張秉皓，郭忠林

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，處于整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)鏈頂端的礦產(chǎn)資源開采也在大力發(fā)展，與之而來的“三下”(礦山工程在河流、鐵路和建筑下)問題，即在河流、鐵路和建筑下的問題也越來越明顯。云南省蒙自縣某錳礦山在開采過程中，就面臨所形成的采空區(qū)位于地表建筑物下的問題。為保證礦山正常開采和周圍村民生命財(cái)產(chǎn)安全，通過“三帶理論”(采空區(qū)覆圍巖破壞和移動(dòng)出現(xiàn)自下而上分別為冒落帶、斷裂帶、整體移動(dòng)帶3個(gè)明顯部分)及數(shù)值模擬方法，研究該礦山繼續(xù)地下開采對(duì)地表建筑的安全穩(wěn)定性影響，得出結(jié)論，供礦山生產(chǎn)參考。

1 空區(qū)影響分析

1.1 礦山概況

云南省蒙自縣某錳礦山礦體為層狀、似層狀錳礦。礦層較復(fù)雜，由多個(gè)不同巖性巖層構(gòu)成。礦體厚度約 2.5 m 左右，傾角在 31(°)～44(°)之間。各地層巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示[1]。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

1.2 “三帶理論”評(píng)價(jià)分析

采空區(qū)形成之后，采空區(qū)上覆圍巖破壞和移動(dòng)出現(xiàn)自下而上分別為冒落帶、斷裂帶、整體移動(dòng)帶3個(gè)明顯的部分[2]。

1)冒落帶：采空區(qū)上覆圍巖在自重應(yīng)力下，其上覆圍巖自身的抗拉強(qiáng)度小于上覆圍巖所施加的拉應(yīng)力時(shí)，發(fā)生彎曲，變形直至斷裂破壞，最后破碎甚至垮塌，堆積于采空區(qū)之中。

2)斷裂帶：采空區(qū)上覆圍巖產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍然保持著各個(gè)巖層之間的相互關(guān)系。

3)整體移動(dòng)帶：即彎曲帶，其內(nèi)巖層在自重應(yīng)力作用下，在法向方向發(fā)生彎曲，在水平方向上受雙向壓縮應(yīng)力。整體壓實(shí)，且整體性較好且?guī)r層不會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，保持層狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)彎曲帶將延伸到地表。

采空區(qū)形成之后，采空區(qū)上的直接頂板會(huì)很快冒落，當(dāng)采空區(qū)上的上覆圍巖自身堅(jiān)固性較差時(shí)，自然會(huì)波及到上部的老頂板。冒落帶的高度取決于礦體的厚度，寬度，傾角，采空區(qū)的高度，相關(guān)的巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及所處的環(huán)境等。

采空區(qū)形成后，頂板巖體發(fā)生破碎，接著在地壓和自重應(yīng)力條件下開始冒落，破碎斷裂巖石逐漸填滿采空區(qū)，隨著時(shí)間推移，這些掉落巖石會(huì)壓實(shí)，在上部空間形成新的空區(qū)，巖體繼續(xù)冒落和斷裂，直到整個(gè)空間被壓實(shí)，不再發(fā)生冒落和斷裂。碎脹巖體體積不能恢復(fù)到原巖體積后，這時(shí)冒落的巖體體積與原巖體積之比，叫做巖石的殘余碎脹系數(shù)。

壓實(shí)后的殘余碎脹系數(shù)，一般軟巖為1.02；中硬巖石為1.025；一般硬巖為1.03。巖石越硬，碎脹系數(shù)越大。

采空區(qū)及上覆圍巖所在地層為中三疊統(tǒng)法郎組(T2f)淺灰～深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬、連續(xù)性較好，為中厚層或塊狀結(jié)構(gòu)。綜合考慮，本研究區(qū)域圍巖殘余碎脹系數(shù)取1.03。

前面已述，采空區(qū)頂板巖層冒落與斷裂高度與采空區(qū)的高度、傾角及圍巖物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。采空區(qū)高度變化如表2所示。

表2 勘探線剖面上采空區(qū)高度

由于采空區(qū)的圍巖比較堅(jiān)硬，故選用冒落帶的計(jì)算公式為：

式中H——頂板巖層冒裂高度(m)；

m——采出礦層厚度(采空區(qū)高度)(m)；

k——巖石殘余碎脹系數(shù)；

α——礦層傾角(采空區(qū)傾角)(°)。

在選取礦體松散系數(shù)時(shí)，考慮的是壓實(shí)后殘余碎脹系數(shù)，所以計(jì)算出來的頂板巖層崩落高度與斷裂高度之和，而沒有單獨(dú)計(jì)算冒落高度和斷裂高度。

計(jì)算參數(shù)的選?。簃按表2中的采空區(qū)高度；殘余壓實(shí)系數(shù) k 取 1.03；α=5(°)～9(°)，具體大小從剖面圖量取，將上述參數(shù)值帶入公式，可得到各剖面上巖石冒裂帶高度為表2。

