張 瑞 鄧紅衛(wèi)

（1.成都一汽富維延鋒彼歐汽車外飾有限公司，四川成都610000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083）

礦產(chǎn)資源是人類賴以發(fā)展突破的戰(zhàn)略性物質(zhì)基礎(chǔ)，但是，地下礦山開采過程中形成的采空區(qū)以及采空區(qū)群等安全隱患導(dǎo)致礦山生產(chǎn)安全事故?！吨袊V產(chǎn)資源報(bào)告2017》指出，礦產(chǎn)資源潛力依舊巨大，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)在不斷加強(qiáng)，綠色礦業(yè)的發(fā)展推進(jìn)順利。《國土資源“十三五”規(guī)劃綱要》明確要求礦山的發(fā)展要積極推廣使用綠色環(huán)保的技術(shù)方法，大力發(fā)展綠色礦業(yè)。安全礦山是綠色礦山的應(yīng)有之義，也是綠色礦山的基本保證，礦山的安全建設(shè)在礦山建設(shè)中越來越被重視。在非煤礦山的安全事故中，因?qū)Σ煽諈^(qū)的管理不善導(dǎo)致的事故一直居高不下，嚴(yán)重威脅到礦山的正常生產(chǎn)。所以，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的精細(xì)探測與準(zhǔn)確的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)具有重要的意義。

在采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，隨著礦業(yè)發(fā)展地下采空區(qū)越來越多，采空區(qū)的穩(wěn)定性分析方法和采空區(qū)治理技術(shù)取得了較大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用［1-7］。很多學(xué)者在這方面進(jìn)行了較深入的研究，最常見的是通過利用厚跨比計(jì)算法、荷載傳遞線交匯法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論、平板梁理論法等計(jì)算方法確定頂板和礦柱的最小安全厚度來進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析。這些分析方法已經(jīng)在許多礦山進(jìn)行了采空區(qū)安全評(píng)價(jià)，有效地對(duì)礦山的安全生產(chǎn)進(jìn)行了指導(dǎo)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)已經(jīng)取得的研究可以看出，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行精密探測并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模是得到采空區(qū)位置和空間形態(tài)的前提，在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方面，由于影響采空區(qū)穩(wěn)定性因素較多，各種評(píng)價(jià)方法在應(yīng)用時(shí)都存在不同的缺陷，將不同理論分析方法結(jié)合起來應(yīng)用于礦山實(shí)際有助于對(duì)采空區(qū)進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

本研究針對(duì)某石灰石礦露天轉(zhuǎn)地下之后形成的的復(fù)雜采空區(qū)，在三維激光掃描法對(duì)該空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測的基礎(chǔ)上，依靠實(shí)測資料、數(shù)值分析和多種采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法，根據(jù)影響采空區(qū)穩(wěn)定性的多個(gè)可量化因素對(duì)采空區(qū)群進(jìn)行綜合分析。主要從以下2個(gè)方面內(nèi)容對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行論證：

（1）采空區(qū)可視化模型。采空區(qū)整體穩(wěn)定性對(duì)礦山開采和周邊環(huán)境的影響至關(guān)重要［8］，可視化模型與系統(tǒng)有助于準(zhǔn)確掌握采空區(qū)三維形態(tài)、空間位置、實(shí)際邊界、開采體積和表面積的大?。?］。針對(duì)礦山采空區(qū)的實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)場搜集和調(diào)查的資料，利用三維探測掃描設(shè)備及礦業(yè)工程軟件建立主要采空區(qū)的三維可視化模型，并通過數(shù)字模擬軟件進(jìn)行分析，分析采空區(qū)的穩(wěn)定性。

（2）采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及礦山提供的實(shí)測資料，結(jié)合建立的可視化模型，采用頂板厚跨比法、簡支梁模型分析法、頂板巖體穩(wěn)定性分析Mathews圖解方法及礦柱安全系數(shù)法對(duì)礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 采空區(qū)精密探測與三維數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 復(fù)雜采空區(qū)群的精密探測

