鐵礦床滯留采空區穩定性綜合分析模型*

盧宏建 甘德清

(1.河北聯合大學礦業工程學院;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室)

采空區［1-3］是采掘活動中的典型地質災害源，可導致地表開裂、地面塌陷、滑坡、地下水位下降等多種災害，是誘發礦山地質災害和生態環境問題的主要影響因素。

河北省是全國鐵礦主產區之一，經過多年高強度的資源開發，形成了大面積的滯留采空區。隨著時間的推移，必將導致空區地壓活動頻繁，發生連鎖反應，威脅人民生命財產安全，影響社會和諧穩定，后果嚴重。因此有必要對通過理論分析，就滯留采空區對地表建筑物穩定性的影響進行定量和定性分析，以便保護礦區及其附近居民生命財產和建筑物的安全。

對由于礦床采動引起的地表塌陷與沉降的預測等相關問題，煤礦領域取得眾多研究成果，而金屬礦體由于其賦存條件和采礦方法比較復雜，煤礦的眾多規律和理論不能復制［4-6］。因此本研究將滯留采空區穩定性分析方法——三帶理論、巖石移動帶理論、數值模擬理論三者有機結合，形成了鐵礦床滯留采空區穩定性綜合分析模型，并以河北某礦山為例，對其滯留空區穩定性影響進行了定性、定量分析。

1 滯留采空區穩定性綜合分析模型

1.1 三帶理論分析方法

礦體開采后破壞了原有平衡的應力場，應力要重新分配達到平衡，引起采空區上覆巖層運動依次形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。

(1)冒落帶［7］為采空區上方覆巖因破碎而冒落的區域，冒落帶高度h一般采用式(1)表示:

式中，m為采空區高度，k為覆巖松散系數。

(2)裂隙帶。位于冒落帶的上方，該區域巖層發生彎曲、離層，變形量大。

(3)彎曲帶。位于三帶最上方，下沉量小，巖層不發生破裂。

1.2 巖石移動帶分析方法

此方法［8］是采用礦體上下盤圍巖的移動角或陷落角確定其采動后變形破壞的范圍，如圖1所示。

圖1 破壞與移動范圍

1.3 數值模擬方法

此方法即在獲得礦巖體力學參數的基礎上，進行礦體采動過程數值模擬分析，能定量地分析采空區對上覆巖層的影響程度［9-10］。

1.4 穩定性綜合分析方法

通過三帶理論分析得出空區的冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的范圍，通過巖石移動帶理論得出圍巖移動范圍，將三帶理論和巖石移動帶理論得出的結論植入有限元模型，使三者有機結合，構成準確、仿真的采空區穩定性綜合分析模型。

2 工程背景

以河北承德啟盈四采區為研究背景。啟盈四采區于2005開工建設，2006年建成投產，主要開采Fe23號礦體。礦山有2條開采礦體，截至2010年已開采346、323和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，為巷道挑頂型采場，運輸巷道布置在脈內，巷道即采場，采高10 m左右，頂柱高10 m左右，詳見圖2。

啟盈四采區2005年建設時地表情況簡單，周圍沒有任何建筑物以及鐵路、公路等設施，2007年在礦區南側約100 m處修建了京通鐵路，之后又陸續建設了鄉村公路、礦區辦公室、職工宿舍、周臺子村文化活動中心、周臺子賓館、周臺子小學等公共設施，其中周臺子村公園、礦區辦公室、職工宿舍、周臺子村文化活動中心、周臺子賓館、周臺子小學等建筑的布局詳見圖3。礦山經多年開采，形成了一定面積的采空區，目前雖然沒有出現采空區垮落現象，但隨著采空區暴露時間的增加，地壓活動也會逐漸增強，逐漸威脅各個井筒和地表建筑物的安全。因此有必要就現有采空區對地表建構筑物穩定性的影響進行分析評價，為礦山進行滯留采空區的處理提供理論依據。