通過“三帶理論”的運(yùn)用，計(jì)算得出采空區(qū)的冒裂帶為圖1的曲線所示，可以看出礦山對(duì)地表建筑物不會(huì)產(chǎn)生破壞的影響。

圖1 勘探線剖面冒落帶曲線

1.3 采空區(qū)影響的數(shù)值模擬分析

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是在巖土工程方面的相關(guān)軟件的研究開發(fā)，為解決在工程實(shí)例中的巖土問題提供了方面實(shí)際的計(jì)算工具。采用ANSYS數(shù)值模擬分析軟件，模擬采空區(qū)對(duì)上覆巖層移動(dòng)產(chǎn)生的變形破壞對(duì)地表建筑的安全穩(wěn)定性分析。

ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊(Preprocessing)，求解模塊(Solution)和后處理模塊(Postprocessing)[3]。

前處理模塊的主要功能是對(duì)實(shí)體進(jìn)行建模并且進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。求解模塊對(duì)已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格模型進(jìn)行加載和求解。通用后處理器POST1和時(shí)間歷程處理器POST2是后處理模塊的兩個(gè)處理器。POST1的功能是檢查模型在某一載荷和子步的結(jié)果；POST2的功能是檢查模型的在指定點(diǎn)的特定結(jié)果相對(duì)于時(shí)間、頻率或者其他結(jié)果項(xiàng)的變化。ANSYS分析計(jì)算的基本流程如圖2。

圖2 ANSYS分析計(jì)算的基本流程

本次模擬將忽略巖體的構(gòu)造應(yīng)力，只考慮巖體的自重應(yīng)力，在計(jì)算分析前，首先模擬分析巖體的自重應(yīng)力場，然后加入各個(gè)巖性不同巖體的參數(shù)。此方法還應(yīng)考慮在自重應(yīng)力場的條件下的初始位移，所以在以后的模擬過程中，所得到位移量包含了初始位移，而實(shí)際工程中初始位移是不存在的，對(duì)空區(qū)的模擬不產(chǎn)生影響，所以，最終的結(jié)果都有折減掉巖體的初始位移。

通過以上方法模擬分析，得出模型在原巖應(yīng)力條件下及開采之后的位移云圖和應(yīng)力云圖。為了更加直觀的分析所得出的應(yīng)力、位移云圖數(shù)據(jù)中的應(yīng)力位移情況，以剖面中的建筑物位置為中心，繪制半徑為50 m，半徑差為50 m的同心圓。再以地表的一邊為軸，每旋轉(zhuǎn)30(°)與同心圓周的交點(diǎn)中，選取適當(dāng)?shù)?3個(gè)控制點(diǎn)(如圖1所示)，列出如表3的各個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力、位移圖。

表3 模型1上控制點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)

從表3可以得出：

1)以建筑物地表的沉降判斷采動(dòng)安全穩(wěn)定性。根據(jù)上面所采集控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)引起的地表建筑物附近地表沉降最大值為15.848 mm，小于民用建筑物的地表允許值，可以判斷地表建筑物是安全穩(wěn)定的。

2)以地表建筑物的垂直應(yīng)力判斷采動(dòng)的安全穩(wěn)定性。在整個(gè)模型的全部控制點(diǎn)所取得的應(yīng)力，體現(xiàn)為壓應(yīng)力，且低于所給相應(yīng)的圍巖巖層的抗拉壓強(qiáng)度，從而可以斷定開采對(duì)建筑物的影響是可以忽略的，地表建筑物是安全穩(wěn)定的。

2 結(jié)論

通過對(duì)某錳礦山采空區(qū)對(duì)其上村莊建筑物的安全穩(wěn)定性分析研究，可以得出在工程實(shí)例中面對(duì)開采的“三下”問題，提出相應(yīng)的思路與方法。

1)“三帶理論”可以定性的判斷分析出采空區(qū)在地層中所能達(dá)到的影響范圍。

2)通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算出的結(jié)果，與定性方法相結(jié)合，可以有效的分析出采空區(qū)對(duì)地表建筑物的安全穩(wěn)定性影響。

綜上所述，在相關(guān)的對(duì)采空區(qū)對(duì)地表建筑物影響的研究，理論與試驗(yàn)相結(jié)合，可以達(dá)到很好的預(yù)期效果。

[1]岳順.隧道圍巖穩(wěn)定性研究與時(shí)間序列建模分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[2]何國清，楊倫.礦山開采沉陷學(xué)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[3]張玉卓.巖層與地表移動(dòng)計(jì)算原理及程序[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[4]劉紅元.采動(dòng)影響下覆巖破壞過程的虛擬研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2000.

[5]付士根.采空區(qū)對(duì)地表建筑物的影響評(píng)價(jià)方法研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(17)：144-145.