在充分收集原始采空區(qū)資料及地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用三維激光掃描法對(duì)該空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測，建立真實(shí)反映空區(qū)形態(tài)、地層載荷、地形地貌條件的地下采空區(qū)模型，為采空區(qū)的分析與準(zhǔn)確計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)。決定用于建立空區(qū)三維模型。根據(jù)實(shí)測，該礦山采空區(qū)基本情況見表1，另有7個(gè)獨(dú)立礦柱，相關(guān)參數(shù)見后文表8。

根據(jù)礦山實(shí)測圖并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際踏勘情況可知，目前礦山井下準(zhǔn)采范圍內(nèi)主要分布有12個(gè)大小不等的采空區(qū)，空區(qū)跨度16.1～30 m，長度26.4～87.7 m，高度12.5～35.0 m，頂板暴露總面積約13 868.9 m2，采空區(qū)總體積約26 186.1 m3。其中3號(hào)空區(qū)跨度最大，頂板暴露面積也最大。據(jù)現(xiàn)場勘查，礦井斜坡道即主要運(yùn)輸巷道經(jīng)過1～4號(hào)、7號(hào)、10號(hào)、11號(hào)和12號(hào)采空區(qū)，其他路段基本規(guī)格約為8 m（寬）×10 m（高），局部達(dá)12 m×16 m。

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1.2 實(shí)體模型的構(gòu)建

得到各測點(diǎn)的實(shí)體模型后，需要根據(jù)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用三維礦業(yè)工程軟件對(duì)其進(jìn)行實(shí)體的優(yōu)化，使各個(gè)測點(diǎn)的實(shí)體通過實(shí)體驗(yàn)證，然后對(duì)探測點(diǎn)的實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，生成探測空區(qū)的實(shí)體模型，如圖1所示。

2 不同評(píng)價(jià)方法下復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本研究以《金屬非金屬礦山大中型采空區(qū)調(diào)研報(bào)告》（國家安全生產(chǎn)管理總局2008年12月）作為參考標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將采空區(qū)安全狀況分為4級(jí)，并按照不同的級(jí)別，提出了不同的采空區(qū)處置及安全管理要求［10］，如表2所示。

房柱法采礦方法中，采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)是由礦柱和礦房頂板2個(gè)基本要素共同決定的。這就要求在開采過程中采場內(nèi)留設(shè)具有長期強(qiáng)度的礦柱支撐采空區(qū)頂板，基本出發(fā)點(diǎn)是礦柱和頂柱要有足夠的尺寸，它取決于地質(zhì)條件、開采深度、礦房尺寸、采場平面布置與空間布局以及對(duì)地面變形的要求等。根據(jù)頂板的穩(wěn)定性分級(jí)工程經(jīng)驗(yàn)，并參考表2中采空區(qū)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照將頂板的穩(wěn)定性安全系數(shù)分為4級(jí)，并根據(jù)國家常用的預(yù)警顏色賦予其不同的預(yù)警色。

參考礦柱的安全系數(shù)選取方法及安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將礦柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)分為4級(jí)，并按照國家常用的預(yù)警顏色賦予其不同的預(yù)警色，礦柱穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

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2.2 基于頂板厚跨比法采空區(qū)穩(wěn)定性分析

頂板厚跨比法是指利用采空區(qū)跨度與安全隔離層厚度之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性的方法，一般適用于圍巖穩(wěn)固，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，無較大斷層的情況。計(jì)算公式如下：

式中，H為頂板最小安全隔離層厚，m；L為采空區(qū)的跨度，m；k為安全系數(shù)，通常取1.15。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和巖石力學(xué)的測試結(jié)果，該礦山工程地質(zhì)較好，無節(jié)理、裂隙和大的斷層構(gòu)造，滿足其使用條件，將表1中的數(shù)據(jù)代入到式（1）中，可以得到不同采空區(qū)的安全系數(shù)，其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果結(jié)合安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析可知，以厚跨比安全系數(shù)為依據(jù)的采空區(qū)安全分級(jí)中，礦山采空區(qū)頂板安全分級(jí)為處于Ⅰ級(jí)安全狀況的采空區(qū)有11個(gè)，為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)和12號(hào)；Ⅱ級(jí)（較安全）狀況采空區(qū)0；Ⅲ級(jí)較不安全狀況的采空區(qū)1個(gè)，為6號(hào)；Ⅳ（危險(xiǎn)）狀況采空區(qū)0個(gè)。

