尹修平,郭忠林
(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)
近幾十年來,隨著資源的不斷匱乏,市場對資源量的需求不斷增大,資源的開采工作也由淺部逐漸向深部發(fā)展。由于前期開采所遺留的采空區(qū)未經(jīng)處理,其所存在安全隱患也隨著時間的推移不斷增大,這不僅會造成地表塌陷,還會對后續(xù)開采造成地質(zhì)災(zāi)害隱患。本文以云南某鉛鋅礦采空區(qū)為對象,分析Ⅱ6、Ⅲ4號礦體采空區(qū)穩(wěn)定性和對后續(xù)開采活動的影響。
根據(jù)現(xiàn)場踏勘收集的資料,礦山的采空區(qū)主要集中在Ⅱ6、Ⅲ4號礦體,也是礦山生產(chǎn)的主礦體。Ⅱ6礦體走向近東西向,傾向北,傾角60~80°,控制長212m,礦體厚0.75~5.62m,平均厚2.47m,厚度變化系數(shù)89.88%,屬厚度較穩(wěn)定型礦體。Ⅲ4礦體走向近東西向,傾向北,傾角60~80°,礦體控制長47m,厚1.02~8.69m,平均厚6.61m,厚度變化系數(shù)100.52%,屬厚度較穩(wěn)定型礦體。Ⅱ6、Ⅲ4號礦體屬于相鄰礦體開采,采用平硐開拓方式,早期開采主要集中在1700m以上,所以形成的采空區(qū)主要集中在1700、1740、1780m三個中段。
礦區(qū)內(nèi)巖石均具程度不同的熱變質(zhì)作用,隨遠(yuǎn)離酸性花崗巖體而變質(zhì)程度遞減,各類巖石均保留原巖的部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,基本上為石英巖原巖砂巖、粉砂巖,角巖原巖為泥巖、砂泥巖,大理巖原巖為碳酸鹽巖。礦山一帶由南往北(由上往下)出露巖性為石英砂巖、石英巖→砂質(zhì)板巖、砂巖→砂質(zhì)角巖→角巖→大理巖與角巖互層→角巖,礦區(qū)主要含礦巖性為大理巖與角巖互層,以大理巖巖為主,走向近東西向,傾向北,傾角大于60°,不管是大理巖或是角巖,其鈣質(zhì)含量均較高。所以,礦體的圍巖比較單一,由大理巖和角巖組成互層夾雜礦體。具體巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 巖石力學(xué)參數(shù)
根據(jù)巖體的破壞機(jī)制可將巖體破壞劃分為剪性破壞和張性破壞。采空區(qū)圍巖主要產(chǎn)生的就是剪性破壞。地下的礦體被采出后,采場周圍的原始應(yīng)力平衡受到破壞,頂板圍巖向下彎曲,上覆巖層也會沿著巖層層理的法線方向發(fā)生移動、彎曲,導(dǎo)致頂板因大跨度彎曲而斷裂、離層,采空區(qū)周圍的巖層就產(chǎn)生移動、變形、破壞[1-3]。對于實際的工程問題,由于問題存在的復(fù)雜性和影響因素眾多等條件,在滿足工程需要的前提下,采用數(shù)值模擬技術(shù)來近似模擬。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對采空區(qū)圍巖的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等進(jìn)行穩(wěn)定性分析。本文主要分析空區(qū)圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū),見圖1~圖5。
圖1 Z 方向位移
圖2 X 方向位移
圖3 最小主應(yīng)力
圖4 最大主應(yīng)力
圖5 塑性區(qū)
根據(jù)圖1、2可知,采空區(qū)圍巖在Z方向位移變化比X方向明顯,采空區(qū)圍巖從下到上位移逐步增大,在接近地表是位移最大。Ⅱ6號礦體上盤圍巖位移在X和Z方向上變化明顯,最大位移主要集中在礦體的上盤,越接近地表位移越大。Ⅲ4號礦體下盤圍巖位移比上盤圍巖位移大,位移主要集中在兩個采空區(qū)之間。由于位移主要介于平行采空區(qū)之間,有可能造成兩礦體之間整體垮落。
圖3、4主要分析的是最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力,由圖可知,采空區(qū)的應(yīng)力主要集中在頂部和底部,Ⅱ6號礦體應(yīng)力集中明顯,主要集中在上盤頂部,靠近地表。Ⅲ4號礦體應(yīng)力主要集中在頂板和地板,同時地表山谷離采空區(qū)最近也存在應(yīng)力集中。
圖5是分析的是塑性區(qū),塑性區(qū)存在的是不可恢復(fù)的變形,也就是說產(chǎn)生圍巖發(fā)生塑性變形,不能恢復(fù)原狀,從而產(chǎn)生破壞塌落。由圖可知,塑性區(qū)主要集中在采空區(qū)的上盤接近地表的地方,Ⅱ6號礦體上盤塑性區(qū)范圍明顯。
綜上所述,圍巖位移主要集中在兩采空區(qū)之間,應(yīng)力和塑性區(qū)主要集中空區(qū)上盤頂板接近地表出,當(dāng)采空區(qū)上盤頂板圍巖產(chǎn)生位移時,同時頂板圍巖應(yīng)力又比較集中,又存在塑性區(qū),塑性區(qū)部分變形不可恢復(fù),從而可能直接導(dǎo)致大范圍的塌陷,對礦山的生產(chǎn)存在著重大的安全隱患,需要采取處理措施。
