邊坡下民采空區(qū)穩(wěn)定性分析及治理方案

張西良徐進(jìn)軍儀海豹崔正榮楊海濤

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230026；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；4.馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司南山礦業(yè)公司，安徽馬鞍山243000）

采空區(qū)是威脅礦山生產(chǎn)安全的一個(gè)重要危險(xiǎn)源；由于歷年來亂采濫采、民采盜采、不按照設(shè)計(jì)開采等多種因素影響，導(dǎo)致諸多地下采空區(qū)規(guī)模、尺寸、位置等參數(shù)不詳，增大了空區(qū)穩(wěn)定狀況評(píng)價(jià)及安全隱患治理難度[1-3]。近年來，已經(jīng)發(fā)生了多起采空區(qū)垮塌事故，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失。隨著國家礦業(yè)開發(fā)力度的不斷加大，開展采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)以及處理措施研究已成為礦山安全生產(chǎn)中高度重視的問題，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者開展了大量研究工作：姜立春[4]通過建立采空區(qū)類非線性多自由度振動(dòng)模型，數(shù)值分析了水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；吳啟紅[5]在利用FLAC3D軟件進(jìn)行采空區(qū)群數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，采用多級(jí)模糊評(píng)判開展了單個(gè)采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；吳愛祥[6]等以冬瓜山銅礦西山特大采空區(qū)的簡(jiǎn)化物理模型，理論計(jì)算了采空區(qū)頂板大面積冒落產(chǎn)生的空氣沖擊波強(qiáng)度以及墊層的削波效果；付建新[7]以程潮鐵礦西區(qū)開采為背景，采用室內(nèi)相似材料試驗(yàn)?zāi)M，初步揭示了緩傾斜厚大礦體崩落法開采過程中，隱伏采空區(qū)頂板的冒落機(jī)理；劉曉明等[8]在CMS準(zhǔn)確探測(cè)采空區(qū)的基礎(chǔ)上，將Surpac與Phase2耦合構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，開展了采空區(qū)的圍巖穩(wěn)定性分析。

本研究以某露天礦山邊坡下民采空區(qū)為工程背景，在空區(qū)規(guī)格參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用ANSYS和FLAC3D仿真分析軟件相結(jié)合的方式建立數(shù)值分析模型，探明該采空區(qū)的穩(wěn)定性狀況，進(jìn)行空區(qū)處理方案設(shè)計(jì)，提出主要安全施工措施，為礦山采空區(qū)治理、消除其安全隱患提供指導(dǎo)依據(jù)。

1　邊坡下民采空區(qū)概況

某露天石灰?guī)r礦已開采多年，采用爆破方式開采，臺(tái)階高度15 m，潛孔鉆機(jī)穿孔，孔徑90 mm，乳化炸藥爆破。在礦山生產(chǎn)過程中揭露一個(gè)民采空區(qū)洞口，位于采場(chǎng)邊坡下方；由于采空區(qū)形成20余年，同時(shí)受到礦山前期開采頻繁爆破擾動(dòng)、降雨等多因素綜合影響，空區(qū)圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較差，局部塌落冒落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)礦山開采構(gòu)成較大安全隱患。

采空區(qū)探測(cè)是治理的基礎(chǔ)和先決條件，為此礦山采用全站儀等設(shè)備測(cè)量確定了采空區(qū)規(guī)格參數(shù)。采空區(qū)面積約1 205 m2，呈北西—南東走向，最大長(zhǎng)度77 m，最大寬度26 m；底板標(biāo)高+115 m，高度5～6 m；埋深（采空區(qū)頂板厚度）15～25 m。

2　民采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件和測(cè)量的采空區(qū)參數(shù)，選取5個(gè)地質(zhì)剖面，采用ANSYS軟件提取各剖面圖的關(guān)鍵點(diǎn)，依次生成線、面以及體的方法建立包含采空區(qū)的三維立體數(shù)值計(jì)算模型，準(zhǔn)確確定采空區(qū)在位置計(jì)算模型中的位置，然后通過接口程序?qū)隖LAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9]。

