露天開采境界內地下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析

黨國建，林衛(wèi)星

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

露天開采境界內地下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析

黨國建1，林衛(wèi)星2

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

針對南泥湖鉬礦露天坑底存在的大量復雜采空區(qū)，采用先進的三維有限元數值分析軟件，對采空區(qū)穩(wěn)定性進行計算，分析典型采空區(qū)頂板、底板及幫壁中的應力、應變和位移分布狀況與規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行計算，以最大限度地了解井下采空區(qū)對露天開采的影響與危害，確保露天開采及空區(qū)處理過程中的安全。

露天礦;地下采空區(qū);數值模擬;穩(wěn)定性分析

1 礦區(qū)概述

南泥湖鉬礦區(qū)面積3.98 km2，主礦體東西長2600 m，南北寬 1000～1400 m，最大礦體厚度420.12 m。探明鉬保有工業(yè)礦石量約7億t，地質品位0.072%，鉬金屬量約50萬t，有用組分除輝鉬礦外，還伴生有白鎢礦，是以鉬為主的鉬、鎢特大型礦床。南泥湖鉬礦始建于2006年4月，采用露天開采，經過近2 a的開拓建設，目前露天采場臺階已形成20000 t/d的生產規(guī)模，首采區(qū)地表揭露面積600 m×700 m，最低臺階1330 m水平，最高臺階1490 m水平。

南泥湖鉬礦的開采始于1980年代，采用平硐或斜井開拓方式，淺孔留礦法或房柱式采礦方法進行“肥水快流式”地下開采。民采形成的采場長15～30 m，寬8～15 m，采場面積200～300 m2，部分地方采場礦柱被盜采或垮落，幾個采場相互連通，形成空場面積500～800 m2。采場高度大多為4～8 m，個別高度超10 m，導致上下中段間頂板厚度過小，部分地段甚至上下采透。據調查與不完全統計，截止2003年，南泥湖礦區(qū)井下采出礦石量累計約1162萬t，采空區(qū)面積約40.6萬m2，體積約426萬m3。

由于大規(guī)模采空區(qū)群存在于當前生產的露天境界內，嚴重影響臺階生產的同時也給礦山施工的人員和設備帶來了極大的安全威脅。為了最大限度地了解井下采空區(qū)對露天開采的影響與危害，確保露天開采及空區(qū)處理過程中的安全，擬對采空區(qū)穩(wěn)定性進行數值模擬計算，研究典型采空區(qū)頂板、底板及幫壁中的應力、應變和位移分布狀況與規(guī)律，著重分析采空區(qū)頂板的受力狀況與規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行計算。

2 數值模擬計算

本次計算選用三維有限單元法，應用巖土工程三維應力分析軟件3D－σ，對復雜條件與復雜形狀采空區(qū)的穩(wěn)定性進行分析。

2.1 數值模擬計算的基礎條件

(1)巖石物理力學參數。龍宇鉬礦露天采場有2種主要巖體，即黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖，數值模擬計算所用的材料力學參數為經過工程處理后的巖體力學參數。

(2)原巖應力。本礦區(qū)沒有原巖應力方面的實測資料，況且，由于采用露天開采，現場原巖應力基本上已經釋放，數值模擬計算時原巖應力按自重應力場處理。

(3)外載荷。外載荷分為靜載荷和動載荷2種。靜載荷主要為地表設備載荷;動載荷包括爆破振動和錘機振動等，其中以爆破振動的危害較大。

2.2 數值模擬計算方案

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素很多，主要有:采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度、臺階自由面、靜載荷、動載荷及巖體自身條件等。為了分析這些因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，共設計了36個有限元數值模擬計算方案。

采用直接加載的外加載模型。邊界條件按三維有限單元法通用做法給定，根據計算方案的需要進行約束。載荷條件為地表外載荷+巖體自重。地表設備重量視為集中點載荷。

為了提高模型的計算精度，用20節(jié)點的高精度等參單元離散模型網格。整個模型共有單元9540～27180個，節(jié)點總數為42848～112450個(不同的計算方案，單元和節(jié)點數不同)。使用巖土工程中廣泛使用的德拉克－普拉格(Drucker－prager)塑性屈服準則進行三維彈塑性有限元計算分析。

3 空區(qū)圍巖應力與位移狀況分析

對井下典型的采空區(qū)，即空區(qū)寬15 m、長45 m、高6 m、頂板厚7 m、地表靜載荷50 t作用下的模型進行分析，計算結果的有關數值范圍情況見表1。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析的有關計算結果

從應力、位移和巖體屈服3個方面，對采場開挖過程中的穩(wěn)定性情況進行分析，總結出井下采空區(qū)圍巖應力、位移及屈服狀態(tài)的一般規(guī)律如下:

(1)采空區(qū)頂、底板及幫壁為拉應力集中部位，采空區(qū)幫壁與頂底板的交接處(采空區(qū)上下邊角處)為壓應力和剪應力集中部位。最大拉應力出現于采空區(qū)頂板中央處，最大壓應力和最大剪應力出現于采空區(qū)邊角處。頂板拉應力的存在是導致采空區(qū)失穩(wěn)的重要原因。

