皇华沸石矿采空区稳定性评价及防治

龚甲桂，孙钦同，马庆宝，徐 琪，王 春

(中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250014)

非煤矿山地下开采虽然为社会提供了丰富的矿产资源，但是在经历长期的掠夺式开采之后，遗留了大量未处理的采空区[1-3]。采空区引起的矿山事故已成为地下矿主要灾害之一，因此，采矿界将采空区列为非煤矿山的重大隐患之一[4]。为了预防矿山采空区灾害事故，必须对采矿区稳定性进行分析评价。如果未及时对开采形成的采空区进行处理，当某个矿柱出现破坏时，相邻矿柱将承担该矿柱的载荷，在相邻矿柱难以承担附加载荷时，它们也将出现破坏，进而迅速传播到整个采空区矿柱，最后造成采空区上覆岩层大面积暴露，顶板及上覆岩层失稳破坏，导致采空区灾害事故发生[5-7]。采空区涉及的危害均与上述的稳定性有关，主要表现在两方面：一方面采空区的矿柱变形和顶板大面积冒落，会造成地面塌陷、沉降和地裂缝，更严重的情况是采空区会出现突然塌陷，形成高速的冲击波和气浪导致人员伤亡；另一方面采空区围岩长期受到爆破开采作用，岩体裂隙发育贯通地表或连通积水处，具有发生突水事故造成人员伤亡的可能[8-11]。为避免采空区塌陷和突水事故带来生命和财产损失，本文针对山东省诸城市皇华沸石矿采空区的稳定性进行了调查评估，并提出相应的防治措施。

1 矿区采空区概况

涉及的采空区矿体处于矿区的第四矿层(FXⅣ)，矿体近似层状分布，长约300 m。采矿区是一个向NW倾，倾角15°～30°的单斜构造，区内断裂发育，有NEE向压扭性断裂、NNE向压扭性断裂、NW向新裂。

采空区内部顶板连接矿柱的位置出现部分破碎，主要分布在整个采空区的东侧，采空区顶板基本水平，层状明显，顶板完整性较好，表面平整，产状200°∠20°，顶板处有明显的裂隙出现，其中有部分的裂缝较大，北侧接近公路，洞内最北侧已经有塌落，部分位置可以看到外面，有多处透光，北侧掉落的碎石块较多，堆积在一起。采空区上部共有三处地面塌陷采坑，最东侧因为保安矿柱毁坏已经发生坍塌，其中最大的塌陷坑长约80～110 m，宽30～40 m，面积约4 251 m2，塌陷深度最深处约14 m，采空区北侧临近公路，东侧有两个小的塌陷坑，北边的面积515 m2，南边的面积453 m2。塌陷坑、地裂缝主要有两条，走向约160°和90°，分布主要集中在东侧的岩体上，裂缝宽度10～100 cm，长短不一，有些裂缝延伸较长。根据采空区内部和上部情况，可以发现采空区存在大面积塌陷的安全隐患。

2 采空区三维激光扫描图分析

开展了现场实地调查与空区三维激光扫描。根据地面调查，采空区总投影面积20 518.10 m2，总体积34 961.82 m3。图1为空区三维模型图，可以得出最西侧采空区内空区高度最高10.42 m，最低处0.59 m，空区高度范围0.59～10.42 m。采空区高度呈阶梯状，从左到右大约3个阶梯，平均高差约2.4 m。采空区的走向大致由西向东，采空区地势西高东低，采空区入口从西向东约220 m长，南北宽40～105 m，采空区内部留有相似规模的柱体连接顶板支撑上部岩石。此外，采空区内留有37根保安矿柱，矿柱圆柱形，与顶板接触面积1 211.50 m2，矿柱与空区面积比例近似为1∶10，矿柱间距10.8～21.2 m。