根據(jù)礦體開采周圍巖體受采動(dòng)影響范圍的大小，建立的計(jì)算模型尺寸：長(zhǎng)度×寬度=140 m×100 m，高度為自標(biāo)高+90 m以上至地表；在采空區(qū)頂板上等間距設(shè)置3個(gè)位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采空區(qū)與計(jì)算模型的相對(duì)位置關(guān)系見圖1；計(jì)算模型共計(jì)105 276個(gè)單元，20 040個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用四面體單元剖分，精度以確保無畸變單元為原則并在局部適當(dāng)加密。這里將巖性簡(jiǎn)化為圍巖和礦體2種彈塑性連續(xù)介質(zhì)類型，材料為理想彈塑性；采用莫爾—庫侖準(zhǔn)則。

2.2計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)礦山地質(zhì)報(bào)告巖體參數(shù)，參考類似礦山巖體力學(xué)參數(shù)，采用強(qiáng)度折減法對(duì)巖石參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，確定計(jì)算模型所采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3邊界條件及計(jì)算方案

在計(jì)算模型側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，上部為自由面。鑒于空區(qū)埋深較淺，這里只考慮巖體自重應(yīng)力場(chǎng)。

首先計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，然后對(duì)模型位移和應(yīng)力進(jìn)行清零，采取采空區(qū)一次開挖形成的計(jì)算方案，模擬礦體開挖回采過程，簡(jiǎn)化計(jì)算過程。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1應(yīng)力場(chǎng)分析

采空區(qū)剖面豎直方向應(yīng)力分布見圖2和圖3。采空區(qū)形成后，在采空區(qū)周邊圍巖形成條帶狀應(yīng)力等值線圖；由于地應(yīng)力轉(zhuǎn)移，巖體屈服破壞，在跨度較大的空區(qū)中部的頂板和底板位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力釋放；且頂板產(chǎn)生一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，而底板為壓應(yīng)力，在頻繁爆破振動(dòng)、降雨、地應(yīng)力等因素的綜合影響下，易發(fā)生空區(qū)頂板冒落事故。這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)許多頂板垮落的巖塊相吻合。

2.4.2位移場(chǎng)分析

采空區(qū)剖面位移分布見圖4和圖5。由于應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，引起位移場(chǎng)的分布變化，位移矢量指向采空區(qū)。在采空區(qū)頂板產(chǎn)生位移沉降，最大變形量達(dá)7.13 mm；而底板主要表現(xiàn)為隆起位移，最大底鼓量為5.96 mm。且沿著采空區(qū)走向呈現(xiàn)“中間變形大，兩端變形小”的位移變化現(xiàn)象。說明采空區(qū)中間區(qū)域發(fā)生垮塌冒落的可能性更大，不利于采空區(qū)的安全，亟待進(jìn)行空區(qū)處理，消除安全隱患。分析認(rèn)為，采空區(qū)中間區(qū)域跨度大、頂板暴露面積大，增大了空區(qū)失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3　空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)

為確保礦山生產(chǎn)作業(yè)安全，結(jié)合開采初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用“采空區(qū)頂板崩落+邊坡削坡”的綜合治理方案。將采空區(qū)至地表的頂柱崩落，并對(duì)周邊露天邊坡進(jìn)行削坡處理，降低邊坡高度和邊坡角，形成+125 m和+140 m 2個(gè)安全臺(tái)階，平臺(tái)寬度6 m，臺(tái)階邊坡角60°，與初步設(shè)計(jì)終了臺(tái)階實(shí)現(xiàn)較好銜接；待采空區(qū)處理后坑底形成+115 m平臺(tái)，避免邊坡失穩(wěn)滑坡事故，徹底消除采空區(qū)安全隱患。

設(shè)計(jì)采空區(qū)頂板崩落采用深孔爆破的方法，采用2臺(tái)潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鑿孔，孔徑115 mm；乳化炸藥爆破，塑料導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，微差逐孔起爆方式。炮孔采用連續(xù)柱狀裝藥，頂部用巖粉和黏土填塞（剔除石塊）。每孔2發(fā)起爆雷管，分別置于藥柱上、下部1/4處。設(shè)計(jì)分3次爆破，爆破后礦巖先不進(jìn)行鏟裝；待邊坡削坡剝離完成后，再進(jìn)行鏟裝。

