基于CMS實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

陸 剛

（廣西金河礦業(yè)股份有限公司拉么鋅礦， 廣西河池市 547000）

基于CMS實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

陸 剛

（廣西金河礦業(yè)股份有限公司拉么鋅礦， 廣西河池市 547000）

為研究西部某礦山井下采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)CMS空區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)及FLAC軟件，建立了空區(qū)賦存地質(zhì)模型，分析了采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性，并結(jié)合巖體破壞判據(jù)判定了空區(qū)的穩(wěn)定性狀況。結(jié)果表明，空區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性影響較大，1號(hào)空區(qū)因頂板平整，最大沉陷位移及最大拉應(yīng)力均最大；3號(hào)空區(qū)雖空區(qū)體積及暴露面積均大于1號(hào)空區(qū)，但因頂板成拱形而使得其整體穩(wěn)定性比1號(hào)空區(qū)好。

采空區(qū)；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；CMS

我國(guó)西部某礦山以銅礦體為主，采礦方法主要用淺孔留礦法，部分采用中深孔落礦，回采后未對(duì)空區(qū)進(jìn)行處理，部分采場(chǎng)空區(qū)已與地表塌陷貫通。隨著采動(dòng)裂隙的擴(kuò)展，地表塌陷坑范圍繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成井下透水事故，甚至造成地表河流的塌陷和斷流，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。本文基于CMS三維空區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)及地表地層數(shù)據(jù)，運(yùn)用3DMINE礦業(yè)工程軟件及FLAC3D相結(jié)合的方式對(duì)空區(qū)形成過(guò)程及穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算分析，為礦山空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 模型建立

數(shù)值模擬試驗(yàn)中，計(jì)算模型的精確與否在一定程度上決定了模擬結(jié)果的可靠性程度。建立精確數(shù)值模型的首要前提是獲取空區(qū)、地層以及地表等地質(zhì)單元的數(shù)據(jù)信息。為此，利用CMS空區(qū)探測(cè)儀器精確獲取空區(qū)的三維空間位置及空區(qū)形態(tài)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMINE軟件中建立地表、地層及空區(qū)的三維模型，具體的礦山三維空間模型及數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖1，圖2。

數(shù)值計(jì)算模型總體尺寸為300m×150m×150 m，由于空區(qū)埋深較淺，一中段距地表僅有50m，因此模型上邊界取至地表，四周及下邊界按開(kāi)采的影響范圍確定。網(wǎng)格劃分時(shí)，為使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，將采空區(qū)及周邊圍巖附近尺寸劃分得較小，外圍網(wǎng)格尺寸較大。采用位移約束的邊界條件約束模型邊界，上邊界為自由邊界，下邊界及四周邊界為全約束，模擬主要載荷為巖體自重應(yīng)力。

礦體、圍巖的計(jì)算力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 礦山空區(qū)及地表模型

圖2 計(jì)算區(qū)域的地質(zhì)網(wǎng)格模型

表1 礦巖和圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2 破壞判據(jù)

目前在采礦與巖土工程領(lǐng)域中，巖體破壞判據(jù)主要有巖石強(qiáng)度理論及容許極限位移量判據(jù)等［1－2］。巖石強(qiáng)度理論常用的有Mohr－Coulomb、Hoek－Brown以及Drucker－Prager破壞準(zhǔn)則；容許極限位移量判據(jù)是指在采空區(qū)不產(chǎn)生有害松動(dòng)及地表不出現(xiàn)有危害的開(kāi)采沉陷的條件下，采空區(qū)頂板及底板的最大容許下沉量或底鼓量，一般認(rèn)為：2cm以下的位移對(duì)巖體穩(wěn)定基本不構(gòu)成影響；2～5cm量級(jí)的位移，巖體可以保持穩(wěn)定性；5～10cm量級(jí)的位移，巖體存在潛在穩(wěn)定問(wèn)題；＞10cm屬于大變形／位移問(wèn)題，巖體存在破壞現(xiàn)象，大規(guī)模破壞也可能產(chǎn)生。本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算采場(chǎng)在開(kāi)挖后空區(qū)周邊圍巖的應(yīng)力、位移狀況及塑性區(qū)分布，綜合以上2種判據(jù)對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

2 空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算的結(jié)果分析，可針對(duì)空區(qū)的關(guān)鍵區(qū)域，選取最危險(xiǎn)截面（一般為采空區(qū)的長(zhǎng)軸方向和短軸方向）切割剖面，分析空區(qū)周邊圍巖移動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特性［3］。空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素包括空區(qū)的暴露面積、體積、埋深、相鄰空區(qū)間距等，因此選取一中段的3個(gè)采空區(qū)來(lái)分析空間位置及空區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)穩(wěn)定性的影響。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及建模計(jì)算，1號(hào)空區(qū)體積4723m3，頂板暴露面積848m2；2號(hào)空區(qū)體積3354m3，頂板暴露面積728m2；3號(hào)空區(qū)體積8006 m3，頂板暴露面積960m2。