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2.3 簡支梁模型分析法穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)巖體而言，簡支梁穩(wěn)定性分析方法是一種理想化的力學(xué)分析方法，根據(jù)工程情況，可將部分采場頂板近似為簡支梁來處理，在計(jì)算過程中，將單元礦體近似為一種均勻彈塑性介質(zhì)來考慮，由巖體強(qiáng)度理論可知，頂板厚梁穩(wěn)定性判別式為

式中，σmax簡為頂板厚梁所受的最大拉應(yīng)力；L為采場跨度，m；H為梁厚度，m；γ為巖梁容重，kN/m3

參考類似工程的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，石灰?guī)r平均容重為2.7 t/m3，巖體極限抗拉強(qiáng)度為1.2 MPa。將表1中數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算每個(gè)空區(qū)的最大抗拉強(qiáng)度和安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表5。

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根據(jù)表5中的計(jì)算結(jié)果結(jié)合安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析可知，以簡支梁安全系數(shù)為依據(jù)的礦山采空區(qū)頂板安全分級(jí)為：Ⅰ級(jí)（安全）狀況的采空區(qū)有8個(gè)，分別是1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)和12號(hào)；Ⅱ級(jí)（較安全）狀況的采空區(qū)有3個(gè)，分別是2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)；Ⅲ級(jí)（較不安全）狀況的只有6號(hào)采空區(qū)。

2.4 頂板穩(wěn)定性Mathews圖解方法分析

Mathews穩(wěn)定性圖解方法可以用于分析采空區(qū)群頂板穩(wěn)定［11-15］，應(yīng)用穩(wěn)定性圖表方法需要計(jì)算2個(gè)參數(shù)：形狀因素和穩(wěn)定性系數(shù)。穩(wěn)定性系數(shù)反映了在一定的應(yīng)力條件下巖體自立的能力，形狀因素考慮了單獨(dú)采場暴露表面的尺寸和形狀。形狀系數(shù)是暴露面的水力半徑，用空區(qū)表面積除以暴露面的周長的比值來表示。

Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，N為Mathews穩(wěn)定性系數(shù)；Q'為修正的Q值；A為巖石應(yīng)力系數(shù)；B為節(jié)理方位系數(shù)；C為重力調(diào)整系數(shù)。

Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式中，Q'值為采用了修正的NGI隧道質(zhì)量指標(biāo)，A值考慮高應(yīng)力影響下巖體穩(wěn)定性降低的程度，B值是考慮不連續(xù)面的方向?qū)諈^(qū)穩(wěn)定性的影響，重力調(diào)整系數(shù)C考慮了重力對(duì)采空區(qū)的影響。Mathews穩(wěn)定性系數(shù)與水力半徑的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算的Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算參數(shù)，按式（3）計(jì)算的結(jié)果如表6所示。該礦頂板石灰?guī)r暴露，按照最不利的原則，采用石灰?guī)r的頂板容許水力半徑作為參考依據(jù)，根據(jù)表1中該礦采空區(qū)頂板暴露面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算該礦采空區(qū)頂板水力半徑結(jié)果見表7。

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將本礦山頂板暴露狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算其水力半徑，將計(jì)算結(jié)果與本節(jié)中Mathews圖解方法計(jì)算出的頂板容許水力半徑進(jìn)行比較分析，以此確定頂板暴露面積的穩(wěn)定性狀況。

根據(jù)表7中的計(jì)算結(jié)果結(jié)合安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析可知此方法安全分級(jí)為：Ⅰ級(jí)（安全）狀況的采空區(qū)有5個(gè)，分別為1號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)和9號(hào)；Ⅱ級(jí)（較安全）狀況的采空區(qū)6個(gè)，為2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、10號(hào)、11號(hào)和12號(hào)；Ⅲ級(jí)（較不安全）狀況的采空區(qū)1個(gè)，為3號(hào)，Ⅳ級(jí)（危險(xiǎn)）狀況的采空區(qū)0個(gè)。

