紅嶺多金屬礦復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性

楊 勇， 張敏思*， 張 飛， 胡高建

(1.東華理工大學(xué)江西省防震減災(zāi)與工程地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)工程研究中心， 南昌 330013； 2.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 南昌 330013； 3.石家莊鐵道學(xué)院土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 4.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院， 紹興 312000)

采空區(qū)是礦山安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害源之一，其穩(wěn)定與否直接影響著生產(chǎn)進(jìn)度及人員和設(shè)備的安全[1]?？諈^(qū)群的隱伏性很強(qiáng)，在空間分布上毫無(wú)規(guī)律，頂板冒落坍塌也無(wú)法預(yù)測(cè)，不僅容易引起采場(chǎng)失穩(wěn)、山體崩塌、地表塌陷、邊坡滑塌，造成重大人員傷亡，而且極易形成礦山泥石流，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成嚴(yán)重的損失[2-3]。因此成為困擾研究人員進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析及安全防治的關(guān)鍵技術(shù)難題。

近年來(lái)，中外學(xué)者針對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性做了大量的研究，并取得了一定的成果。李忠等[4]考慮了多種因素的影響，建立了采空區(qū)多源信息融合模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。趙延林等[5]引入突變理論完成了采空區(qū)穩(wěn)定性分析。沈慧明等[6]利用有限元方法模擬了不同回采順序?qū)Σ煽諈^(qū)穩(wěn)定性的影響，從而給出最優(yōu)的開(kāi)采方案[6]。Jaiswal等[7]基于邊界元法，分析了地下煤礦開(kāi)采過(guò)程中不同混合開(kāi)采方案對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性的影響[7]。李長(zhǎng)洪等[8]利用3DEC軟件模擬分析了采空區(qū)的穩(wěn)定性，并驗(yàn)證了3DEC系統(tǒng)在開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的適用性[8]。張飛等[9]采用有限差分法分析了礦柱回采對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響。盧欣奇等[10]針對(duì)多個(gè)淺埋采空區(qū)實(shí)際工程提出了兩種充填方案，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了最優(yōu)治理方案。李巖等[11]利用有限元軟件分析了爆破振動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，并給出了震源與采空區(qū)的最小安全距離。張?jiān)L問(wèn)等[12]建立了空區(qū)群數(shù)值模型，考慮了不同采空區(qū)間的相互影響，通過(guò)穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)性等級(jí)劃分。張弛等[13]通過(guò)建立某礦山主生產(chǎn)中段的采空區(qū)數(shù)值計(jì)算模型，分析不同回采階段的應(yīng)力與位移分布云圖，得出二步采場(chǎng)回采對(duì)一步采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)的影響。

然而，由于結(jié)構(gòu)面的影響，工程巖體具有復(fù)雜的非線性力學(xué)特性。從宏觀角度講，采空區(qū)失穩(wěn)是整個(gè)巖石工程系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的巖體系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。從微觀角度講，它是巖石體內(nèi)裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展[14-15]。經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)大量工程實(shí)際和簡(jiǎn)化受力模型得出，無(wú)法考慮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及開(kāi)采條件等因素，在復(fù)雜采空區(qū)工程中其分析結(jié)果可能存在較大誤差。數(shù)值模擬在內(nèi)力及位移求解上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以考慮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及開(kāi)采條件，但巖體初始應(yīng)力和物理力學(xué)參數(shù)的取值是影響數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的瓶頸?；诖耍袁F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先借助于數(shù)值模擬方法，考慮巖體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和開(kāi)采擾動(dòng)因素，對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)；然后利用K.B.魯別涅依他公式[16]從采場(chǎng)臨界跨度值的角度對(duì)空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，通過(guò)兩種不同方法的對(duì)比，探討不同方法應(yīng)用的局限性和適用條件；最后，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比分析，為礦柱回采設(shè)計(jì)和礦山的安全生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)。