2.1 位移分析

圖3顯示1～3號(hào)采場(chǎng)在礦體開(kāi)挖后周邊圍巖的位移分布情況?？諈^(qū)頂板的最大沉陷位移隨空區(qū)形態(tài)、暴露面積的不同而不同。1號(hào)空區(qū)頂板很平整，成拱作用很弱，不能抑制頂板的沉降，其頂板最大沉陷位移為10.55cm；2號(hào)空區(qū)有一定的傾斜，空區(qū)頂板最大位移出現(xiàn)在具有一定坡度的較低高度頂板上，最大沉陷位移為6.56cm；3號(hào)空區(qū)暴露面積大，但空區(qū)頂板成拱形，能較好地發(fā)揮圍巖的自承載能力，致使其雖然空區(qū)體積和暴露面積均大于1號(hào)空區(qū)，但頂板的最大沉陷位移比1號(hào)空區(qū)小，為7.33 cm。而底板圍巖在礦體開(kāi)挖后，從三維應(yīng)力狀態(tài)變成二維應(yīng)力狀態(tài)，加之受水平方向的壓縮，導(dǎo)致底板向上隆起，出現(xiàn)向上的位移，其最大值分別為2.24，2.99，4.15cm。

圖3 空區(qū)沉陷位移示意

2.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計(jì)算1～3號(hào)空區(qū)潛在危險(xiǎn)截面的最小主應(yīng)力值和最大主應(yīng)力值見(jiàn)圖4，圖5。

圖4 空區(qū)最小主應(yīng)力

由圖4可知，在礦體開(kāi)挖以后，由于空區(qū)未進(jìn)行處理，采空區(qū)周邊圍巖的受力狀態(tài)由三維受力轉(zhuǎn)化為二維受力，使得頂板巖層承載的部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩幫圍巖中形成壓力增大區(qū)域，在兩幫圍巖中出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象［4］。但由于3個(gè)空區(qū)的埋深均較小，其兩幫圍巖中的最大壓應(yīng)力值分別為6.92，8.29，10.75MPa，遠(yuǎn)小于巖體的抗壓強(qiáng)度，但在井下爆破震動(dòng)等因素的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，仍有可能發(fā)生破壞造成圍巖跨落［5］。

圖5 空區(qū)最大主應(yīng)力

圖5顯示，礦體開(kāi)挖后頂板直接懸空，頂板巖層的部分自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩幫圍巖中，空區(qū)頂板出現(xiàn)減壓區(qū)，發(fā)生類似彈性恢復(fù)的膨脹變形［8］，使得頂板中易出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域。1號(hào)空區(qū)頂板由于很平整，沒(méi)能很好發(fā)揮圍巖的自承載作用，頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在頂板中心位置，為0.25 MPa；2號(hào)空區(qū)由于呈傾斜狀，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在位置較高的頂板，為0.12MPa；3號(hào)空區(qū)由于頂板成拱作用強(qiáng)，頂板的自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移較小，很好地發(fā)揮了頂板圍巖的自支撐作用，在頂板中未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)［4］。雖然空區(qū)所受拉應(yīng)力最大值均小于巖體的抗拉強(qiáng)度，但在出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域，隨采掘車輛的運(yùn)輸、設(shè)備的加載作用以及爆破震動(dòng)等因素的影響，容易發(fā)生頂板巖層離層，甚至坍塌［2］。

2.3 空區(qū)穩(wěn)定性判定

基于以上分析，并結(jié)合巖石破壞判據(jù)，1～3號(hào)空區(qū)最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力值均在巖體的可承受范圍內(nèi)；根據(jù)容許極限位移量判據(jù)，1號(hào)空區(qū)頂板最大位移＞10cm，屬于大變形問(wèn)題，巖體存在破壞現(xiàn)象，大規(guī)模破壞也可能產(chǎn)生；2、3號(hào)空區(qū)頂板最大沉陷值在5～10cm范圍內(nèi)，巖體存在潛在穩(wěn)定問(wèn)題。因此，需立即采取措施處理1號(hào)空區(qū)，2、3號(hào)空區(qū)則應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，并在發(fā)生險(xiǎn)情的第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行加固處理。

3 結(jié) 論

（1）借助CMS三維空區(qū)探測(cè)儀器獲得采空區(qū)的精確掃描數(shù)據(jù)，構(gòu)建了精確的采空區(qū)三維計(jì)算模型。

（2）運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，得出各采空區(qū)的沉降位移和最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力值，結(jié)果表明，空區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性影響較大，頂板具有成拱作用的空區(qū)穩(wěn)定性比頂板平整的空區(qū)穩(wěn)定性好。

（3）結(jié)合巖體破壞判據(jù)，評(píng)定1號(hào)空區(qū)為危險(xiǎn)空區(qū)，2、3號(hào)空區(qū)穩(wěn)定性稍好，為研究采空區(qū)的綜合治理方案提供了指導(dǎo)。

［1］桂惠中.地下洞室圍巖穩(wěn)定及錨固分析［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

［2］劉培慧.基于應(yīng)力邊界法厚大礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

［3］吳亞斌.基于CMS實(shí)測(cè)的采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

［4］謝文兵，陳曉祥，鄭百生.采礦工程問(wèn)題數(shù)值模擬研究與分析［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［5］劉科偉，李夕兵，宮風(fēng)強(qiáng)，等.基于CALS及Surpac.FLAC3D耦合技術(shù)的復(fù)雜空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（9）：1924－1931.

2011－09－15）

陸 剛（1975－），男，廣西南丹人，助理工程師，主要從事地下采礦工程技術(shù)及礦山管理工作。