劉彬

(湖南有色金屬研究院有限責任公司,湖南 長沙 410100)

0 引言

中國現(xiàn)有金屬非金屬礦山約6萬座,其中大部分采用空場采礦法開采,遺留了大量礦柱和采空區(qū)。據(jù)統(tǒng)計,至2015年底,全國金屬非金屬地下礦山共有采空區(qū)12.8億m3,分布于國內(nèi)的28個省、直轄市、自治區(qū)[1-3]。隨著礦山開采深度的延伸,每年采空區(qū)的體積都在迅速增長,在不同開采中段之間形成了復雜采空區(qū)。在深部高地應力和開采擾動等復雜地質(zhì)力學環(huán)境下,采空區(qū)的存在使原巖受力狀態(tài)發(fā)生改變,產(chǎn)生次生應力場,引起應力集中,出現(xiàn)一系列的地壓顯現(xiàn),造成頂板垮塌、圍巖片幫,給礦山的安全生產(chǎn)帶來重大影響[4-8]。更為甚者破壞波及到地表,使地表變形或塌陷,嚴重威脅地面人員、農(nóng)田和建(構)筑物的安全,并可能改變生態(tài)環(huán)境,誘發(fā)嚴重影響生態(tài)環(huán)境的工程地質(zhì)災害[9-11]。

1 工程背景

湖南某銅多金屬礦采用地下開采,平硐＋斜井開拓,已形成＋230 m、＋200 m、＋150 m、＋100 m、＋50 m 和0 m 六個中段。礦山采用淺孔留礦法對礦體進行開采。＋150 m 中段以上礦體均已采完,目前主要開采0 m 中段的7號礦體和＋50 m 中段、＋100 m 中段殘采收尾工作。經(jīng)過多年的無序、高強度空場法開采,形成的采空區(qū)體積達十幾萬平方米。隨著采空區(qū)規(guī)模持續(xù)擴大,礦柱暴露時間延長,賦存在不均質(zhì)巖體內(nèi)形態(tài)復雜的采空區(qū),在地應力和開采擾動等多維度的損傷作用下,易引發(fā)礦柱“多米諾骨牌式”失穩(wěn)、采空區(qū)圍巖突發(fā)冒落等災害事故[12]。目前,采空區(qū)穩(wěn)定性已成為制約礦山安全綠色開采和可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素。因此,開展復雜采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價及治理方案研究刻不容緩。

2 巖體質(zhì)量分級與力學參數(shù)計算

2.1 巖體質(zhì)量現(xiàn)場調(diào)查

在參考礦山地質(zhì)報告關于工程地質(zhì)相關描述的基礎上,對礦山井下圍巖體質(zhì)量進行了現(xiàn)場調(diào)查。礦山圍巖主要為構造熱液蝕變巖帶,該巖帶較堅硬,厚度較大,巖石似角礫狀,大部分被硅質(zhì)、石英充填膠結,膠結致密,巖體完整。通過巷道揭露的圍巖查看,巖體節(jié)理不發(fā)育,完整性較好,節(jié)理內(nèi)充填有石英,潮濕、未見明顯風化,巷道為裸巖巷,無支護即可穩(wěn)定,巷道內(nèi)無掉塊。采場內(nèi)礦體同樣為似角礫狀,膠結致密堅硬。礦體及圍巖如圖1所示。

圖1 礦體及圍巖情況

2.2 室內(nèi)巖石力學試驗

根據(jù)室內(nèi)試驗結果,得到各巖石力學參數(shù)見表1。結合現(xiàn)場巖體質(zhì)量調(diào)查結果,參考巴頓Q 分級[13-14],得到礦巖體巖體質(zhì)量等級為II級,礦山頂板相對礦體及底板圍巖力學參數(shù)較差。根據(jù)地質(zhì)報告中工程地質(zhì)描述,得到巖體GSI值約75。

表1 室內(nèi)巖石力學試驗結果

2.3 巖體力學參數(shù)計算

利用試驗得到的數(shù)據(jù)計算礦山巖體力學參數(shù)。礦體圍巖單軸抗壓強度依據(jù)巖石室內(nèi)力學試驗相關數(shù)據(jù)選取,保守起見,圍巖抗壓強度選取礦體頂板巖石抗壓強度,礦體強度按照其本身強度進行計算。利用巖體地質(zhì)強度指標GSI值與巖石單軸抗壓強度,即可得到巖體力學參數(shù),同時參考《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[15]進行修正,得到最終的巖體力學參數(shù),結果見表2。

表2 巖體力學參數(shù)值估算結果

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析及風險評估

3.1 采空區(qū)調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,礦山目前已形成了28 個采空區(qū)。根據(jù)礦方提供的采掘工程平面圖、開拓系統(tǒng)縱投影圖,結合現(xiàn)場實地勘查,少量采空區(qū)已采取了封閉方式進行處理,大部分采空區(qū)未進行處理。具體情況如下:＋230 m 中段僅有1 個采空區(qū),編號CK230-1;＋200 m 中段有4個采空區(qū),編號CK200-1～CK200-4;＋150 m 中段有7 個采空區(qū),編號CK150-1～C150-7(均為無底柱開采);＋100 m 中段有7個采空區(qū),編號CK100-1～CK100-7(均為無底柱開采);＋50 m 中段有4個采空區(qū),編號CK50-1～CK50-4(均為無底柱開采);0 m 中段有5個采空區(qū),編號CK0-1～CK0-5(均為無底柱開采),采空區(qū)總體積約為137 387.5 m3。

