盧宏建 甘德清

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

采空區(qū)［1-3］是采掘活動(dòng)中的典型地質(zhì)災(zāi)害源，可導(dǎo)致地表開裂、地面塌陷、滑坡、地下水位下降等多種災(zāi)害，是誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題的主要影響因素。

河北省是全國鐵礦主產(chǎn)區(qū)之一，經(jīng)過多年高強(qiáng)度的資源開發(fā)，形成了大面積的滯留采空區(qū)。隨著時(shí)間的推移，必將導(dǎo)致空區(qū)地壓活動(dòng)頻繁，發(fā)生連鎖反應(yīng)，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，影響社會(huì)和諧穩(wěn)定，后果嚴(yán)重。因此有必要對(duì)通過理論分析，就滯留采空區(qū)對(duì)地表建筑物穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量和定性分析，以便保護(hù)礦區(qū)及其附近居民生命財(cái)產(chǎn)和建筑物的安全。

對(duì)由于礦床采動(dòng)引起的地表塌陷與沉降的預(yù)測(cè)等相關(guān)問題，煤礦領(lǐng)域取得眾多研究成果，而金屬礦體由于其賦存條件和采礦方法比較復(fù)雜，煤礦的眾多規(guī)律和理論不能復(fù)制［4-6］。因此本研究將滯留采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法——三帶理論、巖石移動(dòng)帶理論、數(shù)值模擬理論三者有機(jī)結(jié)合，形成了鐵礦床滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型，并以河北某礦山為例，對(duì)其滯留空區(qū)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了定性、定量分析。

1 滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型

1.1 三帶理論分析方法

礦體開采后破壞了原有平衡的應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力要重新分配達(dá)到平衡，引起采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)依次形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。

(1)冒落帶［7］為采空區(qū)上方覆巖因破碎而冒落的區(qū)域，冒落帶高度h一般采用式(1)表示:

式中，m為采空區(qū)高度，k為覆巖松散系數(shù)。

(2)裂隙帶。位于冒落帶的上方，該區(qū)域巖層發(fā)生彎曲、離層，變形量大。

(3)彎曲帶。位于三帶最上方，下沉量小，巖層不發(fā)生破裂。

1.2 巖石移動(dòng)帶分析方法

此方法［8］是采用礦體上下盤圍巖的移動(dòng)角或陷落角確定其采動(dòng)后變形破壞的范圍，如圖1所示。

圖1 破壞與移動(dòng)范圍

1.3 數(shù)值模擬方法

此方法即在獲得礦巖體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行礦體采動(dòng)過程數(shù)值模擬分析，能定量地分析采空區(qū)對(duì)上覆巖層的影響程度［9-10］。

1.4 穩(wěn)定性綜合分析方法

通過三帶理論分析得出空區(qū)的冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的范圍，通過巖石移動(dòng)帶理論得出圍巖移動(dòng)范圍，將三帶理論和巖石移動(dòng)帶理論得出的結(jié)論植入有限元模型，使三者有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成準(zhǔn)確、仿真的采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析模型。

2 工程背景

以河北承德啟盈四采區(qū)為研究背景。啟盈四采區(qū)于2005開工建設(shè)，2006年建成投產(chǎn)，主要開采Fe23號(hào)礦體。礦山有2條開采礦體，截至2010年已開采346、323和303 m 3個(gè)中段，采礦方法屬空?qǐng)龇?，為巷道挑頂型采?chǎng)，運(yùn)輸巷道布置在脈內(nèi)，巷道即采場(chǎng)，采高10 m左右，頂柱高10 m左右，詳見圖2。

啟盈四采區(qū)2005年建設(shè)時(shí)地表情況簡單，周圍沒有任何建筑物以及鐵路、公路等設(shè)施，2007年在礦區(qū)南側(cè)約100 m處修建了京通鐵路，之后又陸續(xù)建設(shè)了鄉(xiāng)村公路、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、周臺(tái)子村文化活動(dòng)中心、周臺(tái)子賓館、周臺(tái)子小學(xué)等公共設(shè)施，其中周臺(tái)子村公園、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、周臺(tái)子村文化活動(dòng)中心、周臺(tái)子賓館、周臺(tái)子小學(xué)等建筑的布局詳見圖3。礦山經(jīng)多年開采，形成了一定面積的采空區(qū)，目前雖然沒有出現(xiàn)采空區(qū)垮落現(xiàn)象，但隨著采空區(qū)暴露時(shí)間的增加，地壓活動(dòng)也會(huì)逐漸增強(qiáng)，逐漸威脅各個(gè)井筒和地表建筑物的安全。因此有必要就現(xiàn)有采空區(qū)對(duì)地表建構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為礦山進(jìn)行滯留采空區(qū)的處理提供理論依據(jù)。