2.5 礦柱穩(wěn)定性計(jì)算

礦柱不僅用于維護(hù)礦房的穩(wěn)定，也用于隔離大面積空?qǐng)雠c保護(hù)井巷、地表及建筑物的安全［16］，根據(jù)實(shí)際情況，按照不規(guī)則礦柱承載的平均應(yīng)力計(jì)算礦柱的穩(wěn)定性，安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，σc為礦柱巖體抗壓強(qiáng)度，MPa；WP為礦柱寬度，m；h為礦柱的高度，m；s巖為巖柱面積，m2；s礦為礦柱面積，m2；γ為上覆巖層的平均容重，t/m3；z為上覆巖層厚度，m。

按面積承載理論計(jì)算礦柱平均應(yīng)力，對(duì)礦柱穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果見表8，根據(jù)分級(jí)結(jié)果，將采空區(qū)礦柱的安全級(jí)別按照不同的預(yù)警色分區(qū)域顯示如圖3所示。

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根據(jù)表8中的計(jì)算結(jié)果分析可知，以礦柱穩(wěn)定性為依據(jù)的采空區(qū)安全分級(jí)中，礦柱穩(wěn)定性安全分級(jí)為：Ⅰ級(jí)（穩(wěn)定）狀況的礦柱6個(gè)，為1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)；Ⅱ級(jí)（較穩(wěn)定）狀況的礦柱1個(gè)，為3號(hào)。

3 基于多種評(píng)價(jià)方法的采空區(qū)群穩(wěn)定性安全分級(jí)結(jié)果

對(duì)礦山采空區(qū)頂板穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)以厚跨比安全系數(shù)、簡支梁安全系數(shù)、頂板暴露面積為依據(jù)的穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分級(jí)結(jié)果見表9。綜合分析以厚跨比安全系數(shù)、簡支梁安全系數(shù)、頂板暴露面積為依據(jù)的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，以安全性較低者決定該采空區(qū)頂板的安全級(jí)別，根據(jù)分級(jí)結(jié)果，將采空區(qū)頂板的安全級(jí)別按照不同的預(yù)警色分區(qū)域顯示如圖4所示。

根據(jù)頂板穩(wěn)定的綜合分析以及礦柱的穩(wěn)定性分析，可以對(duì)采空區(qū)做出安全分級(jí)及分區(qū)［17］，綜合分區(qū)圖見圖4，Ⅲ級(jí)（較不安全）狀況的空區(qū)為3號(hào)和6號(hào)。3號(hào)空區(qū)不安全是因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板暴露面積較大或跨度較大；6號(hào)空區(qū)不安全是由于采空區(qū)頂板厚度較薄。

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4 結(jié)論

（1）可視化模型與系統(tǒng)有助于準(zhǔn)確掌握采空區(qū)三維形態(tài)、空間位置、實(shí)際邊界、開采體積和表面積的大小。針對(duì)礦山采空區(qū)的實(shí)際情況以及現(xiàn)場搜集和調(diào)查的資料，利用三維探測掃描設(shè)備對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了精細(xì)探測，建立了采空區(qū)的三維可視化數(shù)值模型。

（2）在建立可視化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山工程地質(zhì)條件，對(duì)各種評(píng)價(jià)方法的適用性進(jìn)行了簡單的評(píng)述，然后對(duì)采空區(qū)采用了頂板厚跨比法、簡支梁模型分析法、頂板巖體穩(wěn)定性分析Mathews圖解方法及礦柱安全系數(shù)法對(duì)礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析。

（3）根據(jù)多種分析方法的計(jì)算結(jié)果，通過計(jì)算采空區(qū)頂板和礦柱的安全系數(shù)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了安全分級(jí)并以此判斷各采空區(qū)的穩(wěn)定性狀況。然后再綜合多種分析方法對(duì)頂板穩(wěn)定性、礦柱穩(wěn)定性做出安全分級(jí)及分區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了存在3號(hào)和6號(hào)較不安全狀況的采空區(qū)，其中，3號(hào)空區(qū)不穩(wěn)定是因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板暴露面積較大或跨度較大，6號(hào)空區(qū)不穩(wěn)定是因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板厚度較薄。