某礦山地下采空區(qū)對地表穩(wěn)定性的影響研究

劉 永，張志軍，賀桂成，丁德馨

(南華大學(xué)核資源與核燃料工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

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

目前，數(shù)值計算方法和計算機模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，為分析地下采空區(qū)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(nèi)部應(yīng)力分析、采場圍巖變形行為仿真以及地下采空區(qū)穩(wěn)定性模擬中得到了廣泛應(yīng)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(xiàn)存地下采空區(qū)，采用FLAC3D對其中一個采空區(qū)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(jié)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(zhì)簡況

湖南省某礦山盛產(chǎn)錫礦，銻礦體賦存于透性較高的七里江灰?guī)r頂部砂化巖石中，其上覆蓋著透性極差的頁巖。整個礦田構(gòu)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?guī)r石組成，北、東、南三面依次變?yōu)樯夏嗯杞y(tǒng)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?guī)r與七里江砂化灰?guī)r石接觸，和七里江砂化灰?guī)r傾角變陡到45°～60°，構(gòu)成不對稱的短背斜。主要發(fā)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(qū)概況

目前，該礦山正計劃向深部繼續(xù)開采，空區(qū)規(guī)模亦將不斷擴大。如果不迅速處理這些已有空區(qū)，就極有可能引發(fā)大規(guī)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(chǎn)安全。因此，為了礦山的可持續(xù)發(fā)展，有必要對礦山的采空區(qū)進行穩(wěn)定性研究。

筆者在進行采空區(qū)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，其中最大的一個采空區(qū)體積約8000m3，同時該采空區(qū)對地表安全威脅最大，因此有必要對其進行數(shù)值模擬以分析其穩(wěn)定狀況。該空區(qū)沿東西向長約30m，南北向長約45m，空區(qū)高度約6m，頂板距離地表約48m。空區(qū)正上方地表覆蓋1～3m厚的土層，并建有樓房。空區(qū)東約80m處有一傾角約40度的斷層F86。空區(qū)位于泥盆統(tǒng)佘田橋組中段硅化灰?guī)r中。

為獲取數(shù)值建模所需的各種物理力學(xué)參數(shù)，特到現(xiàn)場取得礦區(qū)圍巖樣本進行了巖石力學(xué)試驗，并結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)資料[10]，確定各參數(shù)如表1所示。

表1 空區(qū)巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 模型建立

依據(jù)該采空區(qū)的實際尺寸，構(gòu)建該采空區(qū)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(qū)底部向下延伸16.5m處，上部取到地表巖層邊界處。考慮到相鄰小空區(qū)的坐標，該模擬空區(qū)Y水平方向前方取為5m，采空區(qū)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(qū)模型圖

2.2 邊界條件

邊界約束條件設(shè)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(qū)的邊界條件都是沒有約束的自由邊界，并允許大變形；

在霞浦進行拍攝，要考慮到潮汐帶來的景色變化，隨著潮水的褪去，灘涂才會顯露出來，此時是拍攝的最佳時機。沙江是此行拍攝灘涂最為壯觀的地點之一，本來期待拍攝落日的我們，雖然沒有如期而遇地等到太陽，沒有晚霞的絢麗色彩，索性使用黑白模式。這里眾多插在灘涂上的竹竿形成的優(yōu)美線條，錯落有致地排列在“S”形的港灣水道兩邊，依然構(gòu)成了一幅完美的灘涂風(fēng)景。每當海帶收獲季節(jié)，來來往往的船只，在竿影間繁忙穿梭，水墨韻律更加美妙突出。

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(nèi)施加-0.054MPa的均布載荷。

2.3 模型模擬結(jié)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(yīng)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(qū)分布圖等。

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

圖3所示可以看出，地表發(fā)生的最大位移約為2.2816cm，而采空區(qū)頂板處位移量達8.6295cm，并且從位移分布上可以看出采空區(qū)的位移對地表位移有所影響。進一步的，為了確定采空區(qū)位移對地表的影響程度，沿采空區(qū)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(yīng)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(qū)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(qū)頂板變形所引起的地表沉降量為1.1cm。

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

圖6 模型剖面塑性區(qū)分布圖(Y=25.1m處)

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

2.3.2 地表沉降量模擬結(jié)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(jié)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(shù)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(xiàn)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(jié)果分析

綜合圖3～圖7可得，頂板的變形對地表產(chǎn)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%。可見，采空區(qū)頂板的變形對地表的影響是很大的。

長期監(jiān)測結(jié)果亦顯示該采空區(qū)上覆地表沉降亦持續(xù)發(fā)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(qū)進行及時處理，以保障后續(xù)開采工作順利、安全地進行。

目前，國內(nèi)外處理礦山地下開采遺留的采空區(qū)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(qū)，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(qū)進行處理。同時，為了節(jié)約成本，建議該礦對采空區(qū)采用廢石干式充填。充填時，應(yīng)嚴格控制充填質(zhì)量。

3 結(jié)論

1)該礦山采空區(qū)圍巖雖然較堅硬，但由于上覆地表較薄，且采空區(qū)體積較大，因此有必要對其穩(wěn)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(qū)的相互影響、爆破震動、地表滲水等，均有可能導(dǎo)致采空區(qū)已處于破碎狀態(tài)的巖體繼續(xù)破壞，造成整個采空區(qū)坍塌，并最終引起上部建筑物的破壞、倒塌，危及當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全。因此，亦需及時采取合理的處理措施對采空區(qū)進行處理。

3)該礦采用所建議的廢石干式充填法對礦區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)進行了充填作業(yè)，充填質(zhì)量良好，截止2011年底，監(jiān)測結(jié)果顯示地表沉降已趨于穩(wěn)定。采用廢石干式充填法，既節(jié)約了采空區(qū)處理成本，同時亦能夠達到預(yù)期的處理效果，這已是礦山企業(yè)首選的采空區(qū)處理方法之一。

4)數(shù)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(qū)對地表影響的應(yīng)力、變形關(guān)系，這對于指導(dǎo)實際工作有一定的現(xiàn)實意義。

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