某矿山地下采空区对地表稳定性的影响研究

刘 永，张志军，贺桂成，丁德馨

(南华大学核资源与核燃料工程学院，湖南 衡阳 421001)

矿山开采是人类取得有用矿产资源的重要经济活动，然而大多数矿山对于开采后遗留的空区仅采用封闭的方法，致使地下采空区长期存在，其潜在的危险严重危及到矿山居民生命财产安全。近年来，国内许多矿山的地下空区都出现了不同程度的破坏，继而引起地表沉陷，造成地表农田毁坏、房屋开裂，更有甚者造成人员伤亡[1-5]。因此，对空区围岩稳定状况进行合理地分析，并提出合理的空区治理措施，一直是采矿工程领域的一项热门研究课题。

目前，数值计算方法和计算机模拟技术的飞速发展，为分析地下采空区对地表沉陷的影响提供了有利条件，其中有限元、有限差分等方法在岩体内部应力分析、采场围岩变形行为仿真以及地下采空区稳定性模拟中得到了广泛应用[4-6]。而其中的有限差分法软件FLAC3D则是世界公认的后处理最为强大、可靠的分析工具，因此，本文即针对湖南某矿山现存地下采空区，采用FLAC3D对其中一个采空区对地表沉降的影响进行了分析，继而对照矿山实际状况进行了比较，结果表明这是一种合理、有效的分析方法。

1 工程概况

1.1 矿山工程地质简况

湖南省某矿山盛产锡矿，锑矿体赋存于透性较高的七里江灰岩顶部砂化岩石中，其上覆盖着透性极差的页岩。整个矿田构造为一个两端倾伏双攀型短背斜。轴向北东25°，北端为扬起倾伏，倾伏角10°～15°；南端为沉降倾伏，倾伏角30°～40°。核部由七里江砂化灰岩石组成，北、东、南三面依次变为上泥盆统地层，倾角一般为20°～30°。西翼为西部大断层破坏，致使石磴于灰岩与七里江砂化灰岩石接触，和七里江砂化灰岩倾角变陡到45°～60°，构成不对称的短背斜。主要发育有F86断层，其走向NE45°，倾向SE，倾角60°左右，属于成矿后断裂，对矿体具有破坏性[8]。

1.2 采空区概况

目前，该矿山正计划向深部继续开采，空区规模亦将不断扩大。如果不迅速处理这些已有空区，就极有可能引发大规模的地表沉陷，危及到地表所住居民和矿山工作人员的生命财产安全。因此，为了矿山的可持续发展，有必要对矿山的采空区进行稳定性研究。

笔者在进行采空区调查后发现，其中最大的一个采空区体积约8000m3，同时该采空区对地表安全威胁最大，因此有必要对其进行数值模拟以分析其稳定状况。该空区沿东西向长约30m，南北向长约45m，空区高度约6m，顶板距离地表约48m。空区正上方地表覆盖1～3m厚的土层，并建有楼房。空区东约80m处有一倾角约40度的断层F86。空区位于泥盆统佘田桥组中段硅化灰岩中。

为获取数值建模所需的各种物理力学参数，特到现场取得矿区围岩样本进行了岩石力学试验，并结合矿区地质资料[10]，确定各参数如表1所示。

表1 空区岩层物理力学参数表

2 数值模拟与结果分析

2.1 模型建立

依据该采空区的实际尺寸，构建该采空区模型，其长度Y方向取45m，宽度X方向取30m，高度Z方向取6m，距离地表约48m。取岩石移动角为70°，影响范围X水平方向左边取36m，右边界取到171m处。Z竖直方向起始点取采空区底部向下延伸16.5m处，上部取到地表岩层边界处。考虑到相邻小空区的坐标，该模拟空区Y水平方向前方取为5m，采空区为45m，后面方向延伸40m，Y方向共取90m。所建模型如图1所示。

图1 采空区模型图

2.2 边界条件

边界约束条件设置如下：

1)模型的前后左右四个面水平X和Y方向位移均固定为零，竖直方向为自由沉降；

2)模型底面全固定，模型上表面(即地面)为全自由；

3)模型中的采空区的边界条件都是没有约束的自由边界，并允许大变形；

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4)考虑到地表建筑物的影响，模型上边界沿X方向0～95m范围内施加-0.054MPa的均布载荷。

2.3 模型模拟结果

2.3.1 模型模拟计算

编制FLAC3D命令程序，并进行模拟计算，得到如下模型竖直方向应力分布图、竖直方向位移分布图、X向竖直剖面位移等值线、Y向竖直剖面位移等值线以及模型中心剖面塑性区分布图等。

图2所示可以看出，采空区底板、部分边帮以及断层底面处发生应力集中，最大竖向应力为3.2408MPa。而顶板上竖向应力约为1MPa，模型中最小应力约为2.5MPa。均小于围岩的抗拉、抗压强度，因此该采空区是稳定的。

