3.1 采空區調查

根據現場調查,礦山目前已形成了28 個采空區。根據礦方提供的采掘工程平面圖、開拓系統縱投影圖,結合現場實地勘查,少量采空區已采取了封閉方式進行處理,大部分采空區未進行處理。具體情況如下:＋230 m 中段僅有1 個采空區,編號CK230-1;＋200 m 中段有4個采空區,編號CK200-1～CK200-4;＋150 m 中段有7 個采空區,編號CK150-1～C150-7(均為無底柱開采);＋100 m 中段有7個采空區,編號CK100-1～CK100-7(均為無底柱開采);＋50 m 中段有4個采空區,編號CK50-1～CK50-4(均為無底柱開采);0 m 中段有5個采空區,編號CK0-1～CK0-5(均為無底柱開采),采空區總體積約為137 387.5 m3。

3.2 采空區分布情況

礦山采空區分布情況如圖2 所示。由圖2 可知,礦山縱投影圖中的紅色虛線內為礦體投影,虛線內空白區域為采空區投影(顏色標識見電子版)。采空區在局部中段有上下采空區重疊現象。采空區治理方法中,應考慮采空區對上部開拓系統的影響和對地表環境的影響。采空區間均設置有間柱,空區內設置有點柱。

圖2 采空區縱投影分布

3.3 采空區穩定性分析

采場最大自穩跨度一般受多重因素影響。綜合來講,除巖體自身結構和應力外,還有開采方式、巖體賦存條件如地下水侵蝕及爆破震動等外在因素。各種因素復雜多變,相互干擾,構成了采場頂板穩定性的不確定性。通過巖體分級法與Mathews穩定圖法判斷采空區的穩定性,得到的采空區頂板開挖支護比(ESR)和暴露面穩定性分區匯總見表3。

表3 采空區頂板開挖支護比(ESR)和暴露面穩定性分區匯總

(1)工程巖體分級標準法。根據《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)中關于自穩能力的評價,對于Ⅱ級巖體,跨度<10m的采空區可長期維持穩定,偶有掉塊的現象發生;跨度為10～20 m 的采空區可基本維持穩定,局部可能有發生掉塊或小塌方的風險。CK100-3、CK100-4、CK100-5、CK100-6、CK100-7、CK50-1、CK50-2采空區最大厚度均大于10 m,該7個采空區可基本維持穩定,局部可能有發生掉塊或小塌方的風險。采空區CK100-7 和CK100-6頂板支護比(ESR)為1.97 和1.69,其余采空區頂板支護比(ESR)均小于1.6。

(2)Mathews穩定性圖解法。根據Mathews穩定性圖解法[16],礦山采空區頂板均處于穩定狀態。在不考慮點柱情況下,僅采空區CK50-1上盤暴露面處于崩落區,其余采空區上盤暴露面分別處于支護穩定區、無支護過渡區和穩定區。

對比以上不同方法的判斷結果,采空區頂板大部分均穩定。

3.4 采空區穩定性數值模擬

(1)模型構建。根據礦山提供的地表地形圖、采空區縱投影圖、采空區中段平面圖等,建立礦山地質模型。經對模型進行網格劃分與分組,最終建立采空區三維網格模型,如圖3所示。由圖3可知,三維數值網格模型范圍為950 m×950 m,網格劃分為四面體網格,共建立有110萬個網格,19萬個節點。根據初始條件,對礦山開采過程進行數值模擬。礦體的開采破壞了原巖應力平衡狀態,在應力重分布過程中,采場圍巖將產生變形移動,甚至破壞。通過數值模擬,可研究分析采空區圍巖應力、位移及塑性區分布情況,并據此判斷采空區穩定性。

圖3 湖南某銅多金屬礦三維數值網格模型

(2)應力分析。巖石破壞一般為拉伸破壞,因此本文只對拉應力進行分析。采空區拉應力主要分布在采空區頂板,部分拉應力也分布在上盤圍巖內,拉應力值約為0.3～0.7 MPa,小于上文估算的巖體抗拉強度1 MPa。整體而言,采空區圍巖拉應力值較小,且分布范圍較小。這是由于采空區內布置的點柱起到了很好的支撐作用,有效減小了上盤圍巖內的拉應力值,采空區拉應力分布如圖4所示。

