李金誠,李青鋒,2*,吳昊

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 礦業(yè)工程研究院,湖南 湘潭 411201)

在礦山開采過程中,地下空間將會(huì)形成連續(xù)或非連續(xù)的采空區(qū).采空區(qū)的存在可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害,其穩(wěn)定性對工程安全存在較大的影響,采空區(qū)一旦失穩(wěn)將會(huì)破壞底板及圍巖的穩(wěn)定性,輕則造成財(cái)產(chǎn)損失,重則危及人身安全[1-3].因此,研究采空區(qū)穩(wěn)定性具有重要意義.目前,采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法有理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測量、模糊評價(jià)等方法.Wang F F等[4]采用理論計(jì)算和現(xiàn)場調(diào)查2種方法對大橋磷礦采空區(qū)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,結(jié)果表明礦柱埋深及分布密度等參數(shù)對采空區(qū)穩(wěn)定性具有重要影響;Wang Y S等[5]通過多傳感器建立實(shí)時(shí)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),達(dá)到對采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的目的,為采空區(qū)提供短期的穩(wěn)定性預(yù)警信息;Yang H Q等[6]基于工程實(shí)踐,通過理論分析與數(shù)值模擬,得出采動(dòng)擾動(dòng)下采空區(qū)圍巖關(guān)鍵層的破裂機(jī)理、應(yīng)力分布及其圍巖變形特征;滕永海等[7]探討了老采空區(qū)上方地基穩(wěn)定性的評價(jià)方法,并考慮老采空區(qū)活化可能帶來的地表殘余變形,為老采空區(qū)上方興建多層建筑提供科學(xué)依據(jù);張耀平等[8]采用FLAC3D軟件對龍橋鐵礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析其結(jié)果得出，采空區(qū)逐漸形成后各隅角處會(huì)先達(dá)到極限剪切破壞狀態(tài),隨著采空區(qū)的進(jìn)一步增大,其破壞區(qū)域?qū)⒙由觳U(kuò)大;劉沐宇等[9]基于現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查,對礦區(qū)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類,并估算出其巖體強(qiáng)度,再通過安全系數(shù)法和可靠度分析法得到礦柱的點(diǎn)安全系數(shù)與可靠指標(biāo),結(jié)果表明采空區(qū)礦柱處于安全穩(wěn)定狀態(tài);劉光清等[10]分析了采空區(qū)群的穩(wěn)定性,并利用數(shù)值計(jì)算方法比較了不同殘礦回采方案下的安全性,為礦山實(shí)踐提供參考意義;龔甲桂等[11]利用三維激光掃描方法測量采空區(qū)礦柱、頂板和采空區(qū)之間關(guān)系,從而分析得到采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài).

前人對采空區(qū)穩(wěn)定性做了較多的分析[12-13],但針對的均是形狀較規(guī)則的矩形采空區(qū)群.本文針對湖南郴州某礦復(fù)雜形狀1#～8#采空區(qū)群,運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探討采空區(qū)圍巖應(yīng)力和位移集中分布區(qū)域以及塑性損傷特征,為復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性評估提供一定的理論依據(jù).

1 礦山采空區(qū)現(xiàn)狀

湖南郴州某礦為地下開采,斜坡道以螺旋式開拓.從實(shí)測可以看出,原礦山沿著斜坡道兩邊開采,使斜坡道及兩邊的采場一起形成了采空區(qū).采空區(qū)表現(xiàn)為間斷不連續(xù),且跨度為8～41 m,平均約18 m;高度為6.5～14.0 m,平均約6.8 m.采空區(qū)頂板暴露面積合計(jì)達(dá)1.56萬m2,體積合計(jì)11.3萬m3.從采空區(qū)現(xiàn)場調(diào)查來看,礦體直接頂?shù)装鍘r性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖,其采空區(qū)形態(tài)及相互關(guān)系如圖1所示.

圖1 湖南郴州某礦1#～8#采空區(qū)形態(tài)及其關(guān)系

2 巖石力學(xué)參數(shù)獲取及巖體力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)獲取

試驗(yàn)所用巖樣取自湖南郴州某礦采空區(qū)頂板巖層,并嚴(yán)格按照地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZ/T0276.18—2015)進(jìn)行切割.巖樣試件如圖2所示,試驗(yàn)所得的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示.

圖2 巖樣試件

表1 礦區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)

2.1.1 抗壓試驗(yàn)

使用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)對巖石抗壓試件進(jìn)行加載,讓試件均勻受力的同時(shí),控制其加載速度直至試件破壞.巖石的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中:R為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;P為試件破壞載荷,N;S為試件橫截面積,mm2.

2.1.2 抗拉試驗(yàn)

巖石的抗拉強(qiáng)度就是巖石試樣在單向拉力作用下所能夠抵抗破壞的極限能力,也被稱為極限強(qiáng)度.本文通過劈裂法測定巖石的抗拉強(qiáng)度,具體計(jì)算公式為

(2)

式中:RL為試件抗拉強(qiáng)度,MPa;D為試件的高度,mm;L為試件的厚度，mm.