图1 采空区高差最大处Fig.1 The maximum height difference of goaf

3 采空区稳定性评价

3.1 采空区剩余变形估算

根据实际调查，沸石矿东侧已经坍塌面积2 561.21 m2，剩余可进入区域的面积13 971.32 m2，共有3个采空塌陷坑，采空区南侧为入口，岩石出露且为悬空面，所以对南侧坍塌的影响范围就是其边界，对北侧的影响范围采用矿山开采影响边界计算方法计算。

采空区剩余空隙的塌陷预测，一般根据矿体产状、岩矿石物理机械性质以及选择的开采方式和采矿工艺，类比同类矿山的实际经验，并充分考虑矿区的地质条件确定。根据实际情况确定陷落角在70°左右，利用公式(1)可以计算出矿山开采后的影响边界。

r=H/tgβ

(1)

式中：r—采动影响半径，m；H—开采埋深，m；tgβ—主要影响正切角。通过计算可知采空区影响范围为28 578.81 m2。

3.2 稳定性影响因素分析

沸石矿为空场法房柱式采矿，空区内留有多个保安矿柱。本次研究的采空区形态较简单，只有一层空区，矿区围岩比较单一、质量较好、硬度大，对采空区稳定性比较有利，矿区内无断层，区内水量较少，不考虑对采空区稳定性造成的影响，现矿区已关闭，周围没有进行其他的工程，综上所述该沸石矿采空区稳定性的影响因素主要为采空区岩体质量、空区自身参数这两点。

3.3 采空区稳定性分析

3.3.1 基于摩尔-库伦准则的采空区稳定性理论分析

根据摩尔-库伦准则，平面剪切强度公式为：

τ=c+σntanφ

(2)

式中：τ—平面剪切强度，MPa；c—黏聚力，MPa；σn—垂直于平面的法向应力，MPa；φ—内摩擦角，(°)。

由应力转换方程可得：

(3)

(4)

综合公式(2)、(3)和(4)可以得出任意β角的平面上极限应力为：

(5)

因为sin2β=cosφ，cos2β=sinφ，上式可以简化为：

(6)

根据公式(6)可得，单轴抗压强度σc和单轴抗拉强度σt与c和φ的关系为：

(7)

(8)

由岩石力学参数计算柱体抗压强度σc=18.68 MPa；顶板抗拉强度σt=5.95 MPa。

3.3.2 采空区矿柱稳定性分析

结合矿柱宽高比、岩体强度经验公式和常规岩体强度方法(摩尔-库伦)，建立一种考虑矿柱摩擦系数和经验强度的计算方法，考虑矿柱强度的多种影响因素，主要包括现场岩体强度和矿柱形状。

强度公式的一般表达为：

Ps=(Kσc)×(C1+C2Ka)

(9)

式中：K—岩体强度系数；σc—完整矿柱单轴抗压强度，MPa；C1、C2—经验常数；Ka—矿柱摩擦系数。其中矿柱摩擦系数可以通过矿柱平均强度系数确定，通过画出各种直径的莫尔图求出有效摩擦系数，随着矿柱平均强度系数以及矿柱宽高比提高，莫尔圆斜率降低，摩擦系数减小，矿柱摩擦系数计算公式为：

(10)

根据不同岩体的破坏准则数值模拟，采用二维边界元模拟分析来确定矿柱宽高比和矿柱平均强度系数Cp的关系，用式(11)表示：

(11)

式中：Cp—矿柱平均强度系数；W—矿柱宽度，m；h—矿柱高度，m。

因此，可以推算出硬岩矿柱强度公式采用式(12)计算：

Ps=0.22σc(0.68+0.52Ka)

(12)

式中：Ps—矿柱强度，MPa。

矿柱的安全系数普遍采用式(13)计算：

(13)

式中：FS—安全系数；σ—作用在矿柱上的应力，MPa。

采空区面积13 971.32 m2，上覆岩体厚度按10 m计算，采空区内部共有37根柱体，空区内柱体面积约为1 211.5 m2，可计算出σ=2.59 MPa。采空区内柱宽度W取值8 m，高度h取值5 m，通过上述公式计算得出Ka=0.017；由柱体的抗压强度σc=18.68 MPa，可计算出Ps=2.83 MPa；最后计算得出矿柱的安全系数为1.093，处于安全边界。