當(dāng)形成采空區(qū)后,采空區(qū)巖層根據(jù)其破壞和移動的形式,自下而上分為“三帶”:冒落帶、斷裂帶、彎曲帶[4]。當(dāng)空區(qū)頂板冒落的高度大于空區(qū)頂板的高度時,就會形成地表塌陷;相反,地表則不會形成塌陷,地表穩(wěn)定。由于采空區(qū)圍巖主要為堅硬的大理巖為主,故選用的冒落高度計算公式為:
式中:H——冒落帶高度;
m——采空區(qū)高度;
k——巖石的碎脹系數(shù),硬巖一般在1.50~1.80,取1.60;
α——采空區(qū)傾角,取礦體傾角70°。
根據(jù)采空區(qū)的實際形態(tài),選取三個標(biāo)高進(jìn)行計算,計算結(jié)果如表2。
冒落氣浪是采空區(qū)上覆巖層大范圍冒落,瞬間壓縮采空區(qū)氣體,形成氣浪沖擊,對礦上的運(yùn)輸巷道,通風(fēng)等造成重大影響,同時對礦山的安全生產(chǎn)帶來隱患,嚴(yán)重時威脅到生命安全。發(fā)生大面積冒落時通常也伴隨著地表塌陷。冒落氣浪主要兩種模型:①一種是“繞流”模型;②另一種是“打氣筒”模型。其中“繞流”模型空區(qū)內(nèi)部氣體受壓產(chǎn)生的氣浪,沒有連通地表空氣,而“打氣筒”模型冒落到地表,壓縮空氣與地表連通。根據(jù)冒落帶的計算和分析,該礦山為打氣筒模式,根據(jù)能量守恒和恒溫下的氣體狀態(tài)方程,“打氣筒”模型計算公式如下[4-5]:
表2 Ⅱ6、Ⅲ4采空區(qū)冒落高度計算
式中:η——折減系數(shù),介于0.6~0.9之間;
ρ——冒落體的密度;
A——出風(fēng)口斷面積;
P1——?dú)饫税l(fā)生前采空區(qū)的氣壓;
H——空區(qū)高度;
L1——冒落體的長;
L2——冒落體的寬;
H1——冒落體的高;
n——出風(fēng)口個數(shù)。
通過現(xiàn)場觀察可知,折減系數(shù)η取0.8;冒落體的密度ρ取1.47g/cm3;出風(fēng)口斷面積A為2m×2m;氣浪發(fā)生前采空區(qū)的氣壓P1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;現(xiàn)場測量冒落體的長寬高為3.2m×2.5m×1.8m;計算可以知道Ⅱ6、Ⅲ4礦體產(chǎn)生的冒落氣浪速度分別為:11.05m/s、17.55m/s。其中Ⅲ4礦體的冒落氣浪超過了礦山的安全速度12m/s,對礦山的生產(chǎn)安全造成影響,應(yīng)采取應(yīng)對措施處理采空區(qū)。
現(xiàn)階段,采空區(qū)處理的方法主要有三種:①基本方法主要包括崩落法、充填法、支撐法、封閉隔離法;②采空區(qū)處理的聯(lián)合法主要有支撐充填法、崩落隔離法、礦房崩落充填法、支撐片落法;③現(xiàn)階段采空區(qū)處理的新方法有切槽放頂法、切頂與礦柱崩落法、V形切槽上盤閉合法、硐室與深孔爆破法[5-10]。其中,采空區(qū)的基本法和聯(lián)合法各方面都有局限性和特定的適應(yīng)條件,且費(fèi)用都比較高。新方法都能通過一種施工工藝達(dá)到多種基本方法的處理工藝,而且成本比較低,可以根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇處理。
根據(jù)該礦山的具體情況、穩(wěn)定性分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,以及各種處理方式的適應(yīng)條件,了解該礦山地表允許塌陷,初步選定處理方式為崩落部分圍巖處理采空區(qū)。主要技術(shù)路線:通過數(shù)值模擬分析可知,采空區(qū)的圍巖應(yīng)力,位移和塑性區(qū)主要集中在上盤頂板處,選擇采空區(qū)應(yīng)力集中處進(jìn)行崩落圍巖,既可以降低成本,還能達(dá)到最好的效果,崩落部分圍巖充填采空區(qū),使其達(dá)到一定的厚度,與采空區(qū)底板共同形成阻波緩沖帶,當(dāng)緩沖帶達(dá)到一定厚度,就能消除冒落氣浪的影響,并且對礦山的后續(xù)開采不產(chǎn)生安全隱患。
根據(jù)對采空區(qū)的現(xiàn)場形態(tài)和穩(wěn)定性分析,并且對冒落高度和冒落氣浪的計算,處理方式的分類與優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢,得到以下結(jié)論:
(1)根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場形態(tài)的考察和數(shù)值模擬分析可知采空區(qū)存在的安全隱患和不穩(wěn)定因素。
(2)通過對冒落高度和冒落氣浪的計算,確定了采空區(qū)的影響范圍和礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能。
(3)分析采空區(qū)的處理方式,針對該礦山的具體情況,給出經(jīng)濟(jì)合理有效的處理方式,消除采空區(qū)對礦山安全的影響。
綜上所述,本文通過理論分析與該礦山具體實際相結(jié)合,利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析,計算預(yù)測采空區(qū)存在的安全隱患,并提出合理先進(jìn)的處理方式,對該礦山安全生產(chǎn)具有很大的實際意義。
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