吳志濤，盛建龍，葉 鵬

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

空?qǐng)霾傻V法在我國(guó)金屬礦山的地下開(kāi)采中占有重要地位，而應(yīng)用空?qǐng)龇ú傻V必然會(huì)形成采空區(qū)。采空區(qū)破壞了巖體的靜態(tài)平衡，使空區(qū)周?chē)膸r體應(yīng)力產(chǎn)生變化，一旦達(dá)到巖體臨界變形條件，就會(huì)發(fā)生圍巖的破壞和移動(dòng)。隨著礦床開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)展，變形進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致巖體發(fā)生崩落，從而給礦山的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害[1]。按照《GB16423—2006金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，對(duì)于存在采空區(qū)的地下開(kāi)采礦山，必須定期對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)估，或者實(shí)施采空區(qū)處理。

本文研究的Ⅲ號(hào)礦體是某礦保有的主要富礦體之一，由于長(zhǎng)期采用淺孔留礦法進(jìn)行回采，又沒(méi)有及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，導(dǎo)致該礦體上部留有數(shù)十個(gè)大小不等的采空區(qū)，同時(shí)也留下了大量的礦柱。為了最大化利用礦產(chǎn)資源，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，該礦擬對(duì)Ⅲ號(hào)礦體+138 m中段的殘留礦柱進(jìn)行回收。由于采空區(qū)的安全性直接關(guān)系到礦柱回收方案的擬定及回采作業(yè)的進(jìn)行，因此本文擬采用基于FLAC3D軟件的數(shù)值模擬和力學(xué)分析相結(jié)合的研究方法對(duì)該礦Ⅲ號(hào)礦體+138 m中段采空區(qū)頂板及留設(shè)間柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析，進(jìn)而對(duì)采空區(qū)的安全性做出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。

1 工程概述

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

該礦Ⅲ號(hào)礦體屬于中低溫?zé)嵋航淮臀◣r礦床。該礦體賦存于中奧陶統(tǒng)上組上段灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖和白云質(zhì)灰?guī)r中，沿砂巖中的含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r夾層交代形成，它的形狀形態(tài)受泥質(zhì)灰?guī)r的嚴(yán)格控制，礦體呈層狀和似層狀。

礦體內(nèi)未見(jiàn)大的后期斷裂破壞，含礦層(帶)中的裂隙多為后期石英(方解石)脈及團(tuán)塊所充填，膠結(jié)緊密，同時(shí)硅化、矽卡巖化等蝕變較強(qiáng)，巖石、礦石質(zhì)地致密堅(jiān)硬，穩(wěn)固性好。礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，總體構(gòu)造線呈NNE-NE向，軸向NNE-NE向的褶皺及縱斷裂構(gòu)成礦區(qū)基本構(gòu)造格局。

礦區(qū)圍巖蝕變較弱，蝕變類(lèi)型主要為透輝石化、簾石化、硅化、絹云母化、綠泥石化、碳酸鹽化和沸石化，以簾石化最為常見(jiàn)。巖石蝕變作用有脈狀蝕變與交代蝕變兩種。不同的蝕變產(chǎn)生于礦區(qū)內(nèi)不同的圍巖，其中以砂巖和灰?guī)r的蝕變較為明顯，板巖的蝕變很微弱。由于礦區(qū)圍巖成分差異較大，圍巖蝕變強(qiáng)度的分布有一定的地域性。

1.2 采空區(qū)調(diào)查

+138 m中段礦體基本位于32～38勘探線之間的鉛鋅硫化礦分布地帶，礦體平均厚度為5.5 m，走向長(zhǎng)度為300 m，傾角為40°～85°。礦體采用淺孔留礦法回采，沿礦體走向布置有4個(gè)礦塊，礦房長(zhǎng)為50～60 m，寬為礦體水平厚度，高為40 m。采用平底結(jié)構(gòu)出礦，不留底柱，留有4～6 m厚的頂柱，相鄰采場(chǎng)留設(shè)8.4 m的間柱以支撐采空區(qū)。+138～+180 m之間的礦體經(jīng)過(guò)多年作業(yè)已回采結(jié)束，形成了4個(gè)較大的采空區(qū)，其賦存情況如表1所示。