3.2 采空區(qū)分布情況

礦山采空區(qū)分布情況如圖2 所示。由圖2 可知,礦山縱投影圖中的紅色虛線內(nèi)為礦體投影,虛線內(nèi)空白區(qū)域為采空區(qū)投影(顏色標識見電子版)。采空區(qū)在局部中段有上下采空區(qū)重疊現(xiàn)象。采空區(qū)治理方法中,應考慮采空區(qū)對上部開拓系統(tǒng)的影響和對地表環(huán)境的影響。采空區(qū)間均設置有間柱,空區(qū)內(nèi)設置有點柱。

圖2 采空區(qū)縱投影分布

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采場最大自穩(wěn)跨度一般受多重因素影響。綜合來講,除巖體自身結構和應力外,還有開采方式、巖體賦存條件如地下水侵蝕及爆破震動等外在因素。各種因素復雜多變,相互干擾,構成了采場頂板穩(wěn)定性的不確定性。通過巖體分級法與Mathews穩(wěn)定圖法判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性,得到的采空區(qū)頂板開挖支護比(ESR)和暴露面穩(wěn)定性分區(qū)匯總見表3。

表3 采空區(qū)頂板開挖支護比(ESR)和暴露面穩(wěn)定性分區(qū)匯總

(1)工程巖體分級標準法。根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)中關于自穩(wěn)能力的評價,對于Ⅱ級巖體,跨度<10m的采空區(qū)可長期維持穩(wěn)定,偶有掉塊的現(xiàn)象發(fā)生;跨度為10～20 m 的采空區(qū)可基本維持穩(wěn)定,局部可能有發(fā)生掉塊或小塌方的風險。CK100-3、CK100-4、CK100-5、CK100-6、CK100-7、CK50-1、CK50-2采空區(qū)最大厚度均大于10 m,該7個采空區(qū)可基本維持穩(wěn)定,局部可能有發(fā)生掉塊或小塌方的風險。采空區(qū)CK100-7 和CK100-6頂板支護比(ESR)為1.97 和1.69,其余采空區(qū)頂板支護比(ESR)均小于1.6。

(2)Mathews穩(wěn)定性圖解法。根據(jù)Mathews穩(wěn)定性圖解法[16],礦山采空區(qū)頂板均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在不考慮點柱情況下,僅采空區(qū)CK50-1上盤暴露面處于崩落區(qū),其余采空區(qū)上盤暴露面分別處于支護穩(wěn)定區(qū)、無支護過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

對比以上不同方法的判斷結果,采空區(qū)頂板大部分均穩(wěn)定。

3.4 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

(1)模型構建。根據(jù)礦山提供的地表地形圖、采空區(qū)縱投影圖、采空區(qū)中段平面圖等,建立礦山地質(zhì)模型。經(jīng)對模型進行網(wǎng)格劃分與分組,最終建立采空區(qū)三維網(wǎng)格模型,如圖3所示。由圖3可知,三維數(shù)值網(wǎng)格模型范圍為950 m×950 m,網(wǎng)格劃分為四面體網(wǎng)格,共建立有110萬個網(wǎng)格,19萬個節(jié)點。根據(jù)初始條件,對礦山開采過程進行數(shù)值模擬。礦體的開采破壞了原巖應力平衡狀態(tài),在應力重分布過程中,采場圍巖將產(chǎn)生變形移動,甚至破壞。通過數(shù)值模擬,可研究分析采空區(qū)圍巖應力、位移及塑性區(qū)分布情況,并據(jù)此判斷采空區(qū)穩(wěn)定性。

圖3 湖南某銅多金屬礦三維數(shù)值網(wǎng)格模型

(2)應力分析。巖石破壞一般為拉伸破壞,因此本文只對拉應力進行分析。采空區(qū)拉應力主要分布在采空區(qū)頂板,部分拉應力也分布在上盤圍巖內(nèi),拉應力值約為0.3～0.7 MPa,小于上文估算的巖體抗拉強度1 MPa。整體而言,采空區(qū)圍巖拉應力值較小,且分布范圍較小。這是由于采空區(qū)內(nèi)布置的點柱起到了很好的支撐作用,有效減小了上盤圍巖內(nèi)的拉應力值,采空區(qū)拉應力分布如圖4所示。

圖4 采空區(qū)拉應力分布云圖

(3)位移分析。礦山采空區(qū)圍巖位移值整體較小,最大位移值為1.1 cm,說明采空區(qū)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)位移最大值所在采空區(qū),該采空區(qū)內(nèi)僅布置有一個點柱,導致上盤暴露跨度過大,進而使得上盤位移相對增大,說明采空區(qū)內(nèi)點柱起到了至關重要的作用。采空區(qū)位移分布如圖5所示。

