葉光祥，張樹(shù)標(biāo)，解聯(lián)庫(kù)，王柳

某鐵鋅多金屬礦復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

葉光祥1，張樹(shù)標(biāo)1，解聯(lián)庫(kù)2，王柳1

（1.贛州有色冶金研究所，江西贛州341000；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

某鐵鋅多金屬礦采用無(wú)底柱淺孔留礦法開(kāi)采，形成了大量采空區(qū)，給生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。為回收礦區(qū)殘礦及深部資源，需進(jìn)行現(xiàn)狀條件下復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性分析。研究通過(guò)安全系數(shù)法對(duì)采場(chǎng)礦柱進(jìn)行了力學(xué)穩(wěn)定性分析，并通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)采空區(qū)群進(jìn)行了整體穩(wěn)定性分析。結(jié)果顯示：現(xiàn)狀條件下，礦柱受壓，頂板受拉，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；地表移動(dòng)、變形較小，采空區(qū)穩(wěn)定性良好；分析結(jié)果與礦區(qū)現(xiàn)狀吻合。分析結(jié)果表明這兩種采空區(qū)群穩(wěn)定性分析方法在該礦區(qū)是可行的，同時(shí)可為礦區(qū)下一步安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

礦柱；采空區(qū)；安全系數(shù)法；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析

0　引言

在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)用房柱法、全面法及留礦法等空?qǐng)鲱?lèi)方法采礦，通常會(huì)形成大量的地下采空區(qū)。采空區(qū)易引發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫等災(zāi)害，往往造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是影響礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)安全的主要危險(xiǎn)源之一［1-2］。隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)有儲(chǔ)量不斷減少，復(fù)雜采空區(qū)條件下殘礦回收及深部礦床開(kāi)采迫在眉睫，采空區(qū)的穩(wěn)定性分析也越發(fā)顯得重要［3-5］。針對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的研究已有很長(zhǎng)一段時(shí)間，分析方法較多，總體而言可以概括為經(jīng)典唯象學(xué)、力學(xué)分析和數(shù)值模擬三大類(lèi)。本研究基于礦區(qū)采空區(qū)礦柱和頂板的詳細(xì)調(diào)查，巖體力學(xué)參數(shù)的收集，采用安全系數(shù)法對(duì)采空區(qū)關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)采空區(qū)群穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1　工程概況

某鐵鋅多金屬礦為急傾斜中厚礦體，采用無(wú)底柱淺孔留礦法開(kāi)采，三中段以上主礦體已開(kāi)采結(jié)束，遺留大量采空區(qū)和高品位礦柱。三個(gè)中段共形成采空區(qū)45個(gè)，暴露面積112～917 m2不等，總暴露面積17 818 m2，總體積472 632 m3；殘留礦柱大小不一，形態(tài)復(fù)雜。采空區(qū)上部為氧化帶及第三、四系地層，距離地表最近僅為56 m?，F(xiàn)階段依靠圍巖和礦柱維持采空區(qū)整體穩(wěn)定性，礦體縱投影圖見(jiàn)圖1，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

礦區(qū)下一步將進(jìn)行殘礦回收及深部礦床開(kāi)采工作，為保證礦區(qū)采礦工作安全順利進(jìn)行，須對(duì)現(xiàn)階段采空區(qū)穩(wěn)定性作出分析評(píng)價(jià)。為便于采空區(qū)穩(wěn)定性分析，根據(jù)礦區(qū)地表地形、建筑物分布、空區(qū)現(xiàn)狀、巖體穩(wěn)固性等開(kāi)采技術(shù)條件，將開(kāi)采區(qū)域分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，如圖2所示。

圖1　礦體縱投影圖Fig.1　Vertical projection of ore body

表1　巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1　Mechanics parameters for rock mass

圖2　開(kāi)采區(qū)域分區(qū)Fig.2　Division of mining district

2　采空區(qū)關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性分析

2.1采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

考慮采空區(qū)長(zhǎng)寬尺寸概念，采用長(zhǎng)寬比梁板法［6-8］進(jìn)行采空區(qū)頂板安全厚度計(jì)算，頂板安全厚度與頂板實(shí)際厚度的比值為頂板安全系數(shù)。

（1）當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)寬比大于2時(shí)，假定頂板為一塊嵌固梁板，其最小安全厚度如式（1）所示。

