湖南郴州某礦復雜形狀采空區群穩定性分析

李金誠,李青鋒,2*,吳昊

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 礦業工程研究院,湖南 湘潭 411201)

在礦山開采過程中,地下空間將會形成連續或非連續的采空區.采空區的存在可能會導致相關地質災害,其穩定性對工程安全存在較大的影響,采空區一旦失穩將會破壞底板及圍巖的穩定性,輕則造成財產損失,重則危及人身安全[1-3].因此,研究采空區穩定性具有重要意義.目前,采空區穩定性分析方法有理論分析、數值模擬、現場測量、模糊評價等方法.Wang F F等[4]采用理論計算和現場調查2種方法對大橋磷礦采空區礦柱的穩定性進行研究,結果表明礦柱埋深及分布密度等參數對采空區穩定性具有重要影響;Wang Y S等[5]通過多傳感器建立實時在線監測預警系統,達到對采空區進行連續監測的目的,為采空區提供短期的穩定性預警信息;Yang H Q等[6]基于工程實踐,通過理論分析與數值模擬,得出采動擾動下采空區圍巖關鍵層的破裂機理、應力分布及其圍巖變形特征;滕永海等[7]探討了老采空區上方地基穩定性的評價方法,并考慮老采空區活化可能帶來的地表殘余變形,為老采空區上方興建多層建筑提供科學依據;張耀平等[8]采用FLAC3D軟件對龍橋鐵礦采空區的穩定性進行數值模擬,通過分析其結果得出，采空區逐漸形成后各隅角處會先達到極限剪切破壞狀態,隨著采空區的進一步增大,其破壞區域將慢慢延伸并擴大;劉沐宇等[9]基于現場工程地質調查,對礦區巖體質量進行分類,并估算出其巖體強度,再通過安全系數法和可靠度分析法得到礦柱的點安全系數與可靠指標,結果表明采空區礦柱處于安全穩定狀態;劉光清等[10]分析了采空區群的穩定性,并利用數值計算方法比較了不同殘礦回采方案下的安全性,為礦山實踐提供參考意義;龔甲桂等[11]利用三維激光掃描方法測量采空區礦柱、頂板和采空區之間關系,從而分析得到采空區的穩定狀態.

前人對采空區穩定性做了較多的分析[12-13],但針對的均是形狀較規則的矩形采空區群.本文針對湖南郴州某礦復雜形狀1#～8#采空區群,運用理論分析與數值模擬相結合的方法,探討采空區圍巖應力和位移集中分布區域以及塑性損傷特征,為復雜采空區穩定性評估提供一定的理論依據.

1 礦山采空區現狀

湖南郴州某礦為地下開采,斜坡道以螺旋式開拓.從實測可以看出,原礦山沿著斜坡道兩邊開采,使斜坡道及兩邊的采場一起形成了采空區.采空區表現為間斷不連續,且跨度為8～41 m,平均約18 m;高度為6.5～14.0 m,平均約6.8 m.采空區頂板暴露面積合計達1.56萬m2,體積合計11.3萬m3.從采空區現場調查來看,礦體直接頂底板巖性主要為白云質灰巖、白云巖,其采空區形態及相互關系如圖1所示.

圖1 湖南郴州某礦1#～8#采空區形態及其關系

2 巖石力學參數獲取及巖體力學參數轉化

2.1 巖石力學參數獲取

試驗所用巖樣取自湖南郴州某礦采空區頂板巖層,并嚴格按照地質礦產行業標準《巖石物理力學性質試驗規程》(DZ/T0276.18—2015)進行切割.巖樣試件如圖2所示,試驗所得的巖石力學參數如表1所示.

圖2 巖樣試件

表1 礦區巖石力學參數

2.1.1 抗壓試驗

使用液壓式壓力試驗機對巖石抗壓試件進行加載,讓試件均勻受力的同時,控制其加載速度直至試件破壞.巖石的抗壓強度計算公式為

(1)

式中:R為單軸抗壓強度,MPa;P為試件破壞載荷,N;S為試件橫截面積,mm2.

