鉛鋅礦采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性分析及治理

黃舞炎+房佳+周能祥

（福建金東礦業(yè)股份有限公司，福建 三明 365000）

摘要：文章闡述了影響鉛鋅礦采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性的主要因素，提出了鉛鋅礦上覆邊坡穩(wěn)定性的分析方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)治理鉛鋅礦采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性的思路進(jìn)行論述，期望對(duì)確保礦山安全生產(chǎn)有所幫助。

關(guān)鍵詞：鉛鋅礦；采空區(qū)；邊坡穩(wěn)定性；礦山安全

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2014）22-0104-031影響鉛鋅礦采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性的主要因素

大體上可將影響采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性的因素歸納為以下幾個(gè)方面：

1.1巖體結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面是構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)的兩大基本要素，同時(shí)這兩個(gè)要素也是反映巖體工程地質(zhì)特征的主要因素，其不但會(huì)對(duì)巖體的內(nèi)在特性有所影響，而且還會(huì)影響到巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)及變形破壞過(guò)程。由于結(jié)構(gòu)體與結(jié)構(gòu)面能夠決定巖體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。故此，巖體的穩(wěn)定性與這兩個(gè)方面有著密切關(guān)聯(lián)，兩者的性質(zhì)是影響巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

1.2礦體傾角

由于礦體傾角直接決定了采空區(qū)的賦存特征，因此也對(duì)頂板和底板巖石的受力狀態(tài)以及變形破壞具有一定程度的影響。相關(guān)研究結(jié)果表明，傾角不同的礦體對(duì)采空區(qū)地面的影響均不相同，在采空區(qū)容積相同的前提下，急傾斜比緩傾斜對(duì)地表的破壞作用更大一些，并且極其容易形成垂直剪斷。此外，急傾斜礦體的采空區(qū)還很難保持相對(duì)穩(wěn)定，其中的松散體易出現(xiàn)垮落，由此會(huì)引起地表沉降，進(jìn)而引起邊坡失穩(wěn)。

1.3采空區(qū)的規(guī)模與形態(tài)

采空區(qū)規(guī)模與形態(tài)是影響鉛鋅礦圍巖穩(wěn)定性的重要因素。具體表現(xiàn)為：若采空區(qū)的面積較大，則極易引發(fā)垮落事故，造成大范圍的巖移；若相鄰采空區(qū)距離較近，則會(huì)促使采空區(qū)在相互影響下加劇對(duì)圍巖穩(wěn)定性的危害；當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)總量相同時(shí)，若被強(qiáng)度足夠的礦柱或無(wú)礦帶隔離、分割，則會(huì)提高圍巖的穩(wěn)定性，大幅度減少巖移幅度；矩形采空區(qū)的拱角處是圍巖應(yīng)力的高度集中區(qū)，極易出現(xiàn)拱角破壞現(xiàn)象。

1.4采空區(qū)的開(kāi)挖深度

采空區(qū)開(kāi)挖深度的不同，其引起地表巖移的程度也不同。開(kāi)采深度與各種變形值成反比，隨著開(kāi)采深度的增加，會(huì)減小地表各種移動(dòng)變形值，擴(kuò)大地表移動(dòng)范圍。同時(shí)，采空區(qū)開(kāi)挖深度還對(duì)地表持續(xù)時(shí)間有一定影響。當(dāng)開(kāi)采深度較小時(shí)，地表的下沉速度較大，其移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短；當(dāng)開(kāi)采深度較大時(shí)，地表的下沉速度較小，其移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較為緩慢。

1.5水文條件

地下水對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的阻抗能力有著重要影響。具體表現(xiàn)為：地下水的滲透壓力越大、賦存越豐富，其結(jié)構(gòu)面中的充填物越軟化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度越弱。在巖體內(nèi)裂隙水的動(dòng)水壓力作用下，會(huì)沖刷走結(jié)構(gòu)面中的大量充填物，降低巖體的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而嚴(yán)重影響巖體的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。