式中：Hn為頂板安全厚度，m；Ln為采場(chǎng)寬度，m；γ為采場(chǎng)頂板巖石容重，kN/m3；σ為采場(chǎng)頂板巖體的準(zhǔn)許拉應(yīng)力，kPa；P1為廢石等附加載荷對(duì)頂板的單位壓力，kPa；P為由爆破而產(chǎn)生的動(dòng)載荷，kPa。

式中：H為階段高度，m；Kc為爆堆沉降系數(shù)，取0.1；Kn為爆破孔超鉆系數(shù)，取1.1；Kp為爆破后巖石松散系數(shù)，取1.3；Kg為載重沖擊系數(shù)，取2.0。

（2）當(dāng)采空區(qū)長(zhǎng)寬比小于2時(shí)，將頂板視為整體板結(jié)構(gòu)，平板為邊簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，受上覆巖層和廢石自重產(chǎn)生的均布荷載作用，利用四邊簡(jiǎn)支的彎矩系數(shù)來(lái)確定短跨方向的最大彎矩Mmax，其計(jì)算公式如式（3）。

式中：Mmax為最大彎矩，N·m；Km為彎矩系數(shù)；q為作用在雙向板上的均布荷載，kPa；lx為頂板的短邊跨度，m。

由于巖石抗拉強(qiáng)度最低，利用材料力學(xué)方法確定頂板的最小安全厚度，計(jì)算公式如式（4）所示。

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采空區(qū)頂板厚度評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2　采空區(qū)頂板厚度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2　Evaluation result for goaf roofing

2.2空區(qū)間柱穩(wěn)定性分析

2.2.1礦柱應(yīng)力

單個(gè)礦柱所受的應(yīng)力（σp）通常與礦柱的形狀及礦柱的整體布置情況有關(guān)，對(duì)于不規(guī)則形狀的礦柱或礦柱非均勻布置，礦柱所受應(yīng)力［9］計(jì)算公式如式（5）、式（6）。

式中：R為開(kāi)采比率，AM為空?qǐng)雒娣e，m2；AT為開(kāi)采區(qū)域總面積，m2；AP為礦柱面積，m2；σz為不同深度巖體垂直應(yīng)力，MPa。

2.2.2礦柱強(qiáng)度

在眾多關(guān)于礦柱強(qiáng)度的研究中，礦柱的尺寸和形狀被認(rèn)為是影響礦柱強(qiáng)度的主要因素。礦柱強(qiáng)度尺寸效應(yīng)認(rèn)為，隨著巖體體積的增大，其強(qiáng)度減?。粠r體強(qiáng)度形狀效應(yīng)認(rèn)為，巖體強(qiáng)度隨著巖體高徑比的增加而降低。

南非學(xué)者綜合考慮巖體尺寸和巖體形狀對(duì)巖體強(qiáng)度的影響［9］，得出巖體強(qiáng)度估算公式如式（7）。

式中：σ1為巖石強(qiáng)度，MPa；W為礦柱寬度，m；H為礦柱高度，m；V為礦柱體積，m3；α，β為考慮礦柱強(qiáng)度形狀效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的常量，α，β分別取0.4和-0.03。

根據(jù)礦區(qū)采空區(qū)與礦柱的調(diào)查，礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)的收集，最終取值結(jié)果、礦柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3。

表3　礦柱安全性評(píng)價(jià)Tab.3　Safety evaluation for pillars

2.3空區(qū)關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性分析

通過(guò)表2可以看出，六個(gè)開(kāi)采分區(qū)中，只有三中段Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)頂板安全系數(shù)較小，其余四個(gè)分區(qū)安全系數(shù)均在1.9以上。在三中段Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，由于該處礦體厚大，部分空區(qū)面積較大，外加頂板厚度較小，故計(jì)算所得頂板安全系數(shù)較小，有空區(qū)頂板破斷失穩(wěn)、冒透地表的危險(xiǎn)。因此，在殘礦回收及深部礦床開(kāi)采過(guò)程中，必須對(duì)空區(qū)面積進(jìn)行嚴(yán)格控制，并及時(shí)充填采場(chǎng)，以保證覆巖厚度下采場(chǎng)穩(wěn)定性，不致誘發(fā)地表次生災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生。

