某锰矿采空区上方建筑物安全稳定性影响研究

张秉皓，郭忠林

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

0 前言

随着社会的发展，处于整个社会生产链顶端的矿产资源开采也在大力发展，与之而来的“三下”(矿山工程在河流、铁路和建筑下)问题，即在河流、铁路和建筑下的问题也越来越明显。云南省蒙自县某锰矿山在开采过程中，就面临所形成的采空区位于地表建筑物下的问题。为保证矿山正常开采和周围村民生命财产安全，通过“三带理论”(采空区覆围岩破坏和移动出现自下而上分别为冒落带、断裂带、整体移动带3个明显部分)及数值模拟方法，研究该矿山继续地下开采对地表建筑的安全稳定性影响，得出结论，供矿山生产参考。

1 空区影响分析

1.1 矿山概况

云南省蒙自县某锰矿山矿体为层状、似层状锰矿。矿层较复杂，由多个不同岩性岩层构成。矿体厚度约 2.5 m 左右，倾角在 31(°)～44(°)之间。各地层岩石力学参数如表1所示[1]。

表1 岩石力学参数

1.2 “三带理论”评价分析

采空区形成之后，采空区上覆围岩破坏和移动出现自下而上分别为冒落带、断裂带、整体移动带3个明显的部分[2]。

1)冒落带：采空区上覆围岩在自重应力下，其上覆围岩自身的抗拉强度小于上覆围岩所施加的拉应力时，发生弯曲，变形直至断裂破坏，最后破碎甚至垮塌，堆积于采空区之中。

2)断裂带：采空区上覆围岩产生裂缝、离层及断裂，但仍然保持着各个岩层之间的相互关系。

3)整体移动带：即弯曲带，其内岩层在自重应力作用下，在法向方向发生弯曲，在水平方向上受双向压缩应力。整体压实，且整体性较好且岩层不会发生错位，保持层状结构，整个弯曲带将延伸到地表。

采空区形成之后，采空区上的直接顶板会很快冒落，当采空区上的上覆围岩自身坚固性较差时，自然会波及到上部的老顶板。冒落带的高度取决于矿体的厚度，宽度，倾角，采空区的高度，相关的岩石的物理力学性质及所处的环境等。

采空区形成后，顶板岩体发生破碎，接着在地压和自重应力条件下开始冒落，破碎断裂岩石逐渐填满采空区，随着时间推移，这些掉落岩石会压实，在上部空间形成新的空区，岩体继续冒落和断裂，直到整个空间被压实，不再发生冒落和断裂。碎胀岩体体积不能恢复到原岩体积后，这时冒落的岩体体积与原岩体积之比，叫做岩石的残余碎胀系数。

压实后的残余碎胀系数，一般软岩为1.02；中硬岩石为1.025；一般硬岩为1.03。岩石越硬，碎胀系数越大。

采空区及上覆围岩所在地层为中三叠统法郎组(T2f)浅灰～深灰色灰岩、白云质灰岩，岩体坚硬、连续性较好，为中厚层或块状结构。综合考虑，本研究区域围岩残余碎胀系数取1.03。

前面已述，采空区顶板岩层冒落与断裂高度与采空区的高度、倾角及围岩物理力学性质有关。采空区高度变化如表2所示。

表2 勘探线剖面上采空区高度

由于采空区的围岩比较坚硬，故选用冒落带的计算公式为：

式中H——顶板岩层冒裂高度(m)；

m——采出矿层厚度(采空区高度)(m)；

k——岩石残余碎胀系数；

α——矿层倾角(采空区倾角)(°)。

在选取矿体松散系数时，考虑的是压实后残余碎胀系数，所以计算出来的顶板岩层崩落高度与断裂高度之和，而没有单独计算冒落高度和断裂高度。

计算参数的选取：m按表2中的采空区高度；残余压实系数 k 取 1.03；α=5(°)～9(°)，具体大小从剖面图量取，将上述参数值带入公式，可得到各剖面上岩石冒裂带高度为表2。

通过“三带理论”的运用，计算得出采空区的冒裂带为图1的曲线所示，可以看出矿山对地表建筑物不会产生破坏的影响。

图1 勘探线剖面冒落带曲线

1.3 采空区影响的数值模拟分析

随着计算机的发展，特别是在岩土工程方面的相关软件的研究开发，为解决在工程实例中的岩土问题提供了方面实际的计算工具。采用ANSYS数值模拟分析软件，模拟采空区对上覆岩层移动产生的变形破坏对地表建筑的安全稳定性分析。

ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块(Preprocessing)，求解模块(Solution)和后处理模块(Postprocessing)[3]。

前处理模块的主要功能是对实体进行建模并且进行网格的划分。求解模块对已经划分好的网格模型进行加载和求解。通用后处理器POST1和时间历程处理器POST2是后处理模块的两个处理器。POST1的功能是检查模型在某一载荷和子步的结果；POST2的功能是检查模型的在指定点的特定结果相对于时间、频率或者其他结果项的变化。ANSYS分析计算的基本流程如图2。

图2 ANSYS分析计算的基本流程

本次模拟将忽略岩体的构造应力，只考虑岩体的自重应力，在计算分析前，首先模拟分析岩体的自重应力场，然后加入各个岩性不同岩体的参数。此方法还应考虑在自重应力场的条件下的初始位移，所以在以后的模拟过程中，所得到位移量包含了初始位移，而实际工程中初始位移是不存在的，对空区的模拟不产生影响，所以，最终的结果都有折减掉岩体的初始位移。

通过以上方法模拟分析，得出模型在原岩应力条件下及开采之后的位移云图和应力云图。为了更加直观的分析所得出的应力、位移云图数据中的应力位移情况，以剖面中的建筑物位置为中心，绘制半径为50 m，半径差为50 m的同心圆。再以地表的一边为轴，每旋转30(°)与同心圆周的交点中，选取适当的23个控制点(如图1所示)，列出如表3的各个控制点的应力、位移图。

表3 模型1上控制点模拟数据

从表3可以得出：

1)以建筑物地表的沉降判断采动安全稳定性。根据上面所采集控制点的数据可知，采空区引起的地表建筑物附近地表沉降最大值为15.848 mm，小于民用建筑物的地表允许值，可以判断地表建筑物是安全稳定的。

2)以地表建筑物的垂直应力判断采动的安全稳定性。在整个模型的全部控制点所取得的应力，体现为压应力，且低于所给相应的围岩岩层的抗拉压强度，从而可以断定开采对建筑物的影响是可以忽略的，地表建筑物是安全稳定的。

2 结论

通过对某锰矿山采空区对其上村庄建筑物的安全稳定性分析研究，可以得出在工程实例中面对开采的“三下”问题，提出相应的思路与方法。

1)“三带理论”可以定性的判断分析出采空区在地层中所能达到的影响范围。

2)通过数值模拟的方法计算出的结果，与定性方法相结合，可以有效的分析出采空区对地表建筑物的安全稳定性影响。

综上所述，在相关的对采空区对地表建筑物影响的研究，理论与试验相结合，可以达到很好的预期效果。

[1]岳顺.隧道围岩稳定性研究与时间序列建模分析[D].重庆：重庆大学，2009.

[2]何国清，杨伦.矿山开采沉陷学[M].北京：中国矿业大学出版社，1991.

[3]张玉卓.岩层与地表移动计算原理及程序[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[4]刘红元.采动影响下覆岩破坏过程的虚拟研究[D].沈阳：东北大学，2000.

[5]付士根.采空区对地表建筑物的影响评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007(17)：144-145.