平行礦體采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處理方式研究

尹修平，郭忠林

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

1 概述

近幾十年來，隨著資源的不斷匱乏，市場對資源量的需求不斷增大，資源的開采工作也由淺部逐漸向深部發(fā)展。由于前期開采所遺留的采空區(qū)未經(jīng)處理，其所存在安全隱患也隨著時間的推移不斷增大，這不僅會造成地表塌陷，還會對后續(xù)開采造成地質(zhì)災(zāi)害隱患。本文以云南某鉛鋅礦采空區(qū)為對象，分析Ⅱ6、Ⅲ4號礦體采空區(qū)穩(wěn)定性和對后續(xù)開采活動的影響。

2 采空區(qū)影響因素

2.1 采空區(qū)形態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場踏勘收集的資料，礦山的采空區(qū)主要集中在Ⅱ6、Ⅲ4號礦體，也是礦山生產(chǎn)的主礦體。Ⅱ6礦體走向近東西向，傾向北，傾角60～80°，控制長212m，礦體厚0.75～5.62m，平均厚2.47m，厚度變化系數(shù)89.88%，屬厚度較穩(wěn)定型礦體。Ⅲ4礦體走向近東西向，傾向北，傾角60～80°，礦體控制長47m，厚1.02～8.69m，平均厚6.61m，厚度變化系數(shù)100.52%，屬厚度較穩(wěn)定型礦體。Ⅱ6、Ⅲ4號礦體屬于相鄰礦體開采，采用平硐開拓方式，早期開采主要集中在1700m以上，所以形成的采空區(qū)主要集中在1700、1740、1780m三個中段。

2.2 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)巖石均具程度不同的熱變質(zhì)作用，隨遠(yuǎn)離酸性花崗巖體而變質(zhì)程度遞減，各類巖石均保留原巖的部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，基本上為石英巖原巖砂巖、粉砂巖，角巖原巖為泥巖、砂泥巖，大理巖原巖為碳酸鹽巖。礦山一帶由南往北(由上往下)出露巖性為石英砂巖、石英巖→砂質(zhì)板巖、砂巖→砂質(zhì)角巖→角巖→大理巖與角巖互層→角巖，礦區(qū)主要含礦巖性為大理巖與角巖互層，以大理巖巖為主，走向近東西向，傾向北，傾角大于60°，不管是大理巖或是角巖，其鈣質(zhì)含量均較高。所以，礦體的圍巖比較單一，由大理巖和角巖組成互層夾雜礦體。具體巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 采空區(qū)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

根據(jù)巖體的破壞機(jī)制可將巖體破壞劃分為剪性破壞和張性破壞。采空區(qū)圍巖主要產(chǎn)生的就是剪性破壞。地下的礦體被采出后，采場周圍的原始應(yīng)力平衡受到破壞，頂板圍巖向下彎曲，上覆巖層也會沿著巖層層理的法線方向發(fā)生移動、彎曲，導(dǎo)致頂板因大跨度彎曲而斷裂、離層，采空區(qū)周圍的巖層就產(chǎn)生移動、變形、破壞[1-3]。對于實際的工程問題，由于問題存在的復(fù)雜性和影響因素眾多等條件，在滿足工程需要的前提下，采用數(shù)值模擬技術(shù)來近似模擬。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對采空區(qū)圍巖的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等進(jìn)行穩(wěn)定性分析。本文主要分析空區(qū)圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)，見圖1～圖5。

圖1 Z 方向位移

圖2 X 方向位移

圖3 最小主應(yīng)力

圖4 最大主應(yīng)力

圖5 塑性區(qū)

根據(jù)圖1、2可知，采空區(qū)圍巖在Z方向位移變化比X方向明顯，采空區(qū)圍巖從下到上位移逐步增大，在接近地表是位移最大。Ⅱ6號礦體上盤圍巖位移在X和Z方向上變化明顯，最大位移主要集中在礦體的上盤，越接近地表位移越大。Ⅲ4號礦體下盤圍巖位移比上盤圍巖位移大，位移主要集中在兩個采空區(qū)之間。由于位移主要介于平行采空區(qū)之間，有可能造成兩礦體之間整體垮落。

圖3、4主要分析的是最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力，由圖可知，采空區(qū)的應(yīng)力主要集中在頂部和底部，Ⅱ6號礦體應(yīng)力集中明顯，主要集中在上盤頂部，靠近地表。Ⅲ4號礦體應(yīng)力主要集中在頂板和地板，同時地表山谷離采空區(qū)最近也存在應(yīng)力集中。

圖5是分析的是塑性區(qū)，塑性區(qū)存在的是不可恢復(fù)的變形，也就是說產(chǎn)生圍巖發(fā)生塑性變形，不能恢復(fù)原狀，從而產(chǎn)生破壞塌落。由圖可知，塑性區(qū)主要集中在采空區(qū)的上盤接近地表的地方，Ⅱ6號礦體上盤塑性區(qū)范圍明顯。

綜上所述，圍巖位移主要集中在兩采空區(qū)之間，應(yīng)力和塑性區(qū)主要集中空區(qū)上盤頂板接近地表出，當(dāng)采空區(qū)上盤頂板圍巖產(chǎn)生位移時，同時頂板圍巖應(yīng)力又比較集中，又存在塑性區(qū)，塑性區(qū)部分變形不可恢復(fù)，從而可能直接導(dǎo)致大范圍的塌陷，對礦山的生產(chǎn)存在著重大的安全隱患，需要采取處理措施。

