某礦山地下采空區對地表穩定性的影響研究

劉 永，張志軍，賀桂成，丁德馨

(南華大學核資源與核燃料工程學院，湖南 衡陽 421001)

礦山開采是人類取得有用礦產資源的重要經濟活動，然而大多數礦山對于開采后遺留的空區僅采用封閉的方法，致使地下采空區長期存在，其潛在的危險嚴重危及到礦山居民生命財產安全。近年來，國內許多礦山的地下空區都出現了不同程度的破壞，繼而引起地表沉陷，造成地表農田毀壞、房屋開裂，更有甚者造成人員傷亡[1-5]。因此，對空區圍巖穩定狀況進行合理地分析，并提出合理的空區治理措施，一直是采礦工程領域的一項熱門研究課題。

目前，數值計算方法和計算機模擬技術的飛速發展，為分析地下采空區對地表沉陷的影響提供了有利條件，其中有限元、有限差分等方法在巖體內部應力分析、采場圍巖變形行為仿真以及地下采空區穩定性模擬中得到了廣泛應用[4-6]。而其中的有限差分法軟件FLAC3D則是世界公認的后處理最為強大、可靠的分析工具，因此，本文即針對湖南某礦山現存地下采空區，采用FLAC3D對其中一個采空區對地表沉降的影響進行了分析，繼而對照礦山實際狀況進行了比較，結果表明這是一種合理、有效的分析方法。

1 工程概況

1.1 礦山工程地質簡況

湖南省某礦山盛產錫礦，銻礦體賦存于透性較高的七里江灰巖頂部砂化巖石中，其上覆蓋著透性極差的頁巖。整個礦田構造為一個兩端傾伏雙攀型短背斜。軸向北東25°，北端為揚起傾伏，傾伏角10°～15°；南端為沉降傾伏，傾伏角30°～40°。核部由七里江砂化灰巖石組成，北、東、南三面依次變為上泥盆統地層，傾角一般為20°～30°。西翼為西部大斷層破壞，致使石磴于灰巖與七里江砂化灰巖石接觸，和七里江砂化灰巖傾角變陡到45°～60°，構成不對稱的短背斜。主要發育有F86斷層，其走向NE45°，傾向SE，傾角60°左右，屬于成礦后斷裂，對礦體具有破壞性[8]。

1.2 采空區概況

目前，該礦山正計劃向深部繼續開采，空區規模亦將不斷擴大。如果不迅速處理這些已有空區，就極有可能引發大規模的地表沉陷，危及到地表所住居民和礦山工作人員的生命財產安全。因此，為了礦山的可持續發展，有必要對礦山的采空區進行穩定性研究。

筆者在進行采空區調查后發現，其中最大的一個采空區體積約8000m3，同時該采空區對地表安全威脅最大，因此有必要對其進行數值模擬以分析其穩定狀況。該空區沿東西向長約30m，南北向長約45m，空區高度約6m，頂板距離地表約48m?？諈^正上方地表覆蓋1～3m厚的土層，并建有樓房。空區東約80m處有一傾角約40度的斷層F86。空區位于泥盆統佘田橋組中段硅化灰巖中。

為獲取數值建模所需的各種物理力學參數，特到現場取得礦區圍巖樣本進行了巖石力學試驗，并結合礦區地質資料[10]，確定各參數如表1所示。

表1 空區巖層物理力學參數表

2 數值模擬與結果分析

2.1 模型建立

依據該采空區的實際尺寸，構建該采空區模型，其長度Y方向取45m，寬度X方向取30m，高度Z方向取6m，距離地表約48m。取巖石移動角為70°，影響范圍X水平方向左邊取36m，右邊界取到171m處。Z豎直方向起始點取采空區底部向下延伸16.5m處，上部取到地表巖層邊界處?？紤]到相鄰小空區的坐標，該模擬空區Y水平方向前方取為5m，采空區為45m，后面方向延伸40m，Y方向共取90m。所建模型如圖1所示。

圖1 采空區模型圖

2.2 邊界條件

邊界約束條件設置如下：

1)模型的前后左右四個面水平X和Y方向位移均固定為零，豎直方向為自由沉降；

2)模型底面全固定，模型上表面(即地面)為全自由；

3)模型中的采空區的邊界條件都是沒有約束的自由邊界，并允許大變形；

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4)考慮到地表建筑物的影響，模型上邊界沿X方向0～95m范圍內施加-0.054MPa的均布載荷。