1 K.B.魯別涅依他公式

巖體中含有各種各樣的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理裂隙、斷層、破碎帶及軟弱夾層等。巖體受力后發(fā)生變形，內(nèi)部微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通直至斷裂。在理論研究中，通常無(wú)法完全考慮各種影響因素，人們一般將復(fù)雜的問(wèn)題抽象成各種簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行分析。在采礦工程中，采空區(qū)頂板的力學(xué)計(jì)算模型往往被簡(jiǎn)化成板或者梁模型計(jì)算，并且考慮了主要的影響因素，其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：H為安全頂板厚度，m；K為安全系數(shù)；ρ為頂板巖石密度，t/m3；b為采空區(qū)跨度，m；σB為頂板彎曲抗拉強(qiáng)度，MPa，σB=σn3/(k3k0)，其中σn3=(7%～10%)σc，k0=2～3，k3=7～10，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；g為設(shè)備的作業(yè)荷載，MPa，g=G/2br，其中G為電鏟或其他大型設(shè)備的質(zhì)量，t;br為電鏟的履帶寬度，m。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況及空區(qū)現(xiàn)狀

紅嶺多金屬礦為已有生產(chǎn)礦山，礦區(qū)原始地表地形圖見(jiàn)圖1。礦區(qū)內(nèi)主要為巖漿巖，礦區(qū)全長(zhǎng)5 700 m，地面標(biāo)高1 020～1 150 m。礦區(qū)的主構(gòu)造走向?yàn)楸睎|向，與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造一致，礦體總長(zhǎng)約730 m，平均厚度為1～20 m。該礦山前期有三個(gè)中段被開(kāi)采，但留下的空區(qū)數(shù)量較多，礦體殘留量較大，為了最大限度地發(fā)揮礦山的經(jīng)濟(jì)效益，還需對(duì)礦柱進(jìn)行回采。目前采空區(qū)的俯視圖及本次研究區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖1 礦區(qū)原始地表地形圖Fig.1 The original surface topographic map of the mine

圖2 采空區(qū)俯視圖及本次研究區(qū)域Fig.2 The top view of goaf and the study area

3 紅嶺多金屬礦采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

3.1 基于數(shù)值模擬的空區(qū)群穩(wěn)定性分析

本次選取研究區(qū)域的Ⅰ號(hào)中段進(jìn)行相關(guān)分析，Ⅰ號(hào)中段選取4個(gè)礦室作為主要研究對(duì)象(定義編號(hào)分別為1#、2#、3#和4#)。按照巖體力學(xué)參數(shù)確定方法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算求取其平均值，并利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行校驗(yàn)，最終得到本次數(shù)值模擬采用的主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某鉛鋅礦巖體力學(xué)參數(shù)表

采用彈性本構(gòu)模型及MC(Mohr-Coulomb)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，MC準(zhǔn)則公式為

(2)

式(2)中：σ1和σ3為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力(符號(hào)規(guī)定為：拉伸為正，壓縮為負(fù))；σc為單軸抗壓強(qiáng)度；σB為單軸抗拉強(qiáng)度；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

另外，定義一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R為

(3)

隨著數(shù)值的增大，失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大。在式(3)中，當(dāng)R≥1時(shí)，可認(rèn)為空區(qū)采場(chǎng)失穩(wěn)。

在Ⅰ號(hào)中段礦床開(kāi)采過(guò)程中，針對(duì)間柱及頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較，圖3反映了風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R的數(shù)值變化情況。可以看出，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，該中段的穩(wěn)定性很好，對(duì)于間柱來(lái)說(shuō)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R≤0。礦床開(kāi)采前，少量位于中部的采場(chǎng)頂板出現(xiàn)小范圍黃色或者紅色區(qū)域，這可能與前期開(kāi)挖擾動(dòng)有關(guān)；隨著礦室1#和2#、3#和4#的依次開(kāi)采，出現(xiàn)開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖或礦體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)重新分布情況，在采場(chǎng)頂板上方陸續(xù)出現(xiàn)小范圍黃色或者紅色區(qū)域，這也說(shuō)明礦床的開(kāi)采是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

圖3 開(kāi)采前后Ⅰ號(hào)中段間柱和頂板風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of the risk coefficient of the roof and pillar in LevelⅠbefore mining with that after mining

圖4為Ⅰ號(hào)中段礦床開(kāi)采過(guò)程中空區(qū)圍巖的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)對(duì)比圖，可以看出，開(kāi)采前，圍巖整體顏色為藍(lán)色，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R≈-0.4，說(shuō)明其穩(wěn)定性很好。隨著礦室1#～4#的開(kāi)采，圍巖周邊顏色開(kāi)始出現(xiàn)黃色或者紅色，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值有增大的趨勢(shì)。特別是礦室4#的跨度最大，其周邊圍巖的顏色最深，說(shuō)明其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值最大，估測(cè)為0.35左右。但總體來(lái)講，Ⅰ號(hào)中段圍巖的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值R≤0.6，穩(wěn)定性情況較好。