圖5 采空區(qū)位移分布云圖

(4)塑性區(qū)分析。采空區(qū)圍巖塑性區(qū)僅為零星分布,主要分布在采空區(qū)頂板及點柱巖體中,說明此處巖體為受破壞的主要區(qū)域。但是采空區(qū)圍巖體內(nèi)并未出現(xiàn)大片連續(xù)的塑性區(qū),零星分布的塑性區(qū)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響較小。采空區(qū)塑性區(qū)分布如圖6所示。

圖6 采空區(qū)塑性區(qū)分布圖

綜上所述,在當前條件下,巖體強度較好,礦山采空區(qū)穩(wěn)定性較高,對地表的影響較小。

3.5 采空區(qū)安全風險分級評估

采用巖體分級法和Mathews穩(wěn)定圖法,通過采空區(qū)頂板支護比(ESR)和穩(wěn)定性分區(qū)判斷頂板安全風險等級,結果見表4。采空區(qū)CK50-1、CK100-6、CK100-7為一般風險等級,其余各采空區(qū)為低風險等級。而對于多層重疊的采空區(qū)安全風險等級應提高一級,因此井下采空區(qū)CK50-1、CK100-6、CK100-7安全風險等級為較大風險等級,其余采空區(qū)為一般風險等級。

表4 頂板跨度安全風險分級

4 采空區(qū)治理措施

現(xiàn)有的采空區(qū)處理方法有崩落圍巖法、充填采空區(qū)法、支撐加固法和密閉隔離法四大類[17-18]。在實際的采空區(qū)處理過程中,由于各個礦山采空區(qū)的數(shù)量、位置、形態(tài)特征、穩(wěn)定性等情況大相徑庭,應依據(jù)采空區(qū)的特點和條件,采取有針對性的處理方法,有時會采用多種方法聯(lián)合處理[19]。

根據(jù)礦山采空區(qū)賦存條件,采空區(qū)上盤處分布有礦山平硐及主斜井,地表有較多水澆地,采用崩落法處理采空區(qū)將影響上盤開拓系統(tǒng),進而影響礦山生產(chǎn)和地表環(huán)境,支撐加固法也不現(xiàn)實,因為采空區(qū)較高,采場內(nèi)部已無法進入,無法進行支撐加固作業(yè)。因此選擇充填法作為礦山采空區(qū)治理方案,采用充填法治理能夠利用充填體支撐采空區(qū),控制地壓活動,減少礦體上部地表下沉,顯著削弱采空區(qū)帶來的安全隱患。由于新建充填系統(tǒng)周期較長,可在建設充填系統(tǒng)期間利用廢石充填采空區(qū)。充填順序為優(yōu)先充填較大風險等級的采空區(qū),隨后按照從下到上、從上盤至下盤的順序依次充填剩余采空區(qū)。

同時,為防止采空區(qū)突然垮塌對井下安全生產(chǎn)造成影響,建議對采空區(qū)穩(wěn)定性狀況進行實時監(jiān)測,預防安全事故的發(fā)生。

5 結論與建議

本文對湖南某礦山的采空區(qū)進行了摸底、統(tǒng)計,分析了采空區(qū)穩(wěn)定性及安全性,并提出采空區(qū)治理建議,得到如下結論。

(1)在地質(zhì)資料與現(xiàn)場調(diào)查基礎上,得到巖體質(zhì)量總體為II級,巖體GSI值約75左右。

(2)根據(jù)巖體分級法,采空區(qū)CK100-7 和CK100-6頂板跨度最大為14 m 和12 m,頂板支護比(ESR)為1.97和1.69,其余采空區(qū)頂板支護比(ESR)均小于1.6。

(3)根據(jù)Mathews穩(wěn)定性圖解法,頂板處在穩(wěn)定區(qū)。在不考慮點柱情況下,僅采空區(qū)CK50-1 上盤暴露面處于崩落區(qū),其余采空區(qū)上盤暴露面分別處于支護穩(wěn)定區(qū)、無支護過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

(4)通過建立礦山采空區(qū)模型,對采空區(qū)穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬。模擬結果表明,采空區(qū)圍巖內(nèi)拉應力小于其抗拉強度;采空區(qū)圍巖位移最大為1.1 cm 左右,位移值較小;采空區(qū)引起的地表位移僅為1 mm,對地表影響較小;采空區(qū)圍巖內(nèi)塑性區(qū)為零星分布,未出現(xiàn)塑性區(qū)貫通或大片分布現(xiàn)象,巖體穩(wěn)定性較高。綜上所述,在當前條件下,礦山巖體強度較高,采空區(qū)穩(wěn)定性較好,其對地表的影響也較小。

(5)通過采空區(qū)頂板支護比(ESR)和穩(wěn)定性分區(qū)判斷,礦山井下采空區(qū)CK50-1、CK100-6、CK100-7安全風險等級為較大風險等級,其余采空區(qū)為一般風險等級。

(6)選擇充填作為礦山的采空區(qū)治理方案,能夠顯著削弱采空區(qū)帶來的安全隱患。同時在治理過程中應加強對采空區(qū)穩(wěn)定性狀況的監(jiān)測。