圖4 采空區拉應力分布云圖

(3)位移分析。礦山采空區圍巖位移值整體較小,最大位移值為1.1 cm,說明采空區整體處于穩定狀態。根據位移最大值所在采空區,該采空區內僅布置有一個點柱,導致上盤暴露跨度過大,進而使得上盤位移相對增大,說明采空區內點柱起到了至關重要的作用。采空區位移分布如圖5所示。

圖5 采空區位移分布云圖

(4)塑性區分析。采空區圍巖塑性區僅為零星分布,主要分布在采空區頂板及點柱巖體中,說明此處巖體為受破壞的主要區域。但是采空區圍巖體內并未出現大片連續的塑性區,零星分布的塑性區對采空區穩定性影響較小。采空區塑性區分布如圖6所示。

圖6 采空區塑性區分布圖

綜上所述,在當前條件下,巖體強度較好,礦山采空區穩定性較高,對地表的影響較小。

3.5 采空區安全風險分級評估

采用巖體分級法和Mathews穩定圖法,通過采空區頂板支護比(ESR)和穩定性分區判斷頂板安全風險等級,結果見表4。采空區CK50-1、CK100-6、CK100-7為一般風險等級,其余各采空區為低風險等級。而對于多層重疊的采空區安全風險等級應提高一級,因此井下采空區CK50-1、CK100-6、CK100-7安全風險等級為較大風險等級,其余采空區為一般風險等級。

表4 頂板跨度安全風險分級

4 采空區治理措施

現有的采空區處理方法有崩落圍巖法、充填采空區法、支撐加固法和密閉隔離法四大類[17-18]。在實際的采空區處理過程中,由于各個礦山采空區的數量、位置、形態特征、穩定性等情況大相徑庭,應依據采空區的特點和條件,采取有針對性的處理方法,有時會采用多種方法聯合處理[19]。

根據礦山采空區賦存條件,采空區上盤處分布有礦山平硐及主斜井,地表有較多水澆地,采用崩落法處理采空區將影響上盤開拓系統,進而影響礦山生產和地表環境,支撐加固法也不現實,因為采空區較高,采場內部已無法進入,無法進行支撐加固作業。因此選擇充填法作為礦山采空區治理方案,采用充填法治理能夠利用充填體支撐采空區,控制地壓活動,減少礦體上部地表下沉,顯著削弱采空區帶來的安全隱患。由于新建充填系統周期較長,可在建設充填系統期間利用廢石充填采空區。充填順序為優先充填較大風險等級的采空區,隨后按照從下到上、從上盤至下盤的順序依次充填剩余采空區。

同時,為防止采空區突然垮塌對井下安全生產造成影響,建議對采空區穩定性狀況進行實時監測,預防安全事故的發生。

5 結論與建議

本文對湖南某礦山的采空區進行了摸底、統計,分析了采空區穩定性及安全性,并提出采空區治理建議,得到如下結論。

(1)在地質資料與現場調查基礎上,得到巖體質量總體為II級,巖體GSI值約75左右。

(2)根據巖體分級法,采空區CK100-7 和CK100-6頂板跨度最大為14 m 和12 m,頂板支護比(ESR)為1.97和1.69,其余采空區頂板支護比(ESR)均小于1.6。

(3)根據Mathews穩定性圖解法,頂板處在穩定區。在不考慮點柱情況下,僅采空區CK50-1 上盤暴露面處于崩落區,其余采空區上盤暴露面分別處于支護穩定區、無支護過渡區和穩定區。

(4)通過建立礦山采空區模型,對采空區穩定性進行數值模擬。模擬結果表明,采空區圍巖內拉應力小于其抗拉強度;采空區圍巖位移最大為1.1 cm 左右,位移值較小;采空區引起的地表位移僅為1 mm,對地表影響較小;采空區圍巖內塑性區為零星分布,未出現塑性區貫通或大片分布現象,巖體穩定性較高。綜上所述,在當前條件下,礦山巖體強度較高,采空區穩定性較好,其對地表的影響也較小。

(5)通過采空區頂板支護比(ESR)和穩定性分區判斷,礦山井下采空區CK50-1、CK100-6、CK100-7安全風險等級為較大風險等級,其余采空區為一般風險等級。

(6)選擇充填作為礦山的采空區治理方案,能夠顯著削弱采空區帶來的安全隱患。同時在治理過程中應加強對采空區穩定性狀況的監測。