表1 各采空區(qū)狀況Table 1 The situation of the goafs

巖體力學(xué)參數(shù)的選取在一定程度上決定了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。由于該礦現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，在礦山做原位力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)困難較大。為了獲取數(shù)值模擬所需的各種礦(巖)體物理力學(xué)參數(shù)，在+138 m中段空區(qū)周?chē)F(xiàn)場(chǎng)取樣，并對(duì)巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果得到巖體分級(jí)指標(biāo)RMR值和GSI值，再按照Hoek-Brown準(zhǔn)則折減為宏觀巖體力學(xué)參數(shù)[2]，得出礦(巖)體各物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 礦(巖)體的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of ore body and rock mass

2 評(píng)價(jià)方案

地下采空區(qū)可能帶來(lái)的危害主要為一次性整體或大面積垮落的頂板沖擊地壓、局部冒落和冒落沖擊氣流傷害。從結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，造成上述危害的原因主要有兩個(gè)方面：一是支撐構(gòu)件強(qiáng)度足夠時(shí)采空區(qū)暴露面圍巖自身的失穩(wěn)，主要表現(xiàn)為頂板的冒落；二是采空區(qū)支撐構(gòu)件強(qiáng)度不夠時(shí)(如留設(shè)礦柱尺寸過(guò)小)引起的頂板失穩(wěn)。因此，采空區(qū)的安全性要根據(jù)采空區(qū)圍巖及其支撐構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)框架的整體穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Ⅲ號(hào)礦體采用留礦法開(kāi)采，在沒(méi)有對(duì)空區(qū)采取崩落、充填等處理措施之前，都是依靠留設(shè)間柱及間柱兩側(cè)空區(qū)頂板的支撐來(lái)保證采空區(qū)的穩(wěn)定，故必須從空區(qū)頂板的穩(wěn)定性及留設(shè)間柱的穩(wěn)定性兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)Ⅲ號(hào)礦體+138 m中段采空區(qū)群的安全性。

采空區(qū)內(nèi)留有頂板及間柱，形成類(lèi)框架架構(gòu)以維護(hù)空區(qū)的穩(wěn)定性?？諈^(qū)頂板巖層破壞形式通常有兩種：一是在上部載荷作用下，頂板巖層因變形過(guò)大而導(dǎo)致剪切破壞；二是頂板巖層中產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)巖層的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在巖層中出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞區(qū)，隨著時(shí)間的推移，破壞區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致頂板垮落[3]。間柱的主要破壞形式也有兩種：一是在上部載荷作用下，間柱沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞；二是當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育、大致呈完整結(jié)構(gòu)時(shí)，間柱承受載荷超過(guò)巖體的極限抗壓強(qiáng)度而導(dǎo)致巖體破裂。

因此，本文首先采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)采空區(qū)頂板及留設(shè)礦柱的受力與變形狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，據(jù)此分析采空區(qū)的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)?shù)V房回采完畢后，上部頂板巖層的負(fù)重大部分轉(zhuǎn)移到留設(shè)間柱上，故間柱的穩(wěn)定對(duì)頂板的穩(wěn)定起著決定性作用，利用數(shù)值模擬手段分析其局部受力及位移狀態(tài)，只能從“點(diǎn)安全”的角度確定其局部穩(wěn)定性，而間柱作為整體支撐結(jié)構(gòu)的主體，還應(yīng)從“體安全”的角度去分析其整體安全性。因此，本文進(jìn)一步采用力學(xué)計(jì)算方法對(duì)礦柱的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以精確評(píng)估采空區(qū)的安全性。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 采空區(qū)力學(xué)模型的建立