設(shè)計(jì)邊坡削坡采用自上而下分臺(tái)階爆破方案，乳化炸藥爆破，逐孔微差起爆方式。每次起爆2～3排炮孔。設(shè)計(jì)臺(tái)階高度10 m，高于10 m的地段分臺(tái)階爆破，低于10 m的地段一次爆破。爆破后合格塊度≤350 mm；爆破產(chǎn)生的大塊巖石采用破碎錘破碎，嚴(yán)禁采用爆破法進(jìn)行大塊處理。爆破參數(shù)見表2。

設(shè)計(jì)治理后邊坡剖面見圖6，經(jīng)計(jì)算治理后的邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.26，大于《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016—2014）邊坡工程安全Ш級(jí)（邊坡高度H≤100 m）在荷載組合Ⅱ級(jí)（自重+地下水+爆破振動(dòng)力）下的安全系數(shù)1.13～1.08，正常情況下可以保證采場(chǎng)邊坡的安全。

4　主要施工安全措施

考慮到民采空區(qū)治理施工安全，主要施工安全措施如下。

（1）全部采空區(qū)治理人員佩戴安全帽、勞保鞋等勞保防護(hù)用品，并經(jīng)安全培訓(xùn)教育合格后方可作業(yè)；全部特種作業(yè)人員持證上崗。

（2）在采空區(qū)周邊設(shè)置“邊坡危險(xiǎn)，小心滑坡”、“采空區(qū)治理區(qū)域，禁止無關(guān)人員進(jìn)入”等安全警示牌，拉警戒帶等安全標(biāo)志；嚴(yán)禁無關(guān)人員、牲畜等進(jìn)入。

（3）施工前編制采空區(qū)處理施工計(jì)劃，選擇有資質(zhì)的施工單位按照施工計(jì)劃進(jìn)行施工。

（4）測(cè)量人員應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，測(cè)量圈定爆破施工范圍，準(zhǔn)確確定鉆孔位置。

（5）鉆孔作業(yè)人員要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，掌握好鉆孔位置和炮孔深度，保證孔底與采空區(qū)之間的安全距離。每隔8～10個(gè)炮孔應(yīng)有2個(gè)炮孔鑿穿至采空區(qū)，為其他炮孔深度控制提供依據(jù)。

（6）每次爆破后，必須檢查地表裂隙情況，調(diào)整好鉆機(jī)位置；安排技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指揮，避險(xiǎn)鉆孔和鏟裝作業(yè)相互影響，防止發(fā)生機(jī)械傷害和高處墜落事故。

（7）施工機(jī)械的工作位置應(yīng)平坦穩(wěn)固，除按規(guī)范操作外還應(yīng)按事先設(shè)計(jì)的路線行走；施工機(jī)械與臺(tái)階邊緣應(yīng)留有足夠的安全距離，并應(yīng)有專人指揮，指揮人員不得進(jìn)入機(jī)械作業(yè)范圍內(nèi)。

（8）在裝藥前，爆破工程技術(shù)人員應(yīng)對(duì)第一排鉆孔的最小抵抗線進(jìn)行測(cè)定，對(duì)形成反坡或有大裂隙的部位應(yīng)考慮調(diào)整藥量或間隔填塞。底盤抵抗線過大的部位，應(yīng)進(jìn)行處理；孔口抵抗線過小者，應(yīng)適當(dāng)加大填塞長(zhǎng)度。

（9）其它注意事項(xiàng)，嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中的有關(guān)條款執(zhí)行。

5　結(jié)論

（1）數(shù)值計(jì)算表明：采空區(qū)形成后，由于圍巖發(fā)生塑性屈服破壞，在空區(qū)頂板和底板產(chǎn)生明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象；在頻繁爆破振動(dòng)、降雨、地應(yīng)力等因素的綜合影響下，在空區(qū)跨度和暴露面積較大的中部區(qū)域，易于發(fā)生頂板失穩(wěn)冒落，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況相吻合。

（2）沿著采空區(qū)走向，位移變化呈現(xiàn)“中間變形大，兩端變形小”的現(xiàn)象，頂板和底板分別表現(xiàn)為沉降和隆起，最大下沉量和底鼓量分別達(dá)到7.13mm和5.96mm，采空區(qū)中間區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）采用“采空區(qū)頂板崩落+邊坡削坡”的綜合治理方案，治理后的邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.26，可以較好地消除民空區(qū)安全隱患，避免邊坡失穩(wěn)滑坡事故，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與初步設(shè)計(jì)終了臺(tái)階的良好銜接，保證礦山安全正常開采。