3 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分析

3.1 冒落塌陷

當(dāng)形成采空區(qū)后，采空區(qū)巖層根據(jù)其破壞和移動的形式，自下而上分為“三帶”：冒落帶、斷裂帶、彎曲帶[4]。當(dāng)空區(qū)頂板冒落的高度大于空區(qū)頂板的高度時，就會形成地表塌陷；相反，地表則不會形成塌陷，地表穩(wěn)定。由于采空區(qū)圍巖主要為堅硬的大理巖為主，故選用的冒落高度計算公式為：

式中：H——冒落帶高度；

m——采空區(qū)高度；

k——巖石的碎脹系數(shù)，硬巖一般在1.50～1.80，取1.60；

α——采空區(qū)傾角，取礦體傾角70°。

根據(jù)采空區(qū)的實際形態(tài)，選取三個標(biāo)高進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表2。

3.2 冒落產(chǎn)生的氣浪

冒落氣浪是采空區(qū)上覆巖層大范圍冒落，瞬間壓縮采空區(qū)氣體，形成氣浪沖擊，對礦上的運(yùn)輸巷道，通風(fēng)等造成重大影響，同時對礦山的安全生產(chǎn)帶來隱患，嚴(yán)重時威脅到生命安全。發(fā)生大面積冒落時通常也伴隨著地表塌陷。冒落氣浪主要兩種模型：①一種是“繞流”模型；②另一種是“打氣筒”模型。其中“繞流”模型空區(qū)內(nèi)部氣體受壓產(chǎn)生的氣浪，沒有連通地表空氣，而“打氣筒”模型冒落到地表，壓縮空氣與地表連通。根據(jù)冒落帶的計算和分析，該礦山為打氣筒模式，根據(jù)能量守恒和恒溫下的氣體狀態(tài)方程，“打氣筒”模型計算公式如下[4-5]：

表2 Ⅱ6、Ⅲ4采空區(qū)冒落高度計算

式中：η——折減系數(shù)，介于0.6～0.9之間；

ρ——冒落體的密度；

A——出風(fēng)口斷面積；

P1——?dú)饫税l(fā)生前采空區(qū)的氣壓；

H——空區(qū)高度；

L1——冒落體的長；

L2——冒落體的寬；

H1——冒落體的高；

n——出風(fēng)口個數(shù)。

通過現(xiàn)場觀察可知，折減系數(shù)η取0.8；冒落體的密度ρ取1.47g/cm3；出風(fēng)口斷面積A為2m×2m；氣浪發(fā)生前采空區(qū)的氣壓P1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；現(xiàn)場測量冒落體的長寬高為3.2m×2.5m×1.8m；計算可以知道Ⅱ6、Ⅲ4礦體產(chǎn)生的冒落氣浪速度分別為：11.05m/s、17.55m/s。其中Ⅲ4礦體的冒落氣浪超過了礦山的安全速度12m/s，對礦山的生產(chǎn)安全造成影響，應(yīng)采取應(yīng)對措施處理采空區(qū)。

4 采空區(qū)的處理方式

現(xiàn)階段，采空區(qū)處理的方法主要有三種：①基本方法主要包括崩落法、充填法、支撐法、封閉隔離法；②采空區(qū)處理的聯(lián)合法主要有支撐充填法、崩落隔離法、礦房崩落充填法、支撐片落法；③現(xiàn)階段采空區(qū)處理的新方法有切槽放頂法、切頂與礦柱崩落法、V形切槽上盤閉合法、硐室與深孔爆破法[5-10]。其中，采空區(qū)的基本法和聯(lián)合法各方面都有局限性和特定的適應(yīng)條件，且費(fèi)用都比較高。新方法都能通過一種施工工藝達(dá)到多種基本方法的處理工藝，而且成本比較低，可以根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇處理。

根據(jù)該礦山的具體情況、穩(wěn)定性分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以及各種處理方式的適應(yīng)條件，了解該礦山地表允許塌陷，初步選定處理方式為崩落部分圍巖處理采空區(qū)。主要技術(shù)路線：通過數(shù)值模擬分析可知，采空區(qū)的圍巖應(yīng)力，位移和塑性區(qū)主要集中在上盤頂板處，選擇采空區(qū)應(yīng)力集中處進(jìn)行崩落圍巖，既可以降低成本，還能達(dá)到最好的效果，崩落部分圍巖充填采空區(qū)，使其達(dá)到一定的厚度，與采空區(qū)底板共同形成阻波緩沖帶，當(dāng)緩沖帶達(dá)到一定厚度，就能消除冒落氣浪的影響，并且對礦山的后續(xù)開采不產(chǎn)生安全隱患。

5 結(jié)論

根據(jù)對采空區(qū)的現(xiàn)場形態(tài)和穩(wěn)定性分析，并且對冒落高度和冒落氣浪的計算，處理方式的分類與優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢，得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場形態(tài)的考察和數(shù)值模擬分析可知采空區(qū)存在的安全隱患和不穩(wěn)定因素。

(2)通過對冒落高度和冒落氣浪的計算，確定了采空區(qū)的影響范圍和礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能。

(3)分析采空區(qū)的處理方式，針對該礦山的具體情況，給出經(jīng)濟(jì)合理有效的處理方式，消除采空區(qū)對礦山安全的影響。

綜上所述，本文通過理論分析與該礦山具體實際相結(jié)合，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析，計算預(yù)測采空區(qū)存在的安全隱患，并提出合理先進(jìn)的處理方式，對該礦山安全生產(chǎn)具有很大的實際意義。

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