由于Ⅲ號(hào)礦體形狀很不規(guī)則，礦體厚度多變，空間形態(tài)復(fù)雜，因此根據(jù)已有礦區(qū)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)調(diào)查資料，先利用ANSYS軟件構(gòu)建Ⅲ號(hào)礦體及采空區(qū)模型并完成網(wǎng)格的劃分，再利用接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入到FLAC3D軟件中去。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，巖體開(kāi)挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開(kāi)挖范圍的3～5倍，故所建模型邊界應(yīng)控制在采場(chǎng)最大尺寸的3～5倍范圍以外。最終確定本模型尺寸：長(zhǎng)度(Y)方向上為1600 m，寬度(X)方向上為1100 m，高度(Z)方向上至地表，空區(qū)尺寸按調(diào)查資料確定。數(shù)值仿真模型如圖1所示。

模型邊界條件采用位移約束，即X、Y方向位移均固定為0，Z方向?yàn)樽杂沙两?；底面為全約束，地表作為自由面。由于礦體埋深不大，故忽略原巖應(yīng)力，只在豎直方向上施加圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)。采用分階段彈塑性求解法生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，即先將本構(gòu)模型設(shè)置為彈性模型，進(jìn)行彈性求解，直至體系達(dá)到平衡狀態(tài)；再將本構(gòu)模型重置為彈塑性模型，繼續(xù)進(jìn)行彈塑性求解直至平衡，從而得到模型的初始應(yīng)力場(chǎng)。

(a)Ⅲ號(hào)礦體

(b) 采空區(qū)

3.2 模擬結(jié)果與分析

建立好采空區(qū)模型并施加邊界條件后，運(yùn)行相應(yīng)的FLAC3D命令程序進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算分析，便可得到礦(圍)巖各個(gè)方向的應(yīng)力分布圖、位移分布圖、塑性區(qū)分布圖等。為了獲取采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的定量判斷依據(jù)，選取空區(qū)頂板的受力及位移變化情況進(jìn)行分析。+138 m中段采空區(qū)頂板應(yīng)力狀態(tài)及Z方向位移如圖2所示。

當(dāng)?shù)V房回采形成空區(qū)后，礦體中原有的應(yīng)力平衡被打破，從而發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移及重分布的現(xiàn)象。從圖2(a)中最大主應(yīng)力分布來(lái)看，礦房間柱與頂板的邊角交界處以及頂板中部暴露面處應(yīng)力值較大，形成局部的壓應(yīng)力集中區(qū)，最大壓應(yīng)力值約為20 MPa，底板部位應(yīng)力值則相對(duì)較小，形成一定的卸壓區(qū)；從圖2(b)中最小主應(yīng)力分布來(lái)看，頂板上部的壓應(yīng)力值較小，其中，在138-2#及138-3#礦房頂板上部中心位置及底板處出現(xiàn)了局部的受拉區(qū)域，拉應(yīng)力最大值約為0.302 MPa。對(duì)比表2中的礦石力學(xué)參數(shù)可知，空區(qū)礦柱的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別小于巖體的極限抗壓和抗拉強(qiáng)度值。

(a)最大主應(yīng)力

(b)最小主應(yīng)力

(c)Z方向位移

圖2采空區(qū)頂板的應(yīng)力和Z方向位移分布

Fig.2DistributionofstressandZ-displacementofthegobroof

從圖2(c)中可以看出，空區(qū)頂板上部為負(fù)向位移，最大值為10 mm，頂板下部為正向位移，最大值為5 mm，此現(xiàn)象可能是因?yàn)轫敯迳喜看嬖谖刺幚硗甑目諈^(qū)。整體來(lái)看，+138 m空區(qū)頂板位移都在10 mm以內(nèi)，形變量較小；間柱整體變形量較小，且內(nèi)部基本表現(xiàn)為上向位移，只是在外緣邊界部位受力較大區(qū)域表現(xiàn)為下向位移，這與空區(qū)開(kāi)挖形成卸壓區(qū)而引起的底鼓現(xiàn)象相類(lèi)似。