2.3 模型模擬結果

2.3.1 模型模擬計算

編制FLAC3D命令程序，并進行模擬計算，得到如下模型豎直方向應力分布圖、豎直方向位移分布圖、X向豎直剖面位移等值線、Y向豎直剖面位移等值線以及模型中心剖面塑性區分布圖等。

圖2所示可以看出，采空區底板、部分邊幫以及斷層底面處發生應力集中，最大豎向應力為3.2408MPa。而頂板上豎向應力約為1MPa，模型中最小應力約為2.5MPa。均小于圍巖的抗拉、抗壓強度，因此該采空區是穩定的。

圖3所示可以看出，地表發生的最大位移約為2.2816cm，而采空區頂板處位移量達8.6295cm，并且從位移分布上可以看出采空區的位移對地表位移有所影響。進一步的，為了確定采空區位移對地表的影響程度，沿采空區中心，采用自編接口程序，分別獲得X向和Y向豎直剖面的兩個位移等值線圖4和圖5。

圖2 模型豎直方向應力分布圖

圖3 模型豎直方向位移分布圖

圖4 模型X向豎直剖面位移等值線圖(Y=25m)

圖5 模型Y向豎直剖面位移等值線圖(X=50m)

圖4和圖5中采空區豎向變形的1.1cm線已與地表沉降連接在了一起，這說明采空區頂板變形所引起的地表沉降量為1.1cm。

為了分析該采空區目前的穩定狀況，取空區模型中心Y=25m處豎直剖面塑性區分布圖，如圖6。

圖6 模型剖面塑性區分布圖(Y=25.1m處)

圖6中Shear-p表示該區域曾受剪破壞，當前處于彈性狀態；Tension-p表示該區域曾受拉伸破壞，當前處于彈性狀態。由該圖可判斷采空區處于Tension-p狀態，即當前狀態為彈性狀態，但曾受拉伸破壞，因此該區域巖體已破碎。

2.3.2 地表沉降量模擬結果

取模型的Y=25m剖面，將其地表各點沉降量繪制于坐標中，再將各點采用樣條曲線擬合，結果如圖7。

圖7 模型地表沉降量樣條曲線擬合圖

進一步地，對圖7曲線進行了函數擬合，所得表達式如下：

(1)

由上圖7可以看出，模型沿水平方向的地表下沉量呈現拋物線型分布，即兩邊的沉降量較大，中間的沉降量較小。在模型坐標為(0.1，-2.2816)處，沉降量達到最大值2.2816cm。

2.4 模擬結果分析

綜合圖3～圖7可得，頂板的變形對地表產生的影響占地表全部沉降量的48.2%，而上部荷載所引起的地表沉降占地表全部沉降量的51.8%?？梢姡煽諈^頂板的變形對地表的影響是很大的。

長期監測結果亦顯示該采空區上覆地表沉降亦持續發生，雖然沉降量較小，但鑒于上覆地層較薄，地表有大量居民活動，因此必須對采空區進行及時處理，以保障后續開采工作順利、安全地進行。

目前，國內外處理礦山地下開采遺留的采空區的方法主要有封閉、崩落、支撐、加固和充填五大類[5,11]。對于本礦區，由于上面有民房、廠房、工廠等建筑物，所以最好選擇充填法對采空區進行處理。同時，為了節約成本，建議該礦對采空區采用廢石干式充填。充填時，應嚴格控制充填質量。

3 結論

1)該礦山采空區圍巖雖然較堅硬，但由于上覆地表較薄，且采空區體積較大，因此有必要對其穩定性進行分析，并及時采用處理措施。

2)隨著時間的變化以及其他因素的作用，如相鄰采空區的相互影響、爆破震動、地表滲水等，均有可能導致采空區已處于破碎狀態的巖體繼續破壞，造成整個采空區坍塌，并最終引起上部建筑物的破壞、倒塌，危及當地居民的生命財產安全。因此，亦需及時采取合理的處理措施對采空區進行處理。

3)該礦采用所建議的廢石干式充填法對礦區范圍內的采空區進行了充填作業，充填質量良好，截止2011年底，監測結果顯示地表沉降已趨于穩定。采用廢石干式充填法，既節約了采空區處理成本，同時亦能夠達到預期的處理效果，這已是礦山企業首選的采空區處理方法之一。

4)數值模擬方法能夠建立與實際工程相似的立體模型，并能顯示出模型任意剖面的位移云圖和位移等值線，便于直觀地分析采空區對地表影響的應力、變形關系，這對于指導實際工作有一定的現實意義。

[1]王思敬.中國巖石力學與工程世紀成就[M].南京：河海大學出版社，2004.

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