2鉛鋅礦上覆邊坡穩(wěn)定性的分析方法

在巖土工程中，有限元法是應(yīng)用最為普遍的一種分析工具，該方法具體是指將一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)物通過(guò)與之近似的物理模型來(lái)代替，然后依據(jù)相關(guān)理論建立方程組，再對(duì)方程組進(jìn)行求解，由此獲得未知的物理物（量），進(jìn)而獲取與之相關(guān)的輔助量值。目前較為常用的有限元法包括位移型、平衡型、混合型等，在這幾種方法中，位移型有限元比較容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，從而使得求解問(wèn)題變得更加簡(jiǎn)單。在對(duì)礦山的巖土工程問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，常常會(huì)涉及到幾何非線性方面的問(wèn)題，如巖層移動(dòng)、不均勻沉陷、采空區(qū)頂板下沉規(guī)律等，這些問(wèn)題的實(shí)質(zhì)上就是大位移問(wèn)題。故此，可以采用有限元法進(jìn)行分析。

2.1建立分析模型

2.1.1有限元模型的特點(diǎn)。本文中采用的是三維有限元模型，該模型的基本功能如下：可以對(duì)三維巖土工程問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算；可以模擬出分步開(kāi)挖，在這一過(guò)程中能夠充分考慮多種因素的影響；能夠考慮材料的屈服準(zhǔn)則；可以輸入多種荷載，如地震荷載等；單元種類(lèi)多；運(yùn)算速度快、精度高；處理功能強(qiáng)大。

2.1.2計(jì)算模型建立。按照某鉛鋅礦采空區(qū)的基本形態(tài)和特點(diǎn)，并在充分結(jié)合巖石力學(xué)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，建立起了三維有限元模型，該模型的長(zhǎng)寬高分別如下：1200m、1000m、800m，模型當(dāng)中的x方向?yàn)檠刂V體的走向，該數(shù)值可以取800m，z方向?yàn)榇怪庇诘V體走向，可取1000m，y方向則為沿垂直方向，可取1000m。該三維模型底部的所有節(jié)點(diǎn)均采用x、y、z三個(gè)方向作為約束；由于采空區(qū)與地表之間的距離大約在300m左右，加之地應(yīng)力相對(duì)比較復(fù)雜，故此，為了便于計(jì)算，λ取1.15；采用Drucker-Prager塑性破壞準(zhǔn)則對(duì)巖體的具體破壞情況進(jìn)行分析。

2.2邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

為了便于計(jì)算分析，決定模擬空區(qū)的實(shí)體形態(tài)，并按照實(shí)際模擬結(jié)果，對(duì)采空區(qū)上覆邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，具體如下：在采空區(qū)不開(kāi)挖的前提下，模型的整體位移垂直向下，且位移由上向下逐步減小，此時(shí)模型當(dāng)中出現(xiàn)無(wú)塑性區(qū)域。但是由于本文所研究的鉛鋅礦采空區(qū)已經(jīng)形成狀態(tài)。為此，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬時(shí)，需要將實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煽諈^(qū)。從模擬結(jié)果上看，隨著采空區(qū)的開(kāi)挖，其上盤(pán)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但并未超出圍巖的極限抗拉強(qiáng)度，同時(shí)，開(kāi)挖引起了新的位移現(xiàn)象，最大位置處的位移接近4mm，此時(shí)采空區(qū)上盤(pán)的安全率超過(guò)1.5，表明采空區(qū)一般穩(wěn)定狀態(tài)。然而，在增加地震荷載的情況下，采空區(qū)上覆邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大幅度降低，這表明邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)三維有限元分析得出如下結(jié)論，本文所研究的鉛鋅礦采空區(qū)在正常情況下為穩(wěn)定狀態(tài)，但如果遇到地震激發(fā)時(shí)，采空區(qū)的上覆邊坡會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，針對(duì)這一情況，可采取如下方法加以治理。

3治理鉛鋅礦采空區(qū)上覆邊坡穩(wěn)定性的思路研究

3.1圍巖崩落處理法

圍巖崩潰處理法是指利用崩落圍巖充填采空區(qū)，使其形成緩沖保護(hù)墊層，進(jìn)而有效防止巖石突然冒落造成嚴(yán)重危害的一種治理方法。采用這種治理方法能夠及時(shí)消除采空區(qū)應(yīng)力過(guò)于集中的問(wèn)題，大幅度減少地壓活動(dòng)，同時(shí)還能夠簡(jiǎn)化圍巖的處理工藝，降低采空區(qū)的處理成本。圍巖崩落處理法主要包括自然崩落圍巖和強(qiáng)制崩落圍巖兩種方法，自然崩落圍巖法主要適用于圍巖強(qiáng)度低、易崩落的情況，如對(duì)采礦的兩盤(pán)圍巖和上覆圍巖進(jìn)行崩落處理，待開(kāi)采之后對(duì)崩落圍巖進(jìn)行回收；強(qiáng)制崩落適用于地下硐室爆破、淺孔削壁充填、深孔切槽放頂?shù)惹闆r。