3.3.3 采空区顶板稳定性分析

根据上述计算的采空区保安矿柱的稳定性处于临界稳定的状态，柱体支撑采空区顶板，采空区顶板的受力情况根据采空区的分布特征，考虑为两端简支梁，建立物理力学模型，根据材料力学的理论计算岩梁中性轴上任意点的应力：

σx=γsinα(2x-L)/2±3γx(x-L)cosα/h

(14)

式中：α—矿体倾角，(°)；L—岩梁跨度，m；h—岩梁高度，m；γ—岩体堆积密度，104N/m3。

该采空区矿柱分布较均匀，矿柱的间距即为跨度，顶板可以假设为简支梁，根据材料力学，可以分别求解一次到多次的静定梁问题来计算顶板稳定性。根据公式(14)可以计算得出最大拉应力及其发生的位置为：

(15)

x=L/2+htanα/6

(16)

根据上述公式可知在间距最大、高度最小处出现最大拉应力，采空区的东侧出现最大拉应力的位置。计算得：σmax=1.58 MPa，小于σt=5.95 MPa，所以采空区的顶板稳定。

4 采空区防治措施

由于该区域涉及面积大，采空区未经过充填及其他处理。为避免人员误入采空区发生危险及空区塌陷对地表行人造成的安全隐患。需要对采空区进行应急处理。

4.1 封堵、设立警示牌

采空区入口均在南侧，运用采空围栏的方式进行封堵，具体立柱和防护网的安装情况如图2所示，在入口外约1 m处进行防护网的布设，防护网采用预埋立柱连接，立柱采用1 500 mm长，70 mm×100 mm，表面利用高防锈PVC镀膜处理的桃型防锈铁柱。立柱的安装间距为2 m。根据现场的地质情况，地面为山体岩石，为了保证暗转防护网的稳定性、牢固性、安全性，应根据地形的高低起伏，以立柱为圆心200 mm为半径，用M7.5水泥砂浆砌筑毛石700 mm高，预埋立柱500 mm深。立柱安装完成后，安装1 m高、规格Φ5@50 mm×100 mm的浸塑护栏网，护栏网底部与基岩面不留缝隙。在山顶及上下的采空区影响范围内布设警示牌，预计用20个，东西长约260 m，使用防护网长300 m，立柱150根。

图2 立柱与防护网安装图(单位：mm)Fig.2 Installation drawing of column and protective net

4.2 采空区爆破处理

根据现场调查以及理论方法的计算，采空区东侧已经发生坍塌，地裂缝及地面塌陷存在多处，而且采空区的稳定性处于临界状态。因此，对采空区采取爆破方式进行处理，以确保不会对来往行人造成生命财产威胁。

采用水平布孔的方式，在采空区的保安矿柱布设，排间呈三角形布置。钻孔直径选择42 mm。采空区考虑柱体的间距和高差，对采空区的每根柱体放置炸药保证采空区完全爆破，单位炸药量根据现场实际情况和经验确定，消耗量取值0.5 kg/m3。最后使用岩粉进行填塞，设置防护警戒等安全措施，确保人员安全。

5 结论

1)通过三维激光扫描测量，采空区内可进入区域面积13 971.32 m2，剩余空隙体积29 966.82 m3，采空区内留有37根保安矿柱，矿柱圆柱形与顶板接触面积1 211.50 m2，矿柱与空区面积比例近似为1∶10，矿柱间距10.8～21.2 m；采空区内空区高度0.59～10.42 m，空区高度呈现由西向东逐渐降低的分布特征。

2)采空区的影响范围为28 578.81 m2，采空区岩体质量和空区自身参数是采空区稳定性的两个影响因素；根据摩尔-库伦准则，分析确定矿柱处于安全边界，顶板处于稳定状态。

3)为避免造成生命财产的损失，对采空区采取封堵、设立警示标志和爆破处理的防治措施。