(2)井下采場開挖后，位移指向采空區(qū)，即頂板下沉，底板上移;最大位移值出現于采場頂板中央處。

(3)采空區(qū)幫壁與頂底板的交接處為巖體屈服部位，巖體屈服程度隨采空區(qū)大小和頂板巖層厚度變化而不同。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素計算分析

4.1 采空區(qū)長度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)寬度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)長度進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)寬度為20 m，高度6 m，頂板巖層厚度為10 m，地表作用設備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)長度分別為 20，40，60，80和100 m，即采空區(qū)的長度分別為寬度的1倍、2倍、3倍、4倍和5倍等5種不同的采空區(qū)長度條件下的有關計算結果見表2。

表2 采空區(qū)長度不同時的有關計算結果

從表2可見，隨著采空區(qū)長度尺寸的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力均呈逐漸增大趨勢;當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度3倍之后，應力增加不明顯，當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度4倍之后，最大應力幾乎不再變化。

4.2 采空區(qū)寬度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)寬度進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，地表作用設備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)寬度分別為5，10和20 m。選取最大拉應力作為方案比較的主要依據，最大壓應力和最大剪應力作為方案比較的輔助參量。3種不同的采空區(qū)寬度條件下的有關計算結果見表3。

表3 采空區(qū)寬度不同時的有關計算結果

從表3可見，隨著采空區(qū)寬度尺寸的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力和最大剪應力呈逐漸增大趨勢，最大壓應力則呈逐漸減小趨勢。

4.3 采空區(qū)高度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)高度進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，頂板巖層厚度為5 m，地表作用設備重量外載荷50 t，無臺階自由面;采空區(qū)高度分別為3，6和12 m。選取最大拉應力作為方案比較的主要依據，最大壓應力和最大剪應力作為方案比較的輔助參量。3種不同的采空區(qū)高度條件下的有關計算結果見表4。

表4 采空區(qū)高度不同時的有關計算結果

從表4可見，隨著采空區(qū)高度尺寸的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力呈逐漸減小趨勢，最大壓應力和最大剪應力的變化規(guī)律不明顯。

4.4 頂板巖層厚度對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、高度、載荷及約束條件固定不變，只改變采空區(qū)頂板巖層厚度進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，地表作用設備重量外載荷50 t，無臺階自由面;頂板巖層厚度分別為3，4，5和7 m。選取最大拉應力作為方案比較的主要依據，最大壓應力和最大剪應力作為方案比較的輔助參量。4種不同的頂板巖層厚度條件下的有關計算結果見表5。

表5 頂板巖層厚度不同時的有關計算結果

從表5可見，隨著采空區(qū)頂板巖層厚度尺寸的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力呈逐漸減小趨勢，最大壓應力和最大剪應力的變化規(guī)律不明顯。

4.5 臺階自由面對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

露天開采時，臺階側向自由面的存在對井下采空區(qū)的穩(wěn)定性有一定影響。采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度、載荷及約束條件固定不變，只改變臺階自由面的數量進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚5 m，地表作用設備重量外載荷50 t;臺階側向自由面(不包括頂面)分別為0，1，2，3和4個。選取最大拉應力作為方案比較的主要依據，最大壓應力和最大剪應力作為方案比較的輔助參量。4種不同的臺階側向自由面數條件下的有關計算結果見表6。

表6 臺階側向自由面數不同時的有關計算結果

從表6可見，隨著臺階側向自由面數的增加，空區(qū)頂板內最大拉應力呈逐漸增大趨勢，最大壓應力和最大剪應力呈逐漸減小趨勢。

4.6 地表設備靜載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度及約束條件固定不變，只改變地表靜載荷的大小進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，無臺階側向自由面;地表設備重量分別為 0，50，100，150，200，250，450和500 t。此外，為了分析采空區(qū)面積變化時外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響，改變采空區(qū)面積進行模擬計算。改為空區(qū)長度60 m，寬度20 m，高度10 m，頂板巖層厚度為10 m，無臺階自由面;地表無設備外載荷或作用50 t靜載荷。選取最大拉應力作為方案比較的主要依據，最大壓應力和最大剪應力作為方案比較的輔助參量。不同靜載荷作用條件下的有關計算結果見表7。

表7 不同靜載荷作用條件下的計算結果(空區(qū)寬度10 m)

從表7可以看出，隨著地表靜載荷的增大，采空區(qū)頂板最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力均呈逐漸增大趨勢。當地表靜載荷小于50 t時，空區(qū)頂板拉應力增加不多(只增加0.018 MPa);當地表靜載荷為100 t時，空區(qū)頂板拉應力增加較多(增加0.065 MPa);當地表靜載荷為500 t時，空區(qū)頂板拉應力增加更多(增加0.211 MPa)?？梢?，當地表設備重量不大時，地表設備對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響不明顯;反之，當地表設備重量較大時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較明顯。