圖2 空區現狀

圖3 礦山地表周邊環境

3 穩定性影響分析

3.1 三帶理論分析

根據礦山開采現狀，采空區高度取10 m，圍巖松散系數取1.5，代入公式(1)計算冒落帶的高度在20 m。

裂隙帶的高度通常等于冒落帶高度為20 m，彎曲帶的高度一般為裂隙帶高度的5倍，即100 m。得出礦山采空區影響高度為140 m。

該礦山最上一水平采空區距離地面深度在100 m，因此礦山現有采空區會造成地面一定區域內發生變形破壞。

3.2 巖石移動帶理論分析

根據礦山實際地質情況確定已有采空區的巖石移動范圍。上盤按65°圈定，下盤按70°圈定，端部按75°確定，最終確定了采空區巖石移動范圍，如圖4所示(圖中虛線范圍內)。

圖4 現有空區巖石移動范圍

根據目前礦山現有空區圈定的巖石移動帶范圍可以看出，文化活動中心、礦山豎井和花園的一些設施均在范圍之內，可見現有采空區會威脅到地面建構筑物的安全。

3.3 綜合分析方法

3.3.1 計算模型

通過三帶理論計算出冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的高度，通過巖石移動帶理論計算出圍巖移動范圍，將2種方法得出的結論植入有限元模型。三維實體網格模型如圖5所示，采出礦體網格模型如圖6所示。模型長600 m，寬300 m，高210 m，共劃分148 679個單元。

3.3.2 模擬步驟

模擬步驟:首先進行了原巖應力計算，其次為分步開挖形成地下采空區，計算時共分3步開挖形成現狀空區，然后再進行時間效應模擬。

3.3.3 計算參數

本次模擬計算根據地質詳查報告選取力學參數，見表1。

表1 力學參數

3.3.4 模擬結果分析

(1)現狀空區穩定性數值模擬結果及分析。本次結果分析選取最直接的地表位移參數為評價指標，結果如圖7所示。

因為第1水平頂板距地表有100多m距離，且空區面積較小，因此第1水平開挖后對地表影響很小，地表沉降值僅為0.007 mm;第2水平開挖后，隨著采空區范圍的增大，地表沉降量明顯最大值為0.27 mm;第3水平開挖后地表沉降量為0.26 mm。

(2)時間效應模擬。現狀空區穩定性數值模擬結果表明，目前采空區對地表建筑物影響不大，礦區現場調查也證實了這一點。但是由于模擬均采用的是理想模型，空區周圍礦體及其圍巖的巖石力學性質由于時間效應會使其弱化，即隨著時間的推移，采空區在地下水、地質運動、井下采礦爆破等因素影響下圍巖強度會逐漸降低，因此采空區的模擬必須考慮時間效應。如果采用現實時間進行模擬，硬件要求高，模擬時間相當大，為此本研究通過弱化巖石移動范圍內的圍巖參數模擬時間效應對空區的影響。同樣選取地表位移沉降值作為評價指標，模擬結果見圖8。

圖8 考慮時間效應的地表沉降位移云圖

巖體強度折減10%后地表沉降量最大值為1.5 mm。當巖體強度折減40%后地表沉降量最大值為19 mm，已經接近地下工程開挖引起地表建筑物沉降的警戒值(參考相關文獻，地下工程開挖地表建筑物沉降警戒值為20mm)，可見礦山現有采空區會對地表建筑物安全產生威脅，因此礦山應及時對采空區進行處理。

4 結論

建立了將三帶理論、巖石移動理論、有限元理論有機結合的滯留空區穩定性分析模型，提出了復雜條件下滯留采空區穩定性綜合分析方法，并以河北某礦山為例，對該礦山滯留空區穩定性影響進行了定性、定量分析，取得了較滿意的評價效果。研究結果為礦山進行滯留采空區處理的必要性提供了科學依據。

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