3.2充填處理法

充填處理法是指將廢石或濕式充填材料運(yùn)輸至采空區(qū)進(jìn)行充填密實(shí)的一種方法，該方法可以有效限制圍巖移動(dòng)，消除采空區(qū)帶來(lái)的隱患。這種處理方法主要適用于圍巖穩(wěn)固性較差，上部礦體需要保護(hù)以及貴重金屬、稀有礦床的開(kāi)采治理，不僅有利于增強(qiáng)采空區(qū)上覆邊坡的穩(wěn)定性。而且還有利于提高礦石回收率，減小開(kāi)采對(duì)地表生態(tài)的影響，避免放頂煤開(kāi)采引起地表沉陷現(xiàn)象。為此，我國(guó)正逐步加大充填處理法的應(yīng)用力度，力求促使礦山開(kāi)采實(shí)現(xiàn)無(wú)公害化、環(huán)保化。目前，我國(guó)銅官山銅礦已經(jīng)成功使用巖溶水充填采空區(qū)，金嶺鐵礦也采取充填法建成了地下尾礦庫(kù)，充填法的推廣應(yīng)用使得我國(guó)許多礦山取消了地表排土場(chǎng)。充填處理法根據(jù)充填材料性質(zhì)的不同，可分為干式充填法和濕式充填法，干式充填法適用于規(guī)模不大的中小礦山采空區(qū)充填，濕式充填法適用于具體分布狀況不明確的采空區(qū)充填。濕式充填法只能通過(guò)鉆孔來(lái)輸送已加工成流態(tài)的物料，而后再在壓力泵的作用下使其進(jìn)入采空區(qū)，這種充填方法有利于流態(tài)物料脫水沉積，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

3.3封閉、隔離采空區(qū)

這種治理方式是將采空區(qū)與外界相通的巷道封閉，并且在采空區(qū)與作業(yè)區(qū)之間設(shè)置隔離層，再在采空區(qū)上部開(kāi)通“天窗”，使采空區(qū)冒落產(chǎn)生的沖擊氣浪可以順利排出地表，從而確保作業(yè)區(qū)的安全。現(xiàn)階段，封閉、隔離采空區(qū)處理法在許多礦山得到了成功應(yīng)用，有利于保護(hù)作業(yè)設(shè)備、人員、巷道安全完好，防范作業(yè)人員誤入采空區(qū)。封閉采空區(qū)主要包括以下幾個(gè)形式，即設(shè)置巖石阻波墻、混凝土阻波墻、齒狀阻波墻、緩沖型阻波墻。

3.4聯(lián)合處理法

聯(lián)合處理法是指針對(duì)同一采空區(qū)共同實(shí)施幾種不同的處理方法，這種處理方法適用于礦體賦存條件復(fù)雜、生產(chǎn)狀況多樣的采空區(qū)，能夠充分發(fā)揮不同單一處理方法的優(yōu)勢(shì)，提高采空區(qū)上覆邊坡處理的經(jīng)濟(jì)性和合理性。目前，聯(lián)合處理法主要包括礦柱支撐與充填聯(lián)合法、封閉隔離與崩落圍巖聯(lián)合法。從應(yīng)用效果來(lái)看，聯(lián)合處理法擁有良好的應(yīng)用前景，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，靈活選取幾種單一的處理方法，有利于增強(qiáng)處理方法的適用性。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著國(guó)內(nèi)鉛鋅礦采空區(qū)的不斷增多，為了預(yù)防頂板冒落、上覆邊坡失穩(wěn)等情況的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)對(duì)采空區(qū)的圍巖及上覆邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的方法加以治理，從根本上消除礦山的安全隱患。這對(duì)于確保采礦安全和礦山的持續(xù)生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：黃舞炎（1985—），男，廣西藤縣人，福建金東礦業(yè)股份有限公司助理工程師，研究方向：礦山開(kāi)采。

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