邊坡下民采空區穩定性分析及治理方案

張西良徐進軍儀海豹崔正榮楊海濤

（1.中國科學技術大學，安徽合肥230026；2.中鋼集團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實驗室，安徽馬鞍山243000；4.馬鋼（集團）控股有限公司南山礦業公司，安徽馬鞍山243000）

采空區是威脅礦山生產安全的一個重要危險源；由于歷年來亂采濫采、民采盜采、不按照設計開采等多種因素影響，導致諸多地下采空區規模、尺寸、位置等參數不詳，增大了空區穩定狀況評價及安全隱患治理難度[1-3]。近年來，已經發生了多起采空區垮塌事故，導致嚴重的生態破壞和經濟損失。隨著國家礦業開發力度的不斷加大，開展采空區穩定性監測、安全評價以及處理措施研究已成為礦山安全生產中高度重視的問題，國內外諸多專家學者開展了大量研究工作：姜立春[4]通過建立采空區類非線性多自由度振動模型，數值分析了水平采空區群動力響應規律；吳啟紅[5]在利用FLAC3D軟件進行采空區群數值分析的基礎上，采用多級模糊評判開展了單個采空區的穩定性評價；吳愛祥[6]等以冬瓜山銅礦西山特大采空區的簡化物理模型，理論計算了采空區頂板大面積冒落產生的空氣沖擊波強度以及墊層的削波效果；付建新[7]以程潮鐵礦西區開采為背景，采用室內相似材料試驗模擬，初步揭示了緩傾斜厚大礦體崩落法開采過程中，隱伏采空區頂板的冒落機理；劉曉明等[8]在CMS準確探測采空區的基礎上，將Surpac與Phase2耦合構建數值計算模型，開展了采空區的圍巖穩定性分析。

本研究以某露天礦山邊坡下民采空區為工程背景，在空區規格參數測量的基礎上，采用ANSYS和FLAC3D仿真分析軟件相結合的方式建立數值分析模型，探明該采空區的穩定性狀況，進行空區處理方案設計，提出主要安全施工措施，為礦山采空區治理、消除其安全隱患提供指導依據。

1　邊坡下民采空區概況

某露天石灰巖礦已開采多年，采用爆破方式開采，臺階高度15 m，潛孔鉆機穿孔，孔徑90 mm，乳化炸藥爆破。在礦山生產過程中揭露一個民采空區洞口，位于采場邊坡下方；由于采空區形成20余年，同時受到礦山前期開采頻繁爆破擾動、降雨等多因素綜合影響，空區圍巖穩定性相對較差，局部塌落冒落現象較為嚴重，對礦山開采構成較大安全隱患。

采空區探測是治理的基礎和先決條件，為此礦山采用全站儀等設備測量確定了采空區規格參數。采空區面積約1 205 m2，呈北西—南東走向，最大長度77 m，最大寬度26 m；底板標高+115 m，高度5～6 m；埋深（采空區頂板厚度）15～25 m。

2　民采空區穩定性數值模擬

2.1數值模型的建立

根據現場地形條件和測量的采空區參數，選取5個地質剖面，采用ANSYS軟件提取各剖面圖的關鍵點，依次生成線、面以及體的方法建立包含采空區的三維立體數值計算模型，準確確定采空區在位置計算模型中的位置，然后通過接口程序導入FLAC3D軟件進行數值計算[9]。

根據礦體開采周圍巖體受采動影響范圍的大小，建立的計算模型尺寸：長度×寬度=140 m×100 m，高度為自標高+90 m以上至地表；在采空區頂板上等間距設置3個位移和應力監測點，采空區與計算模型的相對位置關系見圖1；計算模型共計105 276個單元，20 040個節點。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加密。這里將巖性簡化為圍巖和礦體2種彈塑性連續介質類型，材料為理想彈塑性；采用莫爾—庫侖準則。

2.2計算參數選擇

根據礦山地質報告巖體參數，參考類似礦山巖體力學參數，采用強度折減法對巖石參數進行適當的折減，確定計算模型所采用的巖體力學參數如表1所示。

2.3邊界條件及計算方案

在計算模型側面限制水平位移，底部限制垂直位移，上部為自由面。鑒于空區埋深較淺，這里只考慮巖體自重應力場。

首先計算初始應力場，然后對模型位移和應力進行清零，采取采空區一次開挖形成的計算方案，模擬礦體開挖回采過程，簡化計算過程。

2.4計算結果分析

2.4.1應力場分析

采空區剖面豎直方向應力分布見圖2和圖3。采空區形成后，在采空區周邊圍巖形成條帶狀應力等值線圖；由于地應力轉移，巖體屈服破壞，在跨度較大的空區中部的頂板和底板位置出現明顯的應力釋放；且頂板產生一定范圍的拉應力區，而底板為壓應力，在頻繁爆破振動、降雨、地應力等因素的綜合影響下，易發生空區頂板冒落事故。這與現場調查時發現許多頂板垮落的巖塊相吻合。

