楊 勇， 張敏思*， 張 飛， 胡高建

(1.東華理工大學江西省防震減災與工程地質(zhì)災害探測工程研究中心， 南昌 330013； 2.東華理工大學土木與建筑工程學院， 南昌 330013； 3.石家莊鐵道學院土木工程學院， 石家莊 050043； 4.紹興文理學院土木工程學院， 紹興 312000)

采空區(qū)是礦山安全生產(chǎn)的主要災害源之一，其穩(wěn)定與否直接影響著生產(chǎn)進度及人員和設備的安全[1]?？諈^(qū)群的隱伏性很強，在空間分布上毫無規(guī)律，頂板冒落坍塌也無法預測，不僅容易引起采場失穩(wěn)、山體崩塌、地表塌陷、邊坡滑塌，造成重大人員傷亡，而且極易形成礦山泥石流，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，嚴重影響礦山的安全生產(chǎn)，給國民經(jīng)濟建設造成嚴重的損失[2-3]。因此成為困擾研究人員進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析及安全防治的關鍵技術難題。

近年來，中外學者針對采空區(qū)穩(wěn)定性做了大量的研究，并取得了一定的成果。李忠等[4]考慮了多種因素的影響，建立了采空區(qū)多源信息融合模型，在此基礎上進行了穩(wěn)定性分析。趙延林等[5]引入突變理論完成了采空區(qū)穩(wěn)定性分析。沈慧明等[6]利用有限元方法模擬了不同回采順序?qū)Σ煽諈^(qū)穩(wěn)定性的影響，從而給出最優(yōu)的開采方案[6]。Jaiswal等[7]基于邊界元法，分析了地下煤礦開采過程中不同混合開采方案對空區(qū)穩(wěn)定性的影響[7]。李長洪等[8]利用3DEC軟件模擬分析了采空區(qū)的穩(wěn)定性，并驗證了3DEC系統(tǒng)在開采沉陷預測中的適用性[8]。張飛等[9]采用有限差分法分析了礦柱回采對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響。盧欣奇等[10]針對多個淺埋采空區(qū)實際工程提出了兩種充填方案，并對其進行數(shù)值模擬分析，得到了最優(yōu)治理方案。李巖等[11]利用有限元軟件分析了爆破振動對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，并給出了震源與采空區(qū)的最小安全距離。張訪問等[12]建立了空區(qū)群數(shù)值模型，考慮了不同采空區(qū)間的相互影響，通過穩(wěn)定性分析結(jié)果對采空區(qū)進行了危險性等級劃分。張弛等[13]通過建立某礦山主生產(chǎn)中段的采空區(qū)數(shù)值計算模型，分析不同回采階段的應力與位移分布云圖，得出二步采場回采對一步采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)的影響。

然而，由于結(jié)構(gòu)面的影響，工程巖體具有復雜的非線性力學特性。從宏觀角度講，采空區(qū)失穩(wěn)是整個巖石工程系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞過程，是一個復雜的巖體系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。從微觀角度講，它是巖石體內(nèi)裂紋的發(fā)生與擴展[14-15]。經(jīng)驗公式是根據(jù)大量工程實際和簡化受力模型得出，無法考慮復雜地質(zhì)環(huán)境及開采條件等因素，在復雜采空區(qū)工程中其分析結(jié)果可能存在較大誤差。數(shù)值模擬在內(nèi)力及位移求解上具有絕對優(yōu)勢，可以考慮復雜地質(zhì)環(huán)境及開采條件，但巖體初始應力和物理力學參數(shù)的取值是影響數(shù)值模擬結(jié)果準確性的瓶頸。基于此，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，首先借助于數(shù)值模擬方法，考慮巖體的復雜結(jié)構(gòu)和開采擾動因素，對空區(qū)穩(wěn)定性進行科學的評價；然后利用K.B.魯別涅依他公式[16]從采場臨界跨度值的角度對空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性情況進行分析評價，通過兩種不同方法的對比，探討不同方法應用的局限性和適用條件；最后，與現(xiàn)場實際情況對比分析，為礦柱回采設計和礦山的安全生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)。

