铅锌矿采空区上覆边坡稳定性分析及治理

黄舞炎+房佳+周能祥

（福建金东矿业股份有限公司，福建 三明 365000）

摘要：文章阐述了影响铅锌矿采空区上覆边坡稳定性的主要因素，提出了铅锌矿上覆边坡稳定性的分析方法，并在此基础上对治理铅锌矿采空区上覆边坡稳定性的思路进行论述，期望对确保矿山安全生产有所帮助。

关键词：铅锌矿；采空区；边坡稳定性；矿山安全

中图分类号：TU457文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0104-031影响铅锌矿采空区上覆边坡稳定性的主要因素

大体上可将影响采空区上覆边坡稳定性的因素归纳为以下几个方面：

1.1岩体结构

结构体和结构面是构成岩体结构的两大基本要素，同时这两个要素也是反映岩体工程地质特征的主要因素，其不但会对岩体的内在特性有所影响，而且还会影响到岩体本身的物理力学性质及变形破坏过程。由于结构体与结构面能够决定岩体的结构类型。故此，岩体的稳定性与这两个方面有着密切关联，两者的性质是影响岩体稳定性的关键因素。

1.2矿体倾角

由于矿体倾角直接决定了采空区的赋存特征，因此也对顶板和底板岩石的受力状态以及变形破坏具有一定程度的影响。相关研究结果表明，倾角不同的矿体对采空区地面的影响均不相同，在采空区容积相同的前提下，急倾斜比缓倾斜对地表的破坏作用更大一些，并且极其容易形成垂直剪断。此外，急倾斜矿体的采空区还很难保持相对稳定，其中的松散体易出现垮落，由此会引起地表沉降，进而引起边坡失稳。

1.3采空区的规模与形态

采空区规模与形态是影响铅锌矿围岩稳定性的重要因素。具体表现为：若采空区的面积较大，则极易引发垮落事故，造成大范围的岩移；若相邻采空区距离较近，则会促使采空区在相互影响下加剧对围岩稳定性的危害；当地下采空区总量相同时，若被强度足够的矿柱或无矿带隔离、分割，则会提高围岩的稳定性，大幅度减少岩移幅度；矩形采空区的拱角处是围岩应力的高度集中区，极易出现拱角破坏现象。

1.4采空区的开挖深度

采空区开挖深度的不同，其引起地表岩移的程度也不同。开采深度与各种变形值成反比，随着开采深度的增加，会减小地表各种移动变形值，扩大地表移动范围。同时，采空区开挖深度还对地表持续时间有一定影响。当开采深度较小时，地表的下沉速度较大，其移动持续时间较短；当开采深度较大时，地表的下沉速度较小，其移动持续时间较为缓慢。

1.5水文条件

地下水对岩体结构面的阻抗能力有着重要影响。具体表现为：地下水的渗透压力越大、赋存越丰富，其结构面中的充填物越软化，导致结构面的抗剪强度越弱。在岩体内裂隙水的动水压力作用下，会冲刷走结构面中的大量充填物，降低岩体的力学强度，进而严重影响岩体的稳定性，最终导致不稳定结构出现滑落现象。

2铅锌矿上覆边坡稳定性的分析方法

在岩土工程中，有限元法是应用最为普遍的一种分析工具，该方法具体是指将一个实际的结构物通过与之近似的物理模型来代替，然后依据相关理论建立方程组，再对方程组进行求解，由此获得未知的物理物（量），进而获取与之相关的辅助量值。目前较为常用的有限元法包括位移型、平衡型、混合型等，在这几种方法中，位移型有限元比较容易在计算机上实现，从而使得求解问题变得更加简单。在对矿山的岩土工程问题进行研究时，常常会涉及到几何非线性方面的问题，如岩层移动、不均匀沉陷、采空区顶板下沉规律等，这些问题的实质上就是大位移问题。故此，可以采用有限元法进行分析。

2.1建立分析模型

2.1.1有限元模型的特点。本文中采用的是三维有限元模型，该模型的基本功能如下：可以对三维岩土工程问题进行计算；可以模拟出分步开挖，在这一过程中能够充分考虑多种因素的影响；能够考虑材料的屈服准则；可以输入多种荷载，如地震荷载等；单元种类多；运算速度快、精度高；处理功能强大。

2.1.2计算模型建立。按照某铅锌矿采空区的基本形态和特点，并在充分结合岩石力学相关理论的基础上，建立起了三维有限元模型，该模型的长宽高分别如下：1200m、1000m、800m，模型当中的x方向为沿着矿体的走向，该数值可以取800m，z方向为垂直于矿体走向，可取1000m，y方向则为沿垂直方向，可取1000m。该三维模型底部的所有节点均采用x、y、z三个方向作为约束；由于采空区与地表之间的距离大约在300m左右，加之地应力相对比较复杂，故此，为了便于计算，λ取1.15；采用Drucker-Prager塑性破坏准则对岩体的具体破坏情况进行分析。