總之，數(shù)值模擬分析表明該礦Ⅲ號(hào)礦體+138 m中段采空區(qū)群引起的地壓顯現(xiàn)不明顯，在無(wú)其他不利因素的影響下，基本不會(huì)出現(xiàn)因頂板剪切破壞或拉應(yīng)力破壞而導(dǎo)致的頂板沖擊地壓事故。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況也表明，+138 m中段礦體回采至今，頂板未發(fā)生過(guò)明顯沉降及局部開(kāi)裂、脫皮等現(xiàn)象，故可以認(rèn)為+138 m中段采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性良好，無(wú)需采取額外支護(hù)措施，做好定期監(jiān)測(cè)工作即可。

4 留設(shè)間柱安全性分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，+138 m中段間柱礦巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，且裂隙多為石英脈充填，完整性較好，發(fā)生剪切破壞的可能性較小。因此，只要間柱強(qiáng)度足以承擔(dān)上覆巖層的重量，就可以認(rèn)為間柱暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1 礦柱強(qiáng)度

目前，國(guó)內(nèi)外采用的礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式多為經(jīng)驗(yàn)公式，其參數(shù)主要靠試驗(yàn)來(lái)確定，均有特定的適用條件和范圍。礦柱強(qiáng)度受到礦柱尺寸、巖體力學(xué)性質(zhì)等多方面的影響，其計(jì)算要比一般巖體強(qiáng)度計(jì)算復(fù)雜得多，工程實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇計(jì)算公式。由于本文礦柱穩(wěn)定性分析中主要研究礦柱的受壓破壞，而礦柱完整性又較好，所以礦柱的寬高比對(duì)礦柱承載力的影響是需要重點(diǎn)考慮的，故礦柱強(qiáng)度可用金屬礦山常用的礦柱強(qiáng)度估算公式[4]表示為

(1)

式中：Qp為礦柱強(qiáng)度，MPa；Qr為礦體強(qiáng)度，MPa；B為礦柱寬度，m；H為礦柱高度，m。

+138 m中段采場(chǎng)高度為35～40 m，相鄰采場(chǎng)留設(shè)間柱寬B=8.4 m。礦體強(qiáng)度由現(xiàn)場(chǎng)取樣點(diǎn)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得出，此處不考慮節(jié)理等條件的弱化效應(yīng)。將所得數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算出各采場(chǎng)間柱強(qiáng)度，如表3所示。

表3 各采場(chǎng)間柱尺寸及強(qiáng)度Table 3 Size and strength of stope pillars

4.2 礦柱荷載

礦柱的面積承載理論認(rèn)為,礦柱所承受的載荷是其所支撐的頂板范圍內(nèi)直通地表的上覆巖柱的重力,該巖柱的底面積即是按巖柱分?jǐn)偟拈_(kāi)采面積與礦柱自身面積之和,據(jù)此計(jì)算礦柱的平均應(yīng)力[5]。則礦柱平均荷載為

P=γh(B+b)(a+b)/Ba

(2)

式中：P為礦柱的平均荷載，MPa；γ為上覆巖層的容重，MN/m3；h為上覆巖層厚度，m；a為礦柱厚度，m；b為采場(chǎng)寬度，m。

由于受到巖體內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)和礦柱分布位置的影響以及巖體水平應(yīng)力的作用，根據(jù)經(jīng)典荷載公式得出的值一般比實(shí)際值高40%左右，故式(2)中的h需要進(jìn)一步修正，可根據(jù)簡(jiǎn)化的太沙基荷載理論來(lái)計(jì)算礦柱承擔(dān)的等效覆巖厚度：

hp=β(2b+H)

(3)

式中：β為荷載系數(shù)，根據(jù)巖體特性和原巖應(yīng)力查表取值。

參照文獻(xiàn)[6]，取β=0.6，根據(jù)Ⅲ號(hào)礦體地質(zhì)調(diào)查資料，由式(2)和式(3)求得各采場(chǎng)間柱荷載，如表4所示。

表4 各采場(chǎng)間柱的荷載Table 4 Load of stope pillars

4.3 礦柱安全系數(shù)