图3所示可以看出，地表发生的最大位移约为2.2816cm，而采空区顶板处位移量达8.6295cm，并且从位移分布上可以看出采空区的位移对地表位移有所影响。进一步的，为了确定采空区位移对地表的影响程度，沿采空区中心，采用自编接口程序，分别获得X向和Y向竖直剖面的两个位移等值线图4和图5。

图2 模型竖直方向应力分布图

图3 模型竖直方向位移分布图

图4 模型X向竖直剖面位移等值线图(Y=25m)

图5 模型Y向竖直剖面位移等值线图(X=50m)

图4和图5中采空区竖向变形的1.1cm线已与地表沉降连接在了一起，这说明采空区顶板变形所引起的地表沉降量为1.1cm。

为了分析该采空区目前的稳定状况，取空区模型中心Y=25m处竖直剖面塑性区分布图，如图6。

图6 模型剖面塑性区分布图(Y=25.1m处)

图6中Shear-p表示该区域曾受剪破坏，当前处于弹性状态；Tension-p表示该区域曾受拉伸破坏，当前处于弹性状态。由该图可判断采空区处于Tension-p状态，即当前状态为弹性状态，但曾受拉伸破坏，因此该区域岩体已破碎。

2.3.2 地表沉降量模拟结果

取模型的Y=25m剖面，将其地表各点沉降量绘制于坐标中，再将各点采用样条曲线拟合，结果如图7。

图7 模型地表沉降量样条曲线拟合图

进一步地，对图7曲线进行了函数拟合，所得表达式如下：

(1)

由上图7可以看出，模型沿水平方向的地表下沉量呈现抛物线型分布，即两边的沉降量较大，中间的沉降量较小。在模型坐标为(0.1，-2.2816)处，沉降量达到最大值2.2816cm。

2.4 模拟结果分析

综合图3～图7可得，顶板的变形对地表产生的影响占地表全部沉降量的48.2%，而上部荷载所引起的地表沉降占地表全部沉降量的51.8%。可见，采空区顶板的变形对地表的影响是很大的。

长期监测结果亦显示该采空区上覆地表沉降亦持续发生，虽然沉降量较小，但鉴于上覆地层较薄，地表有大量居民活动，因此必须对采空区进行及时处理，以保障后续开采工作顺利、安全地进行。

目前，国内外处理矿山地下开采遗留的采空区的方法主要有封闭、崩落、支撑、加固和充填五大类[5,11]。对于本矿区，由于上面有民房、厂房、工厂等建筑物，所以最好选择充填法对采空区进行处理。同时，为了节约成本，建议该矿对采空区采用废石干式充填。充填时，应严格控制充填质量。

3 结论

1)该矿山采空区围岩虽然较坚硬，但由于上覆地表较薄，且采空区体积较大，因此有必要对其稳定性进行分析，并及时采用处理措施。

2)随着时间的变化以及其他因素的作用，如相邻采空区的相互影响、爆破震动、地表渗水等，均有可能导致采空区已处于破碎状态的岩体继续破坏，造成整个采空区坍塌，并最终引起上部建筑物的破坏、倒塌，危及当地居民的生命财产安全。因此，亦需及时采取合理的处理措施对采空区进行处理。

3)该矿采用所建议的废石干式充填法对矿区范围内的采空区进行了充填作业，充填质量良好，截止2011年底，监测结果显示地表沉降已趋于稳定。采用废石干式充填法，既节约了采空区处理成本，同时亦能够达到预期的处理效果，这已是矿山企业首选的采空区处理方法之一。

4)数值模拟方法能够建立与实际工程相似的立体模型，并能显示出模型任意剖面的位移云图和位移等值线，便于直观地分析采空区对地表影响的应力、变形关系，这对于指导实际工作有一定的现实意义。

[1]王思敬.中国岩石力学与工程世纪成就[M].南京：河海大学出版社，2004.

[2]曹湘林 刘伟强.鸭公塘2～#采空区地表塌陷原因及稳定性分析与计算[J].有色金属：矿山部分，2011(3):25-29.

[3]何国清,杨伦,凌赓娣,等．矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[4]丁德馨.弹塑性位移反分析的智能化方法及其在地下工程中的应用[D].上海：同济大学，2000.

[5]张永波,孙雅洁,卢正伟，等.老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[6]谢和平,周宏伟,王金安,等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报，1999，18(4):397-401.

[7]ITASCA Consulting Group.Inc.FLAC Basics[M].1999.

[8]ITASCA Consulting Group.Inc.USER’S GUIDE[M].1999.

[9]ITASCA Consulting Group.Inc.THEORY AND BACKGROUND[M].1999.

[10]湖南省某矿山工程部.湖南省某矿山采空区调查报告[R].2006.

[11]刘东彦.采空区稳定性评价及处治对策[J].岩土工程技术，2011(5):33-36.