2.1.3 抗剪試驗(yàn)

巖石的抗剪強(qiáng)度采用變角度剪切法,試件所受到的載荷可以分解成垂直和平行剪切方向的正壓力和剪應(yīng)力,采集自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下白云巖在3個(gè)角度(35°,40°,45°)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,并結(jié)合線性回歸公式計(jì)算其內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ:

(3)

(4)

τα=c+σαtanφ.

(5)

式中:σα為垂直剪切方向的正壓力,MPa;τα為平行剪切方向的剪應(yīng)力,MPa;α為模具的傾角,(°);A為試件受剪切面的面積,mm2,c為內(nèi)聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°).

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化

由于巖體受到水、風(fēng)化等外營力的作用,所以在將巖塊力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于巖體工程時(shí),必須考慮巖塊與巖體之間的差異.利用室內(nèi)試驗(yàn)資料,采用多種工程處理方法,得到符合實(shí)際工程的巖體力學(xué)參數(shù),使分析結(jié)果更接近于現(xiàn)場實(shí)際情況.

2.2.1 巖體單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度的估算

由Hoek-Brown準(zhǔn)則[14-16]進(jìn)行變換得到巖體單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式:

(6)

(7)

式中:σmc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度;σmt為巖體單軸抗拉強(qiáng)度;m,s為無量綱實(shí)驗(yàn)常數(shù).其中m的取值范圍為0.001～25,嚴(yán)重?cái)_動(dòng)巖石m取0.001,堅(jiān)硬完整巖石m取25;s的取值范圍為0～1,破碎巖石s取0,完整巖石s取1.

2.2.2 巖體彈性模量的折減與內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力的計(jì)算

對彈性模量采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行折減[17],而對內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角運(yùn)用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則,計(jì)算公式為

(8)

(9)

(10)

式中:Em為巖體彈性模量;RMR(Rock mass rating)是巖體各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)的具體值.

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并對照RMR評分表計(jì)算,得出研究區(qū)域內(nèi)巖體RMR評分值為73,且礦區(qū)巖石比較致密和穩(wěn)定,層理明顯.故按照巖體自然狀態(tài)進(jìn)行分析,其折減后的巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示.

表2 折減后礦區(qū)巖體基本力學(xué)參數(shù)

3 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)和采空區(qū)資料,利用FLAC3D有限差分軟件,建立整體模型.在Auto-CAD中完成實(shí)體模型的建立后,并使用Rhino 6對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化,刪去重復(fù)和相交的線段,此后再利用Rhino 6中的插件Griddle1.0對模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分,并導(dǎo)入FLAC3D得到模型,如圖3所示.模型長350 m,寬266 m,左側(cè)高214 m,右側(cè)高140 m,整個(gè)模型一共劃分成1 268 120個(gè)網(wǎng)格,864 409個(gè)節(jié)點(diǎn).在FLAC3D中對模型采用位移邊界條件:四周和底面固定,頂部為自由面.為得出自然狀態(tài)下采空區(qū)群的穩(wěn)定性,模型只考慮承受重力加速度.模型計(jì)算時(shí),圍巖體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型,巖體力學(xué)參數(shù)采用表2中的數(shù)據(jù).

3.2 采空區(qū)整體穩(wěn)定性結(jié)果分析

采空區(qū)整體位移云圖如圖4所示.從圖4中可以看出:由于采空區(qū)的開挖和相互貫通,使圍巖的移動(dòng)范圍擴(kuò)大,地表巖體也受到一定程度的影響.在采空區(qū)較為集中的部位,地表呈現(xiàn)出一定程度的位移;在采空區(qū)疊加和高度貫通的區(qū)域,其上方巖體移動(dòng)明顯,位移最大值接近3.16 cm.此種程度下需要在位移最大值的下方采空區(qū)采取一定的控制措施,確保地表不出現(xiàn)裂縫或坍塌.

圖3 圍巖采空區(qū)群模型

垂直方向截取采空區(qū)的塑性區(qū)分布及位移云圖如圖5所示.采空區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中,且在一定程度上應(yīng)力集中會(huì)進(jìn)一步加大,此時(shí)頂板將承受更大的載荷而發(fā)生屈服.圖5顯示大部分采空區(qū)圍巖均發(fā)生破壞,且主要破壞發(fā)生在采空區(qū)的頂板,這表明實(shí)際工程中可能會(huì)出現(xiàn)頂板巖石剝落的現(xiàn)象,存在一定的隱患;除此之外，采空區(qū)周圍的巖壁也發(fā)生明顯的破壞,這表明實(shí)際工程中所對應(yīng)的是采空區(qū)側(cè)墻的巖石脫落.