圖4 開(kāi)采前后空區(qū)圍巖危險(xiǎn)性系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of the risk coefficient of the stope surrounding rock mass before mining with that after mining

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，紅嶺多金屬礦Ⅰ號(hào)中段圍巖抵抗外力擾動(dòng)能力很強(qiáng)，穩(wěn)固性較好。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本吻合，這也說(shuō)明在礦床開(kāi)采過(guò)程中，巖體內(nèi)部的應(yīng)力重分布并沒(méi)有影響到空區(qū)的整體穩(wěn)定性。本次數(shù)值模擬可為下一步礦柱回采過(guò)程中礦山的安全生產(chǎn)提供參考。

3.2 K.B.魯別涅依他公式法穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程的實(shí)際情況，Ⅰ號(hào)中段的埋深大約為120 m，則采空區(qū)的安全厚度值設(shè)為120 m；對(duì)于K.B.魯別涅依他公式中的其他參數(shù)，頂板巖石的密度取2.77 t/m3，安全系數(shù)值K取1.1左右，K0、K3分別取2、7，設(shè)備荷載取4 MPa。采用第一強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷判斷空區(qū)穩(wěn)定性，最終所得的空區(qū)臨界跨度值及穩(wěn)定性情況見(jiàn)表2。

由表2可知，由于礦室4#的平均跨度值太大，存在失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，因此在礦山實(shí)際作業(yè)中，礦室4#為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，必要時(shí)可考慮加強(qiáng)支護(hù)措施。除礦室4#外，其他礦室的平均跨度值均小于其臨界跨度值，穩(wěn)固性較好。

表2 K.B.魯別涅依他公式分析結(jié)果

3.3 討論

結(jié)合中國(guó)現(xiàn)有礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀，采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，須簡(jiǎn)化圍巖賦存環(huán)境及邊界條件等，從而抽象化的解決復(fù)雜問(wèn)題；同樣地，采用數(shù)值模擬方法，雖然能夠綜合考慮工程地質(zhì)條件和巖體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，但在各類(lèi)參數(shù)取值方面存在一定的局限性。通過(guò)兩種不同方法的計(jì)算對(duì)比，可以探討各方法應(yīng)用于礦山實(shí)際生產(chǎn)的局限性和適用條件，并有效的指導(dǎo)工程實(shí)踐。表3為兩種不同計(jì)算方法下空區(qū)穩(wěn)定性的分析結(jié)果。在紅嶺多金屬礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析過(guò)程中，與數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相比，K.B.魯別涅依他公式所得的空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果偏保守。

表3 不同計(jì)算方法下空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)紅嶺多金屬礦空區(qū)處理及礦柱回收的工程問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法及K.B.魯別涅依他公式法對(duì)紅嶺多金屬礦Ⅰ號(hào)中段空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況做對(duì)比分析,得到如下結(jié)論。

(1)利用彈性本構(gòu)模型，以MC準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，Ⅰ號(hào)中段礦體及圍巖抵抗外力擾動(dòng)能力很強(qiáng)，穩(wěn)固性較好。在礦床開(kāi)采過(guò)程中，巖體內(nèi)部的應(yīng)力重分布也并沒(méi)有影響到空區(qū)的整體穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)情況基本吻合，可有效指導(dǎo)工程實(shí)踐。

(2)K.B.魯別涅依他公式全面考慮了頂板受力結(jié)構(gòu)方面的影響，采用此分析方法對(duì)Ⅰ號(hào)中段代表性礦室進(jìn)行臨界跨度值求解，發(fā)現(xiàn)除礦室4#外，其他空區(qū)開(kāi)采跨度值都小于臨界跨度值，穩(wěn)定性良好。對(duì)于礦室4#，需要采取一定的支護(hù)措施或者縮短跨度。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果及數(shù)值模擬相比，此方法所得的空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果偏保守。

(3)綜合數(shù)值模擬及K.B.魯別涅依他公式結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者所得的結(jié)果差別不大，在下一步礦柱回采設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注礦室4#空區(qū)的位置，以確保安全生產(chǎn)。

(4)結(jié)合不同方法進(jìn)行分析研究，更有利于對(duì)問(wèn)題的把握，為保證后續(xù)回采活動(dòng)的安全，可以增加幾種理論計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，以便更好地解決工程中各種問(wèn)題。