2.1.2 抗拉試驗

巖石的抗拉強度就是巖石試樣在單向拉力作用下所能夠抵抗破壞的極限能力,也被稱為極限強度.本文通過劈裂法測定巖石的抗拉強度,具體計算公式為

(2)

式中:RL為試件抗拉強度,MPa;D為試件的高度,mm;L為試件的厚度，mm.

2.1.3 抗剪試驗

巖石的抗剪強度采用變角度剪切法,試件所受到的載荷可以分解成垂直和平行剪切方向的正壓力和剪應力,采集自然狀態和飽水狀態下白云巖在3個角度(35°,40°,45°)的正應力和剪應力,并結合線性回歸公式計算其內聚力c和內摩擦角φ:

(3)

(4)

τα=c+σαtanφ.

(5)

式中:σα為垂直剪切方向的正壓力,MPa;τα為平行剪切方向的剪應力,MPa;α為模具的傾角,(°);A為試件受剪切面的面積,mm2,c為內聚力,MPa;φ為內摩擦角,(°).

2.2 巖體力學參數轉化

由于巖體受到水、風化等外營力的作用,所以在將巖塊力學參數應用于巖體工程時,必須考慮巖塊與巖體之間的差異.利用室內試驗資料,采用多種工程處理方法,得到符合實際工程的巖體力學參數,使分析結果更接近于現場實際情況.

2.2.1 巖體單軸抗壓強度和單軸抗拉強度的估算

由Hoek-Brown準則[14-16]進行變換得到巖體單軸抗壓強度和單軸抗拉強度的計算公式:

(6)

(7)

式中:σmc為巖體單軸抗壓強度;σmt為巖體單軸抗拉強度;m,s為無量綱實驗常數.其中m的取值范圍為0.001～25,嚴重擾動巖石m取0.001,堅硬完整巖石m取25;s的取值范圍為0～1,破碎巖石s取0,完整巖石s取1.

2.2.2 巖體彈性模量的折減與內摩擦角、內聚力的計算

對彈性模量采用經驗公式進行折減[17],而對內聚力和內摩擦角運用Mohr-Coulomb 強度準則,計算公式為

(8)

(9)

(10)

式中:Em為巖體彈性模量;RMR(Rock mass rating)是巖體各項指標進行綜合評價的具體值.

根據現場調查并對照RMR評分表計算,得出研究區域內巖體RMR評分值為73,且礦區巖石比較致密和穩定,層理明顯.故按照巖體自然狀態進行分析,其折減后的巖體力學參數如表2所示.

表2 折減后礦區巖體基本力學參數

3 采空區穩定性數值分析

3.1 模型建立

根據礦區地質和采空區資料,利用FLAC3D有限差分軟件,建立整體模型.在Auto-CAD中完成實體模型的建立后,并使用Rhino 6對網格進行優化,刪去重復和相交的線段,此后再利用Rhino 6中的插件Griddle1.0對模型的網格進行劃分,并導入FLAC3D得到模型,如圖3所示.模型長350 m,寬266 m,左側高214 m,右側高140 m,整個模型一共劃分成1 268 120個網格,864 409個節點.在FLAC3D中對模型采用位移邊界條件:四周和底面固定,頂部為自由面.為得出自然狀態下采空區群的穩定性,模型只考慮承受重力加速度.模型計算時,圍巖體本構模型選用Mohr-Coulomb模型,巖體力學參數采用表2中的數據.

3.2 采空區整體穩定性結果分析

采空區整體位移云圖如圖4所示.從圖4中可以看出:由于采空區的開挖和相互貫通,使圍巖的移動范圍擴大,地表巖體也受到一定程度的影響.在采空區較為集中的部位,地表呈現出一定程度的位移;在采空區疊加和高度貫通的區域,其上方巖體移動明顯,位移最大值接近3.16 cm.此種程度下需要在位移最大值的下方采空區采取一定的控制措施,確保地表不出現裂縫或坍塌.

圖3 圍巖采空區群模型

垂直方向截取采空區的塑性區分布及位移云圖如圖5所示.采空區的存在會導致應力集中,且在一定程度上應力集中會進一步加大,此時頂板將承受更大的載荷而發生屈服.圖5顯示大部分采空區圍巖均發生破壞,且主要破壞發生在采空區的頂板,這表明實際工程中可能會出現頂板巖石剝落的現象,存在一定的隱患;除此之外，采空區周圍的巖壁也發生明顯的破壞,這表明實際工程中所對應的是采空區側墻的巖石脫落.