通過(guò)表3可以看出，該鐵鋅多金屬礦礦柱安全系數(shù)基本處于1.66～3.75，三中段Ⅲ-6最小為1.45，一中段Ⅲ-3最大為4.36，礦柱具有足夠的安全系數(shù)，可以認(rèn)為各礦柱是安全的。

3　采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1三維力學(xué)模型設(shè)計(jì)

研究采用有限分差程序FLAC3D對(duì)礦區(qū)采空區(qū)群穩(wěn)定性進(jìn)行分析［10-13］，礦區(qū)三維力學(xué)模型包括不規(guī)則地表、第四系、第三系、礦體和圍巖，x方向?yàn)榈V體走向方向，y方向?yàn)閮A斜方向，z方向?yàn)楦叨确较?。模型xy面為1.5～2.0倍礦體移動(dòng)范圍，垂直方向上至地表，下至620 m水平，最終形成模型邊界尺寸：長(zhǎng)850 m、寬450 m、高平均310 m，高度方向底面設(shè)為0 m水平，頂面隨地表起伏高度不等，最高329 m，最低291 m，整個(gè)模型劃分單元23.1萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)25.1萬(wàn)，最終模型示意圖見(jiàn)圖3。模型底部施加豎直方向位移約束，四周邊界施加水平方向位移約束，頂部為自由表面；初始地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮；根據(jù)巖體變形情況及其材料特性，巖體本構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

圖3　計(jì)算模型示意圖Fig.3　Schematic of computational model

在模擬礦區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)后，進(jìn)行礦房開(kāi)挖模擬。根據(jù)礦區(qū)開(kāi)采歷史，各礦房逐次開(kāi)挖，形成現(xiàn)有采空區(qū)。以剖面應(yīng)力、位移分布及地表下沉等數(shù)據(jù)進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，剖面線與監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置如圖4。

圖4　剖面線與監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.4　Layout chart of section line and monitoring point

3.2計(jì)算結(jié)果分析

在FLAC3D中，壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值。最大和最小主應(yīng)力可以用來(lái)分析模擬開(kāi)挖造成的應(yīng)力集中和應(yīng)力松弛程度。地下開(kāi)采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，這導(dǎo)致巖體有一個(gè)應(yīng)力重分布的過(guò)程，最后達(dá)到新的平衡。

3.2.1巖體應(yīng)力分析

（1）各剖面最大主應(yīng)力云圖，如圖5所示。礦房回采后，頂?shù)装鍓簯?yīng)力減小，礦柱壓應(yīng)力增大，礦柱和圍巖對(duì)上覆巖層起主要支撐作。礦柱出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖中Ⅲ-6和Ⅲ-8，最大壓應(yīng)力7.6MPa，小于巖體抗壓強(qiáng)度。

（2）各剖面最小主應(yīng)力云圖，如圖6所示。礦房回采后，頂?shù)装謇瓚?yīng)力增大，礦柱及圍巖受壓，三中段Ⅱ、Ⅲ區(qū)局部礦房頂?shù)装謇瓚?yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖中c302、c306、c310、c302-1、c308-1。最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，小于巖體抗拉強(qiáng)度。

圖5　各剖面最大主應(yīng)力云圖Fig.5　Contourofmaximumprincipalstressoneachcross-section

圖6　各剖面最小主應(yīng)力云圖Fig.6　Contourofminimumprincipalstressoneachcross-section

3.2.2巖體變形特征

從模擬結(jié)果（圖7）可明顯看出，礦房回采后，各頂板均出現(xiàn)微量下沉，三中段底板發(fā)生底鼓，最大下沉量及底鼓量出現(xiàn)在Ⅲ分區(qū)，最大下沉1.92 mm，最大底鼓4.01 mm；對(duì)比圖6、圖7，發(fā)現(xiàn)變形較大區(qū)域均為最小主應(yīng)力較大區(qū)域，變形量的大小主要受應(yīng)力的影響；從圖8地表下沉等值線云圖與空區(qū)對(duì)應(yīng)位置關(guān)系圖可知，隨著礦體的開(kāi)采，地表形成兩個(gè)下沉盆地，分別對(duì)應(yīng)于開(kāi)采分區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。開(kāi)采分區(qū)Ⅲ區(qū)由于其開(kāi)采面積和開(kāi)采厚度較大，其地表下沉較Ⅱ分區(qū)大，最大沉降值為0.79 mm。