圖4 模型整體位移云圖

圖5 礦柱及采空區(qū)內(nèi)部塑性區(qū)分布

從圖5中采空區(qū)內(nèi)部塑性區(qū)分布可以看出:8個(gè)采空區(qū)由于形狀、尺寸和埋藏深度的不同,在自然條件下均有不同程度的塑性屈服單元.從采空區(qū)塑性區(qū)發(fā)育情況可以看出：只有6#和7#采空區(qū)附近的圍巖具有良好的穩(wěn)定性；1#,3#,4#采空區(qū)塑性較為發(fā)育,但對整體的影響不大；2#,5#,8#采空區(qū)塑性破壞都較為嚴(yán)重,其中2#采空區(qū)破壞程度最大.在垂直方向上，8#采空區(qū)的塑性破壞與2#,5#差別不大,但在水平方向上卻有所區(qū)別,所以接下來對2#采空區(qū)水平和垂直方向的圍巖穩(wěn)定性以及8#采空區(qū)水平方向上的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)分析.

3.3 2#和8#采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.3.1 2#采空區(qū)水平方向和垂直方向剖面分析

2#采空區(qū)在水平方向上的塑性區(qū)分布、位移與應(yīng)力云圖如圖6所示.從圖6a中看出：剖面內(nèi)塑性區(qū)得到了一定程度的發(fā)育,整個(gè)采空區(qū)周圍巖體中均有分布,表明周圍巖體都有一定程度上的破壞.從應(yīng)力云圖來看,在采空區(qū)開挖后,2#采空區(qū)的一側(cè)巖體雖然出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,且該處的應(yīng)力較大,但從位移云圖來看,2#采空區(qū)周圍巖體位移相對較小,因此2#采空區(qū)水平方向是比較穩(wěn)定的.

圖6 2#采空區(qū)水平方向剖面

在垂直方向上,2#采空區(qū)的塑性區(qū)分布、位移與應(yīng)力云圖如圖7所示.從圖7a可以看出：開挖之后采空區(qū)的頂板和底板塑性區(qū)發(fā)育,形成較大的塑性破壞,在圖7b和圖7c中也能明顯看出.由于應(yīng)力集中現(xiàn)象,采空區(qū)頂板位置的位移達(dá)到2 cm,巖體位移相對明顯,較硬巖體在未支護(hù)的情況下會(huì)發(fā)生變形,使得巖塊局部脫落,因此需要對頂板進(jìn)行支護(hù).

圖7 2#采空區(qū)垂直方向剖面

3.3.2 8#采空區(qū)水平方向剖面分析

8#采空區(qū)在水平方向上的塑性區(qū)分布、位移與應(yīng)力云圖如圖8所示.與2#采空區(qū)塑性區(qū)相比,8#采空區(qū)塑性破壞范圍較為嚴(yán)重,由于2個(gè)采空區(qū)相距較近,所以表現(xiàn)出采空區(qū)的“群效應(yīng)”,周圍圍巖出現(xiàn)了應(yīng)力疊加現(xiàn)象,使其中間也出現(xiàn)了一定程度上的塑性破壞.從位移云圖分析可知,由于采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力分布不均,8#采空區(qū)的右側(cè)以及2個(gè)采空區(qū)中間出現(xiàn)較為明顯的位移,且位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2#采空區(qū)水平方向上的位移.

圖8 8#采空區(qū)水平方向剖面

從整體上看, 2#采空區(qū)埋藏最淺,其次是5#采空區(qū),8#采空區(qū)埋藏最深.隨著深度的增加,圍巖所受應(yīng)力將增大,其塑性區(qū)面積也應(yīng)逐漸增大,但從塑性區(qū)來看,埋藏較淺的2#采空區(qū)塑性破壞卻比8#采空區(qū)更嚴(yán)重.通過對采空區(qū)現(xiàn)場實(shí)測,8#采空區(qū)空區(qū)高度約9 m,平均跨度約20 m,采空區(qū)面積只有710 m2,但2#采空區(qū)空區(qū)高度約6.8 m,平均跨度約24 m,采空區(qū)面積卻達(dá)1 300 m2.由此來看,采空區(qū)的深度、頂板跨度、暴露面積等參數(shù)對其塑性區(qū)都有很大的影響.

4 治理效果

圖9 采空區(qū)支護(hù)情況

經(jīng)前文分析,湖南郴州某礦6#和7#采空區(qū)附近的圍巖具有良好的穩(wěn)定性,1#,3#,4#采空區(qū)塑性較為發(fā)育,但對整體的影響不大.2#,5#,8#采空區(qū)塑性破壞較為嚴(yán)重,故針對該礦2#,5#,8#采空區(qū)采用人工礦柱的方法支撐頂板,緩解巖體應(yīng)力集中的程度,轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中的部位,使應(yīng)力達(dá)到新的相對平衡,從而保證礦山安全生產(chǎn)的目的.支護(hù)情況如圖9所示.

5 結(jié)論

1)采空區(qū)深度、頂板跨度和暴露面積決定著采空區(qū)塑性區(qū)的發(fā)育.采空區(qū)的深度越深,頂板跨度越大,暴露面積越多,其塑性區(qū)越發(fā)育,越不利于采空區(qū)的穩(wěn)定.

2)針對采空區(qū)塑性發(fā)育的問題,提出人工礦柱支護(hù)方法,有效減小了圍巖變形.