平行矿体采空区稳定性分析及处理方式研究

2013-11-14尹修平郭忠林

中国非金属矿工业导刊 2013年6期

尹修平，郭忠林

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

1 概述

近几十年来，随着资源的不断匮乏，市场对资源量的需求不断增大，资源的开采工作也由浅部逐渐向深部发展。由于前期开采所遗留的采空区未经处理，其所存在安全隐患也随着时间的推移不断增大，这不仅会造成地表塌陷，还会对后续开采造成地质灾害隐患。本文以云南某铅锌矿采空区为对象，分析Ⅱ6、Ⅲ4号矿体采空区稳定性和对后续开采活动的影响。

2 采空区影响因素

2.1 采空区形态

根据现场踏勘收集的资料，矿山的采空区主要集中在Ⅱ6、Ⅲ4号矿体，也是矿山生产的主矿体。Ⅱ6矿体走向近东西向，倾向北，倾角60～80°，控制长212m，矿体厚0.75～5.62m，平均厚2.47m，厚度变化系数89.88%，属厚度较稳定型矿体。Ⅲ4矿体走向近东西向，倾向北，倾角60～80°，矿体控制长47m，厚1.02～8.69m，平均厚6.61m，厚度变化系数100.52%，属厚度较稳定型矿体。Ⅱ6、Ⅲ4号矿体属于相邻矿体开采，采用平硐开拓方式，早期开采主要集中在1700m以上，所以形成的采空区主要集中在1700、1740、1780m三个中段。

2.2 矿区地质概况

矿区内岩石均具程度不同的热变质作用，随远离酸性花岗岩体而变质程度递减，各类岩石均保留原岩的部分结构、构造，基本上为石英岩原岩砂岩、粉砂岩，角岩原岩为泥岩、砂泥岩，大理岩原岩为碳酸盐岩。矿山一带由南往北(由上往下)出露岩性为石英砂岩、石英岩→砂质板岩、砂岩→砂质角岩→角岩→大理岩与角岩互层→角岩，矿区主要含矿岩性为大理岩与角岩互层，以大理岩岩为主，走向近东西向，倾向北，倾角大于60°，不管是大理岩或是角岩，其钙质含量均较高。所以，矿体的围岩比较单一，由大理岩和角岩组成互层夹杂矿体。具体岩石力学参数如表1所示。

表1 岩石力学参数

2.3 采空区稳定性的数值模拟分析

根据岩体的破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏和张性破坏。采空区围岩主要产生的就是剪性破坏。地下的矿体被采出后，采场周围的原始应力平衡受到破坏，顶板围岩向下弯曲，上覆岩层也会沿着岩层层理的法线方向发生移动、弯曲，导致顶板因大跨度弯曲而断裂、离层，采空区周围的岩层就产生移动、变形、破坏[1-3]。对于实际的工程问题，由于问题存在的复杂性和影响因素众多等条件，在满足工程需要的前提下，采用数值模拟技术来近似模拟。通过FLAC3D数值模拟软件，对采空区围岩的位移、应力、塑性区等进行稳定性分析。本文主要分析空区围岩位移、应力和塑性区，见图1～图5。

图1 Z 方向位移

图2 X 方向位移

图3 最小主应力

图4 最大主应力

图5 塑性区

根据图1、2可知，采空区围岩在Z方向位移变化比X方向明显，采空区围岩从下到上位移逐步增大，在接近地表是位移最大。Ⅱ6号矿体上盘围岩位移在X和Z方向上变化明显，最大位移主要集中在矿体的上盘，越接近地表位移越大。Ⅲ4号矿体下盘围岩位移比上盘围岩位移大，位移主要集中在两个采空区之间。由于位移主要介于平行采空区之间，有可能造成两矿体之间整体垮落。

图3、4主要分析的是最小主应力和最大主应力，由图可知，采空区的应力主要集中在顶部和底部，Ⅱ6号矿体应力集中明显，主要集中在上盘顶部，靠近地表。Ⅲ4号矿体应力主要集中在顶板和地板，同时地表山谷离采空区最近也存在应力集中。