圖7　各剖面豎直方向位移云圖Fig.7　Contour of z-displacement on each cross-section

圖8　地表下沉等值線云圖與空區(qū)位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8　Correspondence diagram between surface subsidence contour and goaf position

圖9為地表1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向位移時(shí)步曲線圖。受開(kāi)采區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間直線距離的影響，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本不受Ⅲ分區(qū)礦體開(kāi)采的影響，僅在開(kāi)采三中段Ⅱ分區(qū)礦體時(shí)出現(xiàn)下沉；同樣的，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)也基本不受Ⅱ分區(qū)礦體開(kāi)采的影響，僅在開(kāi)采Ⅲ分區(qū)礦體時(shí)出現(xiàn)下沉，且開(kāi)采區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離越近或開(kāi)采區(qū)域礦房面積越大，其下沉速度越快，下沉量越大。

圖9　地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)步圖Fig.9　Timing diagram for surface monitoring points

4　結(jié)論

礦區(qū)下一步將進(jìn)行殘礦回收及深部礦床開(kāi)采工作，研究通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)階段采空區(qū)穩(wěn)定性作出了評(píng)價(jià)，主要得到以下結(jié)論：

（1）采空區(qū)關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性分析及采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果均表明，現(xiàn)狀條件下，礦柱受壓，頂板受拉，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，礦柱和圍巖成為上覆巖層荷載支撐主體；采空區(qū)整體穩(wěn)定，僅三中段Ⅱ、Ⅲ區(qū)頂板安全系數(shù)較小，Ⅲ區(qū)個(gè)別礦柱壓應(yīng)力較大，安全系數(shù)較小。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果還顯示，形成現(xiàn)有空區(qū)后，地表形成兩個(gè)下沉盆地，分別對(duì)應(yīng)于開(kāi)采分區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，地表最大下沉為0.79 mm，地表移動(dòng)和變形較小，礦區(qū)現(xiàn)狀條件下采空區(qū)穩(wěn)定性良好。

（3）分析結(jié)果與礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性現(xiàn)狀吻合，說(shuō)明基于空區(qū)關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性分析及采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬的空區(qū)群穩(wěn)定性分析方法在該礦區(qū)是可行的，可在下一步生產(chǎn)中持續(xù)應(yīng)用，分析結(jié)果也為礦區(qū)下一步安全生產(chǎn)提供科學(xué)決策依據(jù)。

（4）對(duì)于深部采空區(qū)穩(wěn)定性的研究，由于采空區(qū)穩(wěn)定性受多方面因素影響，除巖體強(qiáng)度外，我們還應(yīng)考慮應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及溫度等多場(chǎng)耦合作用力學(xué)分析，建立一套行之有效的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面掌握深部開(kāi)采采空區(qū)穩(wěn)定性特征。

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Stability Analysis of Complicated Multilayer Goafs in an Iron-Zinc Polymetallic Deposit

YE Guangxiang1，ZHANG Shubiao1，XIE Lianku2，WANG Liu1
（1.Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Beijing General Research Institure of Mining&Metallurgy，Beijing 100160，China）

The mined-out area originated from the application of non-pillar shallow hole shrinkage method in an Iron-Zinc Polymetallic Deposit left large amount of goafs，which results in serious security potential problems. Stability analysis of complicated multilayer goafs was conducted for the recovery of remnant ore and deep resources in the mine.A method based on safety factor method was used to analyze the mechanical stability of stope pillar by analyzing the global stability of complicated multilayer goafs on the basis of numerical simulation.The results showed that stress concentration was quite significant for both pillar compression and roof tension.In addition，the ground movement and deformation were rather slight，which showed that the mined-out area was stable.The results were consistent with the status quo of the mining area.

pillar；goaf；safety factor method；numerical simulation；stability analysis

TD326；TD853.33+1

A

10.3969/j.issn.1009-0622.2016.05.005

2016-06-20

葉光祥（1989-），男，江西贛州人，碩士，主要從事礦山開(kāi)采及地壓控制研究工作。

張樹(shù)標(biāo)（1964-），男，江西進(jìn)賢人，高級(jí)工程師，主要從事金屬礦山開(kāi)采技術(shù)研究工作。