2.4.2位移場分析

采空區剖面位移分布見圖4和圖5。由于應力場的重新分布，引起位移場的分布變化，位移矢量指向采空區。在采空區頂板產生位移沉降，最大變形量達7.13 mm；而底板主要表現為隆起位移，最大底鼓量為5.96 mm。且沿著采空區走向呈現“中間變形大，兩端變形小”的位移變化現象。說明采空區中間區域發生垮塌冒落的可能性更大，不利于采空區的安全，亟待進行空區處理，消除安全隱患。分析認為，采空區中間區域跨度大、頂板暴露面積大，增大了空區失穩破壞風險。

3　空區治理方案設計

為確保礦山生產作業安全，結合開采初步設計，設計采用“采空區頂板崩落+邊坡削坡”的綜合治理方案。將采空區至地表的頂柱崩落，并對周邊露天邊坡進行削坡處理，降低邊坡高度和邊坡角，形成+125 m和+140 m 2個安全臺階，平臺寬度6 m，臺階邊坡角60°，與初步設計終了臺階實現較好銜接；待采空區處理后坑底形成+115 m平臺，避免邊坡失穩滑坡事故，徹底消除采空區安全隱患。

設計采空區頂板崩落采用深孔爆破的方法，采用2臺潛孔鉆機進行鑿孔，孔徑115 mm；乳化炸藥爆破，塑料導爆管起爆系統，微差逐孔起爆方式。炮孔采用連續柱狀裝藥，頂部用巖粉和黏土填塞（剔除石塊）。每孔2發起爆雷管，分別置于藥柱上、下部1/4處。設計分3次爆破，爆破后礦巖先不進行鏟裝；待邊坡削坡剝離完成后，再進行鏟裝。

設計邊坡削坡采用自上而下分臺階爆破方案，乳化炸藥爆破，逐孔微差起爆方式。每次起爆2～3排炮孔。設計臺階高度10 m，高于10 m的地段分臺階爆破，低于10 m的地段一次爆破。爆破后合格塊度≤350 mm；爆破產生的大塊巖石采用破碎錘破碎，嚴禁采用爆破法進行大塊處理。爆破參數見表2。

設計治理后邊坡剖面見圖6，經計算治理后的邊坡安全系數達到1.26，大于《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016—2014）邊坡工程安全Ш級（邊坡高度H≤100 m）在荷載組合Ⅱ級（自重+地下水+爆破振動力）下的安全系數1.13～1.08，正常情況下可以保證采場邊坡的安全。

4　主要施工安全措施

考慮到民采空區治理施工安全，主要施工安全措施如下。

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

（2）在采空區周邊設置“邊坡危險，小心滑坡”、“采空區治理區域，禁止無關人員進入”等安全警示牌，拉警戒帶等安全標志；嚴禁無關人員、牲畜等進入。

（3）施工前編制采空區處理施工計劃，選擇有資質的施工單位按照施工計劃進行施工。

（4）測量人員應做好現場測量工作，測量圈定爆破施工范圍，準確確定鉆孔位置。

（5）鉆孔作業人員要根據現場地形情況，掌握好鉆孔位置和炮孔深度，保證孔底與采空區之間的安全距離。每隔8～10個炮孔應有2個炮孔鑿穿至采空區，為其他炮孔深度控制提供依據。

（6）每次爆破后，必須檢查地表裂隙情況，調整好鉆機位置；安排技術人員現場指揮，避險鉆孔和鏟裝作業相互影響，防止發生機械傷害和高處墜落事故。

（7）施工機械的工作位置應平坦穩固，除按規范操作外還應按事先設計的路線行走；施工機械與臺階邊緣應留有足夠的安全距離，并應有專人指揮，指揮人員不得進入機械作業范圍內。

（8）在裝藥前，爆破工程技術人員應對第一排鉆孔的最小抵抗線進行測定，對形成反坡或有大裂隙的部位應考慮調整藥量或間隔填塞。底盤抵抗線過大的部位，應進行處理；孔口抵抗線過小者，應適當加大填塞長度。

（9）其它注意事項，嚴格按照《爆破安全規程》和《金屬非金屬礦山安全規程》中的有關條款執行。

5　結論

（1）數值計算表明：采空區形成后，由于圍巖發生塑性屈服破壞，在空區頂板和底板產生明顯的應力釋放現象；在頻繁爆破振動、降雨、地應力等因素的綜合影響下，在空區跨度和暴露面積較大的中部區域，易于發生頂板失穩冒落，與現場調查情況相吻合。

（2）沿著采空區走向，位移變化呈現“中間變形大，兩端變形小”的現象，頂板和底板分別表現為沉降和隆起，最大下沉量和底鼓量分別達到7.13mm和5.96mm，采空區中間區域發生失穩垮塌的風險較大。

（3）采用“采空區頂板崩落+邊坡削坡”的綜合治理方案，治理后的邊坡安全系數達到1.26，可以較好地消除民空區安全隱患，避免邊坡失穩滑坡事故，同時實現與初步設計終了臺階的良好銜接，保證礦山安全正常開采。