基于CMS实测的采空区稳定性分析

2012-11-17陆刚

采矿技术 2012年1期

关键词：空区采空区岩体

陆刚

（广西金河矿业股份有限公司拉么锌矿，广西河池市 547000）

基于CMS实测的采空区稳定性分析

陆刚

（广西金河矿业股份有限公司拉么锌矿，广西河池市 547000）

为研究西部某矿山井下采空区围岩稳定性，结合现场CMS空区探测数据及FLAC软件，建立了空区赋存地质模型，分析了采空区围岩稳定性，并结合岩体破坏判据判定了空区的稳定性状况。结果表明，空区的结构尺寸对空区稳定性影响较大，1号空区因顶板平整，最大沉陷位移及最大拉应力均最大；3号空区虽空区体积及暴露面积均大于1号空区，但因顶板成拱形而使得其整体稳定性比1号空区好。

采空区；稳定性分析；数值模拟；CMS

我国西部某矿山以铜矿体为主，采矿方法主要用浅孔留矿法，部分采用中深孔落矿，回采后未对空区进行处理，部分采场空区已与地表塌陷贯通。随着采动裂隙的扩展，地表塌陷坑范围继续发展扩大，严重时会造成井下透水事故，甚至造成地表河流的塌陷和断流，严重影响矿山的安全生产。本文基于CMS三维空区探测数据及地表地层数据，运用3DMINE矿业工程软件及FLAC3D相结合的方式对空区形成过程及稳定性进行模拟计算分析，为矿山空区治理方案设计提供理论依据。

1 数值模拟计算

1.1 模型建立

数值模拟试验中，计算模型的精确与否在一定程度上决定了模拟结果的可靠性程度。建立精确数值模型的首要前提是获取空区、地层以及地表等地质单元的数据信息。为此，利用CMS空区探测仪器精确获取空区的三维空间位置及空区形态，再将数据导入3DMINE软件中建立地表、地层及空区的三维模型，具体的矿山三维空间模型及数值计算模型见图1，图2。

数值计算模型总体尺寸为300m×150m×150 m，由于空区埋深较浅，一中段距地表仅有50m，因此模型上边界取至地表，四周及下边界按开采的影响范围确定。网格划分时，为使模拟结果更加准确，将采空区及周边围岩附近尺寸划分得较小，外围网格尺寸较大。采用位移约束的边界条件约束模型边界，上边界为自由边界，下边界及四周边界为全约束，模拟主要载荷为岩体自重应力。

矿体、围岩的计算力学参数见表1。

图1 矿山空区及地表模型

图2 计算区域的地质网格模型

表1 矿岩和围岩主要物理力学参数

1.2 破坏判据

目前在采矿与岩土工程领域中，岩体破坏判据主要有岩石强度理论及容许极限位移量判据等［1－2］。岩石强度理论常用的有Mohr－Coulomb、Hoek－Brown以及Drucker－Prager破坏准则；容许极限位移量判据是指在采空区不产生有害松动及地表不出现有危害的开采沉陷的条件下，采空区顶板及底板的最大容许下沉量或底鼓量，一般认为：2cm以下的位移对岩体稳定基本不构成影响；2～5cm量级的位移，岩体可以保持稳定性；5～10cm量级的位移，岩体存在潜在稳定问题；＞10cm属于大变形／位移问题，岩体存在破坏现象，大规模破坏也可能产生。本文通过数值模拟计算采场在开挖后空区周边围岩的应力、位移状况及塑性区分布，综合以上2种判据对空区稳定性作出评价。

2 空区稳定性计算结果及分析

数值计算的结果分析，可针对空区的关键区域，选取最危险截面（一般为采空区的长轴方向和短轴方向）切割剖面，分析空区周边围岩移动和应力场分布特性［3］。空区稳定性的影响因素包括空区的暴露面积、体积、埋深、相邻空区间距等，因此选取一中段的3个采空区来分析空间位置及空区结构尺寸对稳定性的影响。经现场调查及建模计算，1号空区体积4723m3，顶板暴露面积848m2；2号空区体积3354m3，顶板暴露面积728m2；3号空区体积8006 m3，顶板暴露面积960m2。

2.1 位移分析

图3显示1～3号采场在矿体开挖后周边围岩的位移分布情况。空区顶板的最大沉陷位移随空区形态、暴露面积的不同而不同。1号空区顶板很平整，成拱作用很弱，不能抑制顶板的沉降，其顶板最大沉陷位移为10.55cm；2号空区有一定的倾斜，空区顶板最大位移出现在具有一定坡度的较低高度顶板上，最大沉陷位移为6.56cm；3号空区暴露面积大，但空区顶板成拱形，能较好地发挥围岩的自承载能力，致使其虽然空区体积和暴露面积均大于1号空区，但顶板的最大沉陷位移比1号空区小，为7.33 cm。而底板围岩在矿体开挖后，从三维应力状态变成二维应力状态，加之受水平方向的压缩，导致底板向上隆起，出现向上的位移，其最大值分别为2.24，2.99，4.15cm。

图3 空区沉陷位移示意

2.2 应力分析

经计算1～3号空区潜在危险截面的最小主应力值和最大主应力值见图4，图5。

图4 空区最小主应力

由图4可知，在矿体开挖以后，由于空区未进行处理，采空区周边围岩的受力状态由三维受力转化为二维受力，使得顶板岩层承载的部分应力转移到两帮围岩中形成压力增大区域，在两帮围岩中出现压应力集中现象［4］。但由于3个空区的埋深均较小，其两帮围岩中的最大压应力值分别为6.92，8.29，10.75MPa，远小于岩体的抗压强度，但在井下爆破震动等因素的强烈扰动下，仍有可能发生破坏造成围岩跨落［5］。

图5 空区最大主应力

图5显示，矿体开挖后顶板直接悬空，顶板岩层的部分自重应力转移到两帮围岩中，空区顶板出现减压区，发生类似弹性恢复的膨胀变形［8］，使得顶板中易出现拉应力区域。1号空区顶板由于很平整，没能很好发挥围岩的自承载作用，顶板出现拉应力区域，拉应力最大值出现在顶板中心位置，为0.25 MPa；2号空区由于呈倾斜状，其最大拉应力出现在位置较高的顶板，为0.12MPa；3号空区由于顶板成拱作用强，顶板的自重应力转移较小，很好地发挥了顶板围岩的自支撑作用，在顶板中未出现拉应力区［4］。虽然空区所受拉应力最大值均小于岩体的抗拉强度，但在出现拉应力的区域，随采掘车辆的运输、设备的加载作用以及爆破震动等因素的影响，容易发生顶板岩层离层，甚至坍塌［2］。

2.3 空区稳定性判定

基于以上分析，并结合岩石破坏判据，1～3号空区最大压应力及最大拉应力值均在岩体的可承受范围内；根据容许极限位移量判据，1号空区顶板最大位移＞10cm，属于大变形问题，岩体存在破坏现象，大规模破坏也可能产生；2、3号空区顶板最大沉陷值在5～10cm范围内，岩体存在潜在稳定问题。因此，需立即采取措施处理1号空区，2、3号空区则应加强监控，并在发生险情的第一时间对其进行加固处理。