1 K.B.魯別涅依他公式

巖體中含有各種各樣的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理裂隙、斷層、破碎帶及軟弱夾層等。巖體受力后發(fā)生變形，內(nèi)部微裂隙逐漸擴展、貫通直至斷裂。在理論研究中，通常無法完全考慮各種影響因素，人們一般將復雜的問題抽象成各種簡單的問題進行分析。在采礦工程中，采空區(qū)頂板的力學計算模型往往被簡化成板或者梁模型計算，并且考慮了主要的影響因素，其計算公式為

(1)

式(1)中：H為安全頂板厚度，m；K為安全系數(shù)；ρ為頂板巖石密度，t/m3；b為采空區(qū)跨度，m；σB為頂板彎曲抗拉強度，MPa，σB=σn3/(k3k0)，其中σn3=(7%～10%)σc，k0=2～3，k3=7～10，σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；g為設備的作業(yè)荷載，MPa，g=G/2br，其中G為電鏟或其他大型設備的質(zhì)量，t;br為電鏟的履帶寬度，m。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況及空區(qū)現(xiàn)狀

紅嶺多金屬礦為已有生產(chǎn)礦山，礦區(qū)原始地表地形圖見圖1。礦區(qū)內(nèi)主要為巖漿巖，礦區(qū)全長5 700 m，地面標高1 020～1 150 m。礦區(qū)的主構(gòu)造走向為北東向，與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造一致，礦體總長約730 m，平均厚度為1～20 m。該礦山前期有三個中段被開采，但留下的空區(qū)數(shù)量較多，礦體殘留量較大，為了最大限度地發(fā)揮礦山的經(jīng)濟效益，還需對礦柱進行回采。目前采空區(qū)的俯視圖及本次研究區(qū)域見圖2。

圖1 礦區(qū)原始地表地形圖Fig.1 The original surface topographic map of the mine

圖2 采空區(qū)俯視圖及本次研究區(qū)域Fig.2 The top view of goaf and the study area

3 紅嶺多金屬礦采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

3.1 基于數(shù)值模擬的空區(qū)群穩(wěn)定性分析

本次選取研究區(qū)域的Ⅰ號中段進行相關分析，Ⅰ號中段選取4個礦室作為主要研究對象(定義編號分別為1#、2#、3#和4#)。按照巖體力學參數(shù)確定方法，對各測點進行計算求取其平均值，并利用Hoek-Brown準則進行校驗，最終得到本次數(shù)值模擬采用的主要力學參數(shù)見表1。

表1 某鉛鋅礦巖體力學參數(shù)表

采用彈性本構(gòu)模型及MC(Mohr-Coulomb)破壞準則進行模擬，MC準則公式為

(2)

式(2)中：σ1和σ3為第一主應力和第三主應力(符號規(guī)定為：拉伸為正，壓縮為負)；σc為單軸抗壓強度；σB為單軸抗拉強度；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

另外，定義一個風險系數(shù)R為

(3)

隨著數(shù)值的增大，失穩(wěn)破壞的風險增大。在式(3)中，當R≥1時，可認為空區(qū)采場失穩(wěn)。

在Ⅰ號中段礦床開采過程中，針對間柱及頂板的穩(wěn)定性進行分析比較，圖3反映了風險系數(shù)R的數(shù)值變化情況?？梢钥闯?，整個開采過程中，該中段的穩(wěn)定性很好，對于間柱來說，風險系數(shù)R≤0。礦床開采前，少量位于中部的采場頂板出現(xiàn)小范圍黃色或者紅色區(qū)域，這可能與前期開挖擾動有關；隨著礦室1#和2#、3#和4#的依次開采，出現(xiàn)開挖擾動后圍巖或礦體內(nèi)部的應力狀態(tài)重新分布情況，在采場頂板上方陸續(xù)出現(xiàn)小范圍黃色或者紅色區(qū)域，這也說明礦床的開采是一個動態(tài)的過程。

圖3 開采前后Ⅰ號中段間柱和頂板風險系數(shù)對比Fig.3 Comparison of the risk coefficient of the roof and pillar in LevelⅠbefore mining with that after mining

圖4為Ⅰ號中段礦床開采過程中空區(qū)圍巖的風險系數(shù)對比圖，可以看出，開采前，圍巖整體顏色為藍色，其風險系數(shù)R≈-0.4，說明其穩(wěn)定性很好。隨著礦室1#～4#的開采，圍巖周邊顏色開始出現(xiàn)黃色或者紅色，說明風險系數(shù)值有增大的趨勢。特別是礦室4#的跨度最大，其周邊圍巖的顏色最深，說明其風險系數(shù)值最大，估測為0.35左右。但總體來講，Ⅰ號中段圍巖的風險系數(shù)值R≤0.6，穩(wěn)定性情況較好。

