鐵礦床滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型*

盧宏建 甘德清

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室)

采空區(qū)［1-3］是采掘活動中的典型地質(zhì)災(zāi)害源，可導(dǎo)致地表開裂、地面塌陷、滑坡、地下水位下降等多種災(zāi)害，是誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題的主要影響因素。

河北省是全國鐵礦主產(chǎn)區(qū)之一，經(jīng)過多年高強(qiáng)度的資源開發(fā)，形成了大面積的滯留采空區(qū)。隨著時間的推移，必將導(dǎo)致空區(qū)地壓活動頻繁，發(fā)生連鎖反應(yīng)，威脅人民生命財產(chǎn)安全，影響社會和諧穩(wěn)定，后果嚴(yán)重。因此有必要對通過理論分析，就滯留采空區(qū)對地表建筑物穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量和定性分析，以便保護(hù)礦區(qū)及其附近居民生命財產(chǎn)和建筑物的安全。

對由于礦床采動引起的地表塌陷與沉降的預(yù)測等相關(guān)問題，煤礦領(lǐng)域取得眾多研究成果，而金屬礦體由于其賦存條件和采礦方法比較復(fù)雜，煤礦的眾多規(guī)律和理論不能復(fù)制［4-6］。因此本研究將滯留采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法——三帶理論、巖石移動帶理論、數(shù)值模擬理論三者有機(jī)結(jié)合，形成了鐵礦床滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型，并以河北某礦山為例，對其滯留空區(qū)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了定性、定量分析。

1 滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型

1.1 三帶理論分析方法

礦體開采后破壞了原有平衡的應(yīng)力場，應(yīng)力要重新分配達(dá)到平衡，引起采空區(qū)上覆巖層運動依次形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。

(1)冒落帶［7］為采空區(qū)上方覆巖因破碎而冒落的區(qū)域，冒落帶高度h一般采用式(1)表示:

式中，m為采空區(qū)高度，k為覆巖松散系數(shù)。

(2)裂隙帶。位于冒落帶的上方，該區(qū)域巖層發(fā)生彎曲、離層，變形量大。

(3)彎曲帶。位于三帶最上方，下沉量小，巖層不發(fā)生破裂。

1.2 巖石移動帶分析方法

此方法［8］是采用礦體上下盤圍巖的移動角或陷落角確定其采動后變形破壞的范圍，如圖1所示。

圖1 破壞與移動范圍

1.3 數(shù)值模擬方法

此方法即在獲得礦巖體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行礦體采動過程數(shù)值模擬分析，能定量地分析采空區(qū)對上覆巖層的影響程度［9-10］。

1.4 穩(wěn)定性綜合分析方法

通過三帶理論分析得出空區(qū)的冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的范圍，通過巖石移動帶理論得出圍巖移動范圍，將三帶理論和巖石移動帶理論得出的結(jié)論植入有限元模型，使三者有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成準(zhǔn)確、仿真的采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型。

2 工程背景

以河北承德啟盈四采區(qū)為研究背景。啟盈四采區(qū)于2005開工建設(shè)，2006年建成投產(chǎn)，主要開采Fe23號礦體。礦山有2條開采礦體，截至2010年已開采346、323和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，為巷道挑頂型采場，運輸巷道布置在脈內(nèi)，巷道即采場，采高10 m左右，頂柱高10 m左右，詳見圖2。

啟盈四采區(qū)2005年建設(shè)時地表情況簡單，周圍沒有任何建筑物以及鐵路、公路等設(shè)施，2007年在礦區(qū)南側(cè)約100 m處修建了京通鐵路，之后又陸續(xù)建設(shè)了鄉(xiāng)村公路、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、周臺子村文化活動中心、周臺子賓館、周臺子小學(xué)等公共設(shè)施，其中周臺子村公園、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、周臺子村文化活動中心、周臺子賓館、周臺子小學(xué)等建筑的布局詳見圖3。礦山經(jīng)多年開采，形成了一定面積的采空區(qū)，目前雖然沒有出現(xiàn)采空區(qū)垮落現(xiàn)象，但隨著采空區(qū)暴露時間的增加，地壓活動也會逐漸增強(qiáng)，逐漸威脅各個井筒和地表建筑物的安全。因此有必要就現(xiàn)有采空區(qū)對地表建構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析評價，為礦山進(jìn)行滯留采空區(qū)的處理提供理論依據(jù)。

圖2 空區(qū)現(xiàn)狀

圖3 礦山地表周邊環(huán)境

3 穩(wěn)定性影響分析

3.1 三帶理論分析

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，采空區(qū)高度取10 m，圍巖松散系數(shù)取1.5，代入公式(1)計算冒落帶的高度在20 m。

裂隙帶的高度通常等于冒落帶高度為20 m，彎曲帶的高度一般為裂隙帶高度的5倍，即100 m。得出礦山采空區(qū)影響高度為140 m。

該礦山最上一水平采空區(qū)距離地面深度在100 m，因此礦山現(xiàn)有采空區(qū)會造成地面一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形破壞。

3.2 巖石移動帶理論分析

根據(jù)礦山實際地質(zhì)情況確定已有采空區(qū)的巖石移動范圍。上盤按65°圈定，下盤按70°圈定，端部按75°確定，最終確定了采空區(qū)巖石移動范圍，如圖4所示(圖中虛線范圍內(nèi))。