根據(jù)礦柱強(qiáng)度及荷載，采用下式計(jì)算各間柱的安全系數(shù)F：

F=Qp/P

(4)

將表3、表4中數(shù)據(jù)代入式(4)，求得+138 m中段各采場(chǎng)間柱安全系數(shù)如表5所示。

表5 各采場(chǎng)間柱的安全系數(shù)Table 5 Safety coefficient of stope pillars

從表5可以看出，+138 m中段采空區(qū)各間柱整體穩(wěn)定性較好，除1#間柱的安全系數(shù)略低于1.2的安全標(biāo)準(zhǔn)[7]外，其余3個(gè)間柱的安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于1.2。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，1#間柱部分聯(lián)絡(luò)道出現(xiàn)片幫、邊角處礦體開(kāi)裂等現(xiàn)象，原因是采場(chǎng)跨度較大且間柱承受載荷較大，導(dǎo)致間柱局部區(qū)域應(yīng)力過(guò)大，這與理論計(jì)算的結(jié)果較為吻合。因此，井下工作人員需做好1#間柱及相鄰空區(qū)的監(jiān)測(cè)工作，定期對(duì)空區(qū)圍巖及頂板位移進(jìn)行測(cè)量與分析。

5 結(jié)論

(1)空區(qū)頂板巖層中出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部區(qū)域?yàn)槭芾瓲顟B(tài)，但應(yīng)力最大值均在礦巖的極限強(qiáng)度之內(nèi)，故頂板不會(huì)因強(qiáng)度不夠而發(fā)生冒落；空區(qū)頂板整體形變量較小，短期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)因變形過(guò)大而導(dǎo)致的剪切破壞，采空區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模冒頂現(xiàn)象的可能性較小。

(2)在礦柱回收之前，礦房間柱足以承受現(xiàn)階段采空區(qū)上部覆巖的重量。除138-1#采場(chǎng)間柱由于采場(chǎng)跨度較大導(dǎo)致其安全度略為不足之外，其他采場(chǎng)間柱安全度均較高?？傮w來(lái)看，采空區(qū)留設(shè)間柱是合理的，能對(duì)采空區(qū)頂板載荷起到很好的支撐作用及應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果。但138-1#采場(chǎng)間柱局部區(qū)域出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，故應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施。

(3)Ⅲ號(hào)礦體+138 m中段采空區(qū)整體上處于較穩(wěn)定狀態(tài)，安全性較好，因此只要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件制定合適的回采方案，做好空區(qū)監(jiān)測(cè)工作，對(duì)殘留礦柱進(jìn)行一定程度的回收是完全可行的。在對(duì)礦柱進(jìn)行回收工作時(shí)，宜先采用削柱法對(duì)安全度較高的礦柱進(jìn)行部分回采，回采時(shí)加強(qiáng)對(duì)空區(qū)的頂板及間柱位移、變形的監(jiān)測(cè)力度。待后續(xù)空區(qū)充填處理工作結(jié)束后，再對(duì)安全系數(shù)低的間柱進(jìn)行回采，如此便可在確?；夭晒ぷ靼踩M(jìn)行的前提下盡量減小礦石損失率。

[1] 陳慶發(fā)，周科平．隱患資源開(kāi)采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)[M]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011:131-133．

[2] 封立志．隧道圍巖力學(xué)參數(shù)估計(jì)及應(yīng)用研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.

[3] 柳小波，彭建宇．采空區(qū)頂板破壞機(jī)理研究及安全厚度確定[J]．金屬礦山，2012(11)：5-8．

[4] 王在泉，李華峰．礦柱抗剪安全系數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法及分析[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010(2)：277-280．

[5] 盛建紅，廖文景，李偉明．高山石膏礦井下礦柱安全系數(shù)計(jì)算及分析[J]．金屬礦山，2010(S)：791-793．

[6] 李俊平，陳慧明．采空區(qū)安全評(píng)價(jià)的理論與實(shí)踐[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(9)：50-55．

[7] 張新國(guó)．煤礦固體廢棄物膏體充填關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 青島:山東科技大學(xué)，2012.