圖4 模型整體位移云圖

圖5 礦柱及采空區內部塑性區分布

從圖5中采空區內部塑性區分布可以看出:8個采空區由于形狀、尺寸和埋藏深度的不同,在自然條件下均有不同程度的塑性屈服單元.從采空區塑性區發育情況可以看出：只有6#和7#采空區附近的圍巖具有良好的穩定性；1#,3#,4#采空區塑性較為發育,但對整體的影響不大；2#,5#,8#采空區塑性破壞都較為嚴重,其中2#采空區破壞程度最大.在垂直方向上，8#采空區的塑性破壞與2#,5#差別不大,但在水平方向上卻有所區別,所以接下來對2#采空區水平和垂直方向的圍巖穩定性以及8#采空區水平方向上的圍巖穩定性進行重點分析.

3.3 2#和8#采空區穩定性分析

3.3.1 2#采空區水平方向和垂直方向剖面分析

2#采空區在水平方向上的塑性區分布、位移與應力云圖如圖6所示.從圖6a中看出：剖面內塑性區得到了一定程度的發育,整個采空區周圍巖體中均有分布,表明周圍巖體都有一定程度上的破壞.從應力云圖來看,在采空區開挖后,2#采空區的一側巖體雖然出現明顯的應力集中現象,且該處的應力較大,但從位移云圖來看,2#采空區周圍巖體位移相對較小,因此2#采空區水平方向是比較穩定的.

圖6 2#采空區水平方向剖面

在垂直方向上,2#采空區的塑性區分布、位移與應力云圖如圖7所示.從圖7a可以看出：開挖之后采空區的頂板和底板塑性區發育,形成較大的塑性破壞,在圖7b和圖7c中也能明顯看出.由于應力集中現象,采空區頂板位置的位移達到2 cm,巖體位移相對明顯,較硬巖體在未支護的情況下會發生變形,使得巖塊局部脫落,因此需要對頂板進行支護.

圖7 2#采空區垂直方向剖面

3.3.2 8#采空區水平方向剖面分析

8#采空區在水平方向上的塑性區分布、位移與應力云圖如圖8所示.與2#采空區塑性區相比,8#采空區塑性破壞范圍較為嚴重,由于2個采空區相距較近,所以表現出采空區的“群效應”,周圍圍巖出現了應力疊加現象,使其中間也出現了一定程度上的塑性破壞.從位移云圖分析可知,由于采空區周圍巖體應力分布不均,8#采空區的右側以及2個采空區中間出現較為明顯的位移,且位移量遠遠大于2#采空區水平方向上的位移.

圖8 8#采空區水平方向剖面

從整體上看, 2#采空區埋藏最淺,其次是5#采空區,8#采空區埋藏最深.隨著深度的增加,圍巖所受應力將增大,其塑性區面積也應逐漸增大,但從塑性區來看,埋藏較淺的2#采空區塑性破壞卻比8#采空區更嚴重.通過對采空區現場實測,8#采空區空區高度約9 m,平均跨度約20 m,采空區面積只有710 m2,但2#采空區空區高度約6.8 m,平均跨度約24 m,采空區面積卻達1 300 m2.由此來看,采空區的深度、頂板跨度、暴露面積等參數對其塑性區都有很大的影響.

4 治理效果

圖9 采空區支護情況

經前文分析,湖南郴州某礦6#和7#采空區附近的圍巖具有良好的穩定性,1#,3#,4#采空區塑性較為發育,但對整體的影響不大.2#,5#,8#采空區塑性破壞較為嚴重,故針對該礦2#,5#,8#采空區采用人工礦柱的方法支撐頂板,緩解巖體應力集中的程度,轉移應力集中的部位,使應力達到新的相對平衡,從而保證礦山安全生產的目的.支護情況如圖9所示.

5 結論

1)采空區深度、頂板跨度和暴露面積決定著采空區塑性區的發育.采空區的深度越深,頂板跨度越大,暴露面積越多,其塑性區越發育,越不利于采空區的穩定.

2)針對采空區塑性發育的問題,提出人工礦柱支護方法,有效減小了圍巖變形.