2.2边坡稳定性的有限元分析

为了便于计算分析，决定模拟空区的实体形态，并按照实际模拟结果，对采空区上覆边坡的稳定性进行分析，具体如下：在采空区不开挖的前提下，模型的整体位移垂直向下，且位移由上向下逐步减小，此时模型当中出现无塑性区域。但是由于本文所研究的铅锌矿采空区已经形成状态。为此，采用计算机进行模拟时，需要将实体转变为采空区。从模拟结果上看，随着采空区的开挖，其上盘出现应力集中现象，但并未超出围岩的极限抗拉强度，同时，开挖引起了新的位移现象，最大位置处的位移接近4mm，此时采空区上盘的安全率超过1.5，表明采空区一般稳定状态。然而，在增加地震荷载的情况下，采空区上覆边坡的稳定系数大幅度降低，这表明边坡为欠稳定状态。

通过三维有限元分析得出如下结论，本文所研究的铅锌矿采空区在正常情况下为稳定状态，但如果遇到地震激发时，采空区的上覆边坡会出现不稳定状态，针对这一情况，可采取如下方法加以治理。

3治理铅锌矿采空区上覆边坡稳定性的思路研究

3.1围岩崩落处理法

围岩崩溃处理法是指利用崩落围岩充填采空区，使其形成缓冲保护垫层，进而有效防止岩石突然冒落造成严重危害的一种治理方法。采用这种治理方法能够及时消除采空区应力过于集中的问题，大幅度减少地压活动，同时还能够简化围岩的处理工艺，降低采空区的处理成本。围岩崩落处理法主要包括自然崩落围岩和强制崩落围岩两种方法，自然崩落围岩法主要适用于围岩强度低、易崩落的情况，如对采矿的两盘围岩和上覆围岩进行崩落处理，待开采之后对崩落围岩进行回收；强制崩落适用于地下硐室爆破、浅孔削壁充填、深孔切槽放顶等情况。

3.2充填处理法

充填处理法是指将废石或湿式充填材料运输至采空区进行充填密实的一种方法，该方法可以有效限制围岩移动，消除采空区带来的隐患。这种处理方法主要适用于围岩稳固性较差，上部矿体需要保护以及贵重金属、稀有矿床的开采治理，不仅有利于增强采空区上覆边坡的稳定性。而且还有利于提高矿石回收率，减小开采对地表生态的影响，避免放顶煤开采引起地表沉陷现象。为此，我国正逐步加大充填处理法的应用力度，力求促使矿山开采实现无公害化、环保化。目前，我国铜官山铜矿已经成功使用岩溶水充填采空区，金岭铁矿也采取充填法建成了地下尾矿库，充填法的推广应用使得我国许多矿山取消了地表排土场。充填处理法根据充填材料性质的不同，可分为干式充填法和湿式充填法，干式充填法适用于规模不大的中小矿山采空区充填，湿式充填法适用于具体分布状况不明确的采空区充填。湿式充填法只能通过钻孔来输送已加工成流态的物料，而后再在压力泵的作用下使其进入采空区，这种充填方法有利于流态物料脱水沉积，增强围岩的稳定性。

3.3封闭、隔离采空区

这种治理方式是将采空区与外界相通的巷道封闭，并且在采空区与作业区之间设置隔离层，再在采空区上部开通“天窗”，使采空区冒落产生的冲击气浪可以顺利排出地表，从而确保作业区的安全。现阶段，封闭、隔离采空区处理法在许多矿山得到了成功应用，有利于保护作业设备、人员、巷道安全完好，防范作业人员误入采空区。封闭采空区主要包括以下几个形式，即设置岩石阻波墙、混凝土阻波墙、齿状阻波墙、缓冲型阻波墙。

3.4联合处理法

联合处理法是指针对同一采空区共同实施几种不同的处理方法，这种处理方法适用于矿体赋存条件复杂、生产状况多样的采空区，能够充分发挥不同单一处理方法的优势，提高采空区上覆边坡处理的经济性和合理性。目前，联合处理法主要包括矿柱支撑与充填联合法、封闭隔离与崩落围岩联合法。从应用效果来看，联合处理法拥有良好的应用前景，可根据实际生产情况，灵活选取几种单一的处理方法，有利于增强处理方法的适用性。

4结语

总而言之，随着国内铅锌矿采空区的不断增多，为了预防顶板冒落、上覆边坡失稳等情况的发生，应当对采空区的围岩及上覆边坡的稳定性进行分析，并采取相应的方法加以治理，从根本上消除矿山的安全隐患。这对于确保采矿安全和矿山的持续生产具有非常重要的现实意义。

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作者简介：黄舞炎（1985—），男，广西藤县人，福建金东矿业股份有限公司助理工程师，研究方向：矿山开采。

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