圖2 空區(qū)現(xiàn)狀

圖3 礦山地表周邊環(huán)境

3 穩(wěn)定性影響分析

3.1 三帶理論分析

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，采空區(qū)高度取10 m，圍巖松散系數(shù)取1.5，代入公式(1)計(jì)算冒落帶的高度在20 m。

裂隙帶的高度通常等于冒落帶高度為20 m，彎曲帶的高度一般為裂隙帶高度的5倍，即100 m。得出礦山采空區(qū)影響高度為140 m。

該礦山最上一水平采空區(qū)距離地面深度在100 m，因此礦山現(xiàn)有采空區(qū)會(huì)造成地面一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形破壞。

3.2 巖石移動(dòng)帶理論分析

根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)情況確定已有采空區(qū)的巖石移動(dòng)范圍。上盤按65°圈定，下盤按70°圈定，端部按75°確定，最終確定了采空區(qū)巖石移動(dòng)范圍，如圖4所示(圖中虛線范圍內(nèi))。

圖4 現(xiàn)有空區(qū)巖石移動(dòng)范圍

根據(jù)目前礦山現(xiàn)有空區(qū)圈定的巖石移動(dòng)帶范圍可以看出，文化活動(dòng)中心、礦山豎井和花園的一些設(shè)施均在范圍之內(nèi)，可見現(xiàn)有采空區(qū)會(huì)威脅到地面建構(gòu)筑物的安全。

3.3 綜合分析方法

3.3.1 計(jì)算模型

通過三帶理論計(jì)算出冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的高度，通過巖石移動(dòng)帶理論計(jì)算出圍巖移動(dòng)范圍，將2種方法得出的結(jié)論植入有限元模型。三維實(shí)體網(wǎng)格模型如圖5所示，采出礦體網(wǎng)格模型如圖6所示。模型長600 m，寬300 m，高210 m，共劃分148 679個(gè)單元。

3.3.2 模擬步驟

模擬步驟:首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力計(jì)算，其次為分步開挖形成地下采空區(qū)，計(jì)算時(shí)共分3步開挖形成現(xiàn)狀空區(qū)，然后再進(jìn)行時(shí)間效應(yīng)模擬。

3.3.3 計(jì)算參數(shù)

本次模擬計(jì)算根據(jù)地質(zhì)詳查報(bào)告選取力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)

3.3.4 模擬結(jié)果分析

(1)現(xiàn)狀空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果及分析。本次結(jié)果分析選取最直接的地表位移參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。

因?yàn)榈?水平頂板距地表有100多m距離，且空區(qū)面積較小，因此第1水平開挖后對(duì)地表影響很小，地表沉降值僅為0.007 mm;第2水平開挖后，隨著采空區(qū)范圍的增大，地表沉降量明顯最大值為0.27 mm;第3水平開挖后地表沉降量為0.26 mm。

(2)時(shí)間效應(yīng)模擬?，F(xiàn)狀空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果表明，目前采空區(qū)對(duì)地表建筑物影響不大，礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也證實(shí)了這一點(diǎn)。但是由于模擬均采用的是理想模型，空區(qū)周圍礦體及其圍巖的巖石力學(xué)性質(zhì)由于時(shí)間效應(yīng)會(huì)使其弱化，即隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)在地下水、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、井下采礦爆破等因素影響下圍巖強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，因此采空區(qū)的模擬必須考慮時(shí)間效應(yīng)。如果采用現(xiàn)實(shí)時(shí)間進(jìn)行模擬，硬件要求高，模擬時(shí)間相當(dāng)大，為此本研究通過弱化巖石移動(dòng)范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)模擬時(shí)間效應(yīng)對(duì)空區(qū)的影響。同樣選取地表位移沉降值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬結(jié)果見圖8。

圖8 考慮時(shí)間效應(yīng)的地表沉降位移云圖

巖體強(qiáng)度折減10%后地表沉降量最大值為1.5 mm。當(dāng)巖體強(qiáng)度折減40%后地表沉降量最大值為19 mm，已經(jīng)接近地下工程開挖引起地表建筑物沉降的警戒值(參考相關(guān)文獻(xiàn)，地下工程開挖地表建筑物沉降警戒值為20mm)，可見礦山現(xiàn)有采空區(qū)會(huì)對(duì)地表建筑物安全產(chǎn)生威脅，因此礦山應(yīng)及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

建立了將三帶理論、巖石移動(dòng)理論、有限元理論有機(jī)結(jié)合的滯留空區(qū)穩(wěn)定性分析模型，提出了復(fù)雜條件下滯留采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析方法，并以河北某礦山為例，對(duì)該礦山滯留空區(qū)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了定性、定量分析，取得了較滿意的評(píng)價(jià)效果。研究結(jié)果為礦山進(jìn)行滯留采空區(qū)處理的必要性提供了科學(xué)依據(jù)。

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