為什么這樣說呢？筆者認為，通過深入探析栗戰(zhàn)書委員長關于推動地方立法工作“三同”的論述之要義，即可獲得滿意答案。

改變采空區(qū)暴露面積，采空區(qū)寬度由10 m增大為20 m，頂板巖層厚度由5 m增加為10 m，空區(qū)高度均為6 m，無臺階自由面，地表無設備外載荷或作用50 t靜載荷。此時的有關計算結果見表8。

從表8可以看出，當采空區(qū)寬度為10 m時，地表靜載荷50 t比無外載荷作用條件下頂板最大拉應力增加0.018 MPa;當采空區(qū)寬度為20 m時，地表靜載荷50 t比無外載荷作用條件下頂板最大拉應力只增加0.007 MPa。可見，隨著采空區(qū)暴露面積的增加，相同外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度減弱。

表8 不同空區(qū)寬度條件下的有關計算結果

4.7 爆破振動對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

爆破振動對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較為復雜，其影響程度與同段炸藥量及距離的遠近有關。本次研究采用通常的作法，即在振動影響范圍內施加1個垂直向下的等效分布靜力，其大小為:

式中，W——頂板巖體自重應力，MPa;

Kc——爆破振動影響系數，可通過爆破測震的方式確定。

當采空區(qū)頂板巖層厚度為5 m時，W=γ×h=0.027 ×5=0.135 MPa。

爆破振動影響系數Kc根據經驗選取。

采空區(qū)長度、寬度、高度、頂板巖層厚度及約束條件固定不變，只改變爆破振動影響系數的大小進行有限元數值模擬計算。固定采空區(qū)長度為40 m，寬度10 m，高度6 m，頂板巖層厚度為5 m，無臺階側向自由面;爆破振動影響系數分別為0，0.25，0.5，1.0，2.0 和 4.0。

不同爆破振動影響系數時的有關計算結果見表9。

表9 爆破振動影響系數不同時計算結果(空區(qū)寬度10 m)

從表9可以看出，隨著爆破振動影響系數的增大，采空區(qū)頂板最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力均呈逐漸增加趨勢，且增加的幅度較大。通常情況下，爆破振動影響系數為0.0～1.0(隨炸藥量及距離大小而變化)，當爆破振動影響系數為0.5時，空區(qū)頂板拉應力增加0.131 MPa;當爆破振動影響系數為1.0時，空區(qū)頂板拉應力增加0.261 MPa。

可見，爆破振動作用對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響較大;相對于設備靜載荷而言，爆破振動動載荷對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響更加明顯。

4.8 巖體自身條件對空區(qū)穩(wěn)定性的影響

巖體自身條件對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響最為直接。當巖性或者巖體質量發(fā)生變化時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響很大。

南泥湖鉬礦露天采場有2種主要巖體，即黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖，二者的力學強度不一。黑云母長英角巖的單軸抗拉強度比陽起石透輝石長英角高0.24 MPa。當采空區(qū)頂板巖體為黑云母長英角巖時，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性將較好;反之，當采空區(qū)頂板巖體為陽起石透輝石長英角時，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性相對來說將要稍差一些。

此外，對于同一種巖性而言，其巖體質量也有好壞之分。在巖體結構較完整的地方，空區(qū)周邊巖體的穩(wěn)定性肯定會要好一些，而在巖體破碎處，空區(qū)圍巖穩(wěn)定性將會差些。

5 結論

采用先進的三維有限元軟件對南泥湖鉬礦井下采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了較為全面的計算分析。探討了采空區(qū)圍巖應力狀態(tài)的一般規(guī)律，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素進行了計算或分析，所得的主要結論如下。

(1)采空區(qū)圍巖應力狀態(tài)的一般規(guī)律是:采空區(qū)頂、底板及幫壁為拉應力集中部位，采空區(qū)幫壁與頂底板的交接處為壓應力和剪應力集中部位;最大拉應力出現于采空區(qū)頂板中央處，最大壓應力和最大剪應力出現于采空區(qū)邊角處;頂板拉應力的存在是導致采空區(qū)失穩(wěn)的重要原因。

(2)隨著采空區(qū)長度尺寸的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力均呈逐漸增大趨勢;當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度3倍之后，應力增加不明顯，當空區(qū)長度達到空區(qū)寬度4倍之后，最大應力幾乎不再變化。

(3)隨著采空區(qū)寬度尺寸的增大和臺階側向自由面數的增加，空區(qū)頂板內最大拉應力呈逐漸增大趨勢;隨著采空區(qū)高度和頂板巖層厚度的增大，空區(qū)頂板內最大拉應力呈逐漸減小趨勢。

(4)當地表設備重量不大時(小于50 t)，地表設備對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響不明顯;當地表設備重量較大時(大于100 t)，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響較明顯;隨著采空區(qū)暴露面積的增加，相同外載荷對空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度減弱。

(5)爆破振動作用對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響較大;相對于設備靜載荷而言，爆破振動動載荷對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響更加明顯。

(6)巖體自身條件對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響最為直接，當巖性或者巖體質量發(fā)生變化時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響很大。

[1] 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.

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2011－02－18)

黨國建(1970－)，男，河南南陽人，工程師，主要從事于礦山采礦安全生產及管理。