圖4 現(xiàn)有空區(qū)巖石移動范圍

根據(jù)目前礦山現(xiàn)有空區(qū)圈定的巖石移動帶范圍可以看出，文化活動中心、礦山豎井和花園的一些設(shè)施均在范圍之內(nèi)，可見現(xiàn)有采空區(qū)會威脅到地面建構(gòu)筑物的安全。

3.3 綜合分析方法

3.3.1 計算模型

通過三帶理論計算出冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的高度，通過巖石移動帶理論計算出圍巖移動范圍，將2種方法得出的結(jié)論植入有限元模型。三維實體網(wǎng)格模型如圖5所示，采出礦體網(wǎng)格模型如圖6所示。模型長600 m，寬300 m，高210 m，共劃分148 679個單元。

3.3.2 模擬步驟

模擬步驟:首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力計算，其次為分步開挖形成地下采空區(qū)，計算時共分3步開挖形成現(xiàn)狀空區(qū)，然后再進(jìn)行時間效應(yīng)模擬。

3.3.3 計算參數(shù)

本次模擬計算根據(jù)地質(zhì)詳查報告選取力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)

3.3.4 模擬結(jié)果分析

(1)現(xiàn)狀空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果及分析。本次結(jié)果分析選取最直接的地表位移參數(shù)為評價指標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。

因為第1水平頂板距地表有100多m距離，且空區(qū)面積較小，因此第1水平開挖后對地表影響很小，地表沉降值僅為0.007 mm;第2水平開挖后，隨著采空區(qū)范圍的增大，地表沉降量明顯最大值為0.27 mm;第3水平開挖后地表沉降量為0.26 mm。

(2)時間效應(yīng)模擬?，F(xiàn)狀空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果表明，目前采空區(qū)對地表建筑物影響不大，礦區(qū)現(xiàn)場調(diào)查也證實了這一點。但是由于模擬均采用的是理想模型，空區(qū)周圍礦體及其圍巖的巖石力學(xué)性質(zhì)由于時間效應(yīng)會使其弱化，即隨著時間的推移，采空區(qū)在地下水、地質(zhì)運動、井下采礦爆破等因素影響下圍巖強(qiáng)度會逐漸降低，因此采空區(qū)的模擬必須考慮時間效應(yīng)。如果采用現(xiàn)實時間進(jìn)行模擬，硬件要求高，模擬時間相當(dāng)大，為此本研究通過弱化巖石移動范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)模擬時間效應(yīng)對空區(qū)的影響。同樣選取地表位移沉降值作為評價指標(biāo)，模擬結(jié)果見圖8。

圖8 考慮時間效應(yīng)的地表沉降位移云圖

巖體強(qiáng)度折減10%后地表沉降量最大值為1.5 mm。當(dāng)巖體強(qiáng)度折減40%后地表沉降量最大值為19 mm，已經(jīng)接近地下工程開挖引起地表建筑物沉降的警戒值(參考相關(guān)文獻(xiàn)，地下工程開挖地表建筑物沉降警戒值為20mm)，可見礦山現(xiàn)有采空區(qū)會對地表建筑物安全產(chǎn)生威脅，因此礦山應(yīng)及時對采空區(qū)進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

建立了將三帶理論、巖石移動理論、有限元理論有機(jī)結(jié)合的滯留空區(qū)穩(wěn)定性分析模型，提出了復(fù)雜條件下滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析方法，并以河北某礦山為例，對該礦山滯留空區(qū)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了定性、定量分析，取得了較滿意的評價效果。研究結(jié)果為礦山進(jìn)行滯留采空區(qū)處理的必要性提供了科學(xué)依據(jù)。

［1］ 胡家國，馬海濤.鐵礦采空區(qū)處理方案研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(5):67-70.

［2］ Gao Feng，Zhou Keping，Dong Weijun.Similar material simulation of time series system for induced caving of roof in continuousmining under back fill［J］.Journalof Central South University of Technology，2008，15(3):356-360.

［3］ 吳兆營，薄景山，杜國林.采空區(qū)對地表穩(wěn)定性的影響［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2004，13(2):140-144.

［4］ 孫占法.荷載作用下老采空區(qū)“三帶”變形規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2010，7(3):17-22.

［5］ Hu Jianhua，Zhou Keping，Li Xibing，et al.Numerical analysis of application for induction caving roof［J］.Journal of Central South University of Technology，2005，12(S1):146-149.

［6］ 劉保衛(wèi).采場上覆巖層“三帶”高度與巖性的關(guān)系［J］.煤炭技術(shù)，2009，28(8):56-58.

［7］ 趙世成，郭忠林.三帶理論在地下開采中對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.礦業(yè)工程，2010，6(5):67-70.

［8］ 王清來，許振華，朱利平.復(fù)雜采空區(qū)條件下殘礦回收與采區(qū)穩(wěn)定性的有限元數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2010(7):37-40.

［9］ AMBROZIC T，TURK G.Prediction of subsidence due to underground mining by artificialneuralnetworks［J］.Computers＆Geosciences，2003，29:627-637.

［10］ Donnelly L J，Dela Cruz H，Asmar I.Themonitoring and prediction ofmining subsidence in the Amaga，Angelopolis，Venecia and Bolombolo Regions，Antioquia，Colombia［J］.Engineering Geology，2001，59:103-114.