圖4 開采前后空區(qū)圍巖危險性系數(shù)對比Fig.4 Comparison of the risk coefficient of the stope surrounding rock mass before mining with that after mining

通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，紅嶺多金屬礦Ⅰ號中段圍巖抵抗外力擾動能力很強，穩(wěn)固性較好。與現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果基本吻合，這也說明在礦床開采過程中，巖體內(nèi)部的應力重分布并沒有影響到空區(qū)的整體穩(wěn)定性。本次數(shù)值模擬可為下一步礦柱回采過程中礦山的安全生產(chǎn)提供參考。

3.2 K.B.魯別涅依他公式法穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程的實際情況，Ⅰ號中段的埋深大約為120 m，則采空區(qū)的安全厚度值設為120 m；對于K.B.魯別涅依他公式中的其他參數(shù)，頂板巖石的密度取2.77 t/m3，安全系數(shù)值K取1.1左右，K0、K3分別取2、7，設備荷載取4 MPa。采用第一強度準則判斷判斷空區(qū)穩(wěn)定性，最終所得的空區(qū)臨界跨度值及穩(wěn)定性情況見表2。

由表2可知，由于礦室4#的平均跨度值太大，存在失穩(wěn)垮塌的風險，因此在礦山實際作業(yè)中，礦室4#為重點監(jiān)測對象，必要時可考慮加強支護措施。除礦室4#外，其他礦室的平均跨度值均小于其臨界跨度值，穩(wěn)固性較好。

表2 K.B.魯別涅依他公式分析結(jié)果

3.3 討論

結(jié)合中國現(xiàn)有礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀，采用經(jīng)驗計算公式，須簡化圍巖賦存環(huán)境及邊界條件等，從而抽象化的解決復雜問題；同樣地，采用數(shù)值模擬方法，雖然能夠綜合考慮工程地質(zhì)條件和巖體復雜結(jié)構(gòu)的影響，但在各類參數(shù)取值方面存在一定的局限性。通過兩種不同方法的計算對比，可以探討各方法應用于礦山實際生產(chǎn)的局限性和適用條件，并有效的指導工程實踐。表3為兩種不同計算方法下空區(qū)穩(wěn)定性的分析結(jié)果。在紅嶺多金屬礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析過程中，與數(shù)值模擬和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果相比，K.B.魯別涅依他公式所得的空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果偏保守。

表3 不同計算方法下空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

針對紅嶺多金屬礦空區(qū)處理及礦柱回收的工程問題，在現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果的基礎上，采用數(shù)值模擬方法及K.B.魯別涅依他公式法對紅嶺多金屬礦Ⅰ號中段空區(qū)穩(wěn)定性進行分析研究，并與現(xiàn)場實際情況做對比分析,得到如下結(jié)論。

(1)利用彈性本構(gòu)模型，以MC準則為破壞準則，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，Ⅰ號中段礦體及圍巖抵抗外力擾動能力很強，穩(wěn)固性較好。在礦床開采過程中，巖體內(nèi)部的應力重分布也并沒有影響到空區(qū)的整體穩(wěn)定性。經(jīng)過與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)情況基本吻合，可有效指導工程實踐。

(2)K.B.魯別涅依他公式全面考慮了頂板受力結(jié)構(gòu)方面的影響，采用此分析方法對Ⅰ號中段代表性礦室進行臨界跨度值求解，發(fā)現(xiàn)除礦室4#外，其他空區(qū)開采跨度值都小于臨界跨度值，穩(wěn)定性良好。對于礦室4#，需要采取一定的支護措施或者縮短跨度。與現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果及數(shù)值模擬相比，此方法所得的空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果偏保守。

(3)綜合數(shù)值模擬及K.B.魯別涅依他公式結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者所得的結(jié)果差別不大，在下一步礦柱回采設計時需重點關注礦室4#空區(qū)的位置，以確保安全生產(chǎn)。

(4)結(jié)合不同方法進行分析研究，更有利于對問題的把握，為保證后續(xù)回采活動的安全，可以增加幾種理論計算方法進行對比，以便更好地解決工程中各種問題。