图5是分析的是塑性区，塑性区存在的是不可恢复的变形，也就是说产生围岩发生塑性变形，不能恢复原状，从而产生破坏塌落。由图可知，塑性区主要集中在采空区的上盘接近地表的地方，Ⅱ6号矿体上盘塑性区范围明显。

综上所述，围岩位移主要集中在两采空区之间，应力和塑性区主要集中空区上盘顶板接近地表出，当采空区上盘顶板围岩产生位移时，同时顶板围岩应力又比较集中，又存在塑性区，塑性区部分变形不可恢复，从而可能直接导致大范围的塌陷，对矿山的生产存在着重大的安全隐患，需要采取处理措施。

3 采空区地质灾害分析

3.1 冒落塌陷

当形成采空区后，采空区岩层根据其破坏和移动的形式，自下而上分为“三带”：冒落带、断裂带、弯曲带[4]。当空区顶板冒落的高度大于空区顶板的高度时，就会形成地表塌陷；相反，地表则不会形成塌陷，地表稳定。由于采空区围岩主要为坚硬的大理岩为主，故选用的冒落高度计算公式为：

式中：H——冒落带高度；

m——采空区高度；

k——岩石的碎胀系数，硬岩一般在1.50～1.80，取1.60；

α——采空区倾角，取矿体倾角70°。

根据采空区的实际形态，选取三个标高进行计算，计算结果如表2。

3.2 冒落产生的气浪

冒落气浪是采空区上覆岩层大范围冒落，瞬间压缩采空区气体，形成气浪冲击，对矿上的运输巷道，通风等造成重大影响，同时对矿山的安全生产带来隐患，严重时威胁到生命安全。发生大面积冒落时通常也伴随着地表塌陷。冒落气浪主要两种模型：①一种是“绕流”模型；②另一种是“打气筒”模型。其中“绕流”模型空区内部气体受压产生的气浪，没有连通地表空气，而“打气筒”模型冒落到地表，压缩空气与地表连通。根据冒落带的计算和分析，该矿山为打气筒模式，根据能量守恒和恒温下的气体状态方程，“打气筒”模型计算公式如下[4-5]：

表2 Ⅱ6、Ⅲ4采空区冒落高度计算

式中：η——折减系数，介于0.6～0.9之间；

ρ——冒落体的密度；

A——出风口断面积；

P1——气浪发生前采空区的气压；

H——空区高度；

L1——冒落体的长；

L2——冒落体的宽；

H1——冒落体的高；

n——出风口个数。

通过现场观察可知，折减系数η取0.8；冒落体的密度ρ取1.47g/cm3；出风口断面积A为2m×2m；气浪发生前采空区的气压P1为标准大气压；现场测量冒落体的长宽高为3.2m×2.5m×1.8m；计算可以知道Ⅱ6、Ⅲ4矿体产生的冒落气浪速度分别为：11.05m/s、17.55m/s。其中Ⅲ4矿体的冒落气浪超过了矿山的安全速度12m/s，对矿山的生产安全造成影响，应采取应对措施处理采空区。

4 采空区的处理方式

现阶段，采空区处理的方法主要有三种：①基本方法主要包括崩落法、充填法、支撑法、封闭隔离法；②采空区处理的联合法主要有支撑充填法、崩落隔离法、矿房崩落充填法、支撑片落法；③现阶段采空区处理的新方法有切槽放顶法、切顶与矿柱崩落法、V形切槽上盘闭合法、硐室与深孔爆破法[5-10]。其中，采空区的基本法和联合法各方面都有局限性和特定的适应条件，且费用都比较高。新方法都能通过一种施工工艺达到多种基本方法的处理工艺，而且成本比较低，可以根据现场情况进行选择处理。

根据该矿山的具体情况、稳定性分析和技术经济比较，以及各种处理方式的适应条件，了解该矿山地表允许塌陷，初步选定处理方式为崩落部分围岩处理采空区。主要技术路线：通过数值模拟分析可知，采空区的围岩应力，位移和塑性区主要集中在上盘顶板处，选择采空区应力集中处进行崩落围岩，既可以降低成本，还能达到最好的效果，崩落部分围岩充填采空区，使其达到一定的厚度，与采空区底板共同形成阻波缓冲带，当缓冲带达到一定厚度，就能消除冒落气浪的影响，并且对矿山的后续开采不产生安全隐患。