某礦山井下采空區(qū)安全性分析

某礦山井下采空區(qū)安全性分析

西部礦山主要為銅鐵礦，采礦方法主要為平孔留礦法。經過幾年的開采，在五個中部形成了大量未處理的采空區(qū)。一些采空區(qū)坍塌，地面上有大面積的塌陷井。隨著回采工作的進一步推進,如不處理井下的采空區(qū),在爆破、運輸?shù)染律a擾動影響下,采動裂隙將繼續(xù)發(fā)展,地表的塌陷范圍勢必進一步擴大,嚴重時甚至造成附近河流斷流和透水事故,已嚴重影響礦山及周邊居民的安全、生產。因此,開展地下采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的安全評價研究顯得尤為重要。本文結合我國西部某礦山的井下開采現(xiàn)狀,通過CMS三維空區(qū)探測獲得了空區(qū)賦存的實際形態(tài),并結合相關的地表地層數(shù)據(jù),建立了地下采空區(qū)及地表地層的三維模型,運用三維有限元軟件進行空區(qū)穩(wěn)定性分析和安全性判定,為礦山井下采空區(qū)的治理方案設計提供理論依據(jù)。1數(shù)值模擬計算1.1地表地層模型建立結合礦山生產的實際情況,對井下5個中段現(xiàn)有的80個空區(qū)進行CMS三維空區(qū)探測,將實測數(shù)據(jù)以及地表地層數(shù)據(jù)導入三維建模軟件中建立的三維空間模型。模型四周及下邊界按照開采的影響范圍確定,上邊界為地表,總體尺寸為1260m×1060m×600m,模擬的主要載荷為巖體自重應力。數(shù)值模擬計算選取的礦體、圍巖力學參數(shù)見表1。1.2數(shù)值模型的結果和分析1.2.1采空區(qū)巖體移動隨空區(qū)地質體的區(qū)域差異而出現(xiàn)的地質意義根據(jù)數(shù)值模擬結果,各空區(qū)頂板的最大沉陷位移如圖1所示,其中73#空區(qū)在礦體開挖后周邊圍巖的位移場分布見圖2。由圖1、圖2可知,在空場法開采礦體后,由于未對采空區(qū)進行及時處理,采空區(qū)的形成擾動了地質體的外部環(huán)境,原巖中的初始地應力重新分布轉移,空區(qū)周邊圍巖及地表巖土層以采空區(qū)為導向空間,發(fā)生了指向采空區(qū)的巖體移動,導致空區(qū)頂板在自重及上覆巖層的作用下產生連續(xù)的移動和變形,且各空區(qū)頂板的最大沉陷位移隨空區(qū)形態(tài)、暴露面積的不同而不同。計算結果表明,在現(xiàn)有的80個采空區(qū)中,沉陷位移大于10cm的空區(qū)有39個,沉陷位移為5~10cm的有29個,沉降位移小于5cm的空區(qū)有12個,其中沉陷位移小于10cm的空區(qū)主要為采空區(qū)體積、頂板暴露面積相對較小、頂板形態(tài)為拱形或埋深較小的空區(qū)。1.2.2周邊應力場分布圖3、圖4是現(xiàn)有空區(qū)條件下,各空區(qū)潛在危險截面的最小主應力、最大主應力統(tǒng)計圖。從圖3可看出,礦體開挖后形成的采礦空間對礦房頂?shù)字暗V柱的應力環(huán)境改變較大,且由于各空區(qū)賦存的實際空間位置、空區(qū)形態(tài)及開挖后的應力場分布等條件不同,各空區(qū)的最小主應力值分布較散亂,少數(shù)空區(qū)最小主應力為正值,表明在空區(qū)周邊圍巖中存在拉應力區(qū),但最大值均在0.5MPa以下。由圖4可知,采空區(qū)的存在使得空區(qū)周邊礦柱中出現(xiàn)壓應力集中,最大值達13.65MPa。圖5、圖6是73#空區(qū)的礦體開挖后周邊的應力場分布情況。由圖可知,由于采用空場法開采礦體后未采取相關措施控制頂?shù)装寮爸苓厙鷰r的巖體移動,采空區(qū)直接懸空頂板的部分自重應力傳遞到周邊未采動的巖體,使得頂板發(fā)生類似彈性恢復那樣的膨脹變形,在頂板巖層形成減壓區(qū),造成頂板出現(xiàn)拉應力區(qū),而兩幫圍巖由于受頂板傳遞的上覆巖體自重應力形成增壓區(qū),使得礦柱中存在明顯的壓力集中,其最大拉應力、最大壓應力值分別為0.5,10.9MPa。2采空區(qū)風險判定采礦與巖土工程領域中的巖體破壞判據(jù)主要有巖石強度理論及容許極限位移量破壞判據(jù)等。根據(jù)數(shù)值模擬計算結果,采空區(qū)周邊圍巖中的最大壓應力及最大拉應力值均在巖體的極限強度范圍內,而采場頂板的位移量較大,因此采用容許極限位移量破壞判據(jù)對采空區(qū)的安全性進行判定。容許極限位移量是指在采場硐室不產生有害松動以及地表不出現(xiàn)有危害的開采沉陷的條件下,從采場開挖到變形穩(wěn)定為止,采場圍巖頂板或底板最大容許的下沉量或底臌量。根據(jù)礦山地下采場大跨度開挖不支護或零時支護條件下的實際經驗,運用容許極限位移量破壞判據(jù)對該礦山井下80個空區(qū)的安全性進行判定,位移量及其空區(qū)安全性狀況見表2。對于頂板沉陷位移大于10cm的空區(qū),應立即處理;下沉位移為5~10cm的空區(qū),若要繼續(xù)使用,必須進行加固處理;下沉位移小于5cm的空區(qū),應加強監(jiān)控,并在發(fā)生險情的第一時間對其進行加固處理。3研究的價值依據(jù)(1)結合現(xiàn)場CMS三維空區(qū)探測及地表地層數(shù)據(jù)建立了精確的三維地質模型,應用有限元軟件分析了采空區(qū)周邊圍巖的應力場、位移場分布,獲得了各空區(qū)礦體開挖后頂板最大沉陷位移及周邊圍巖的最大拉應力、最大壓應力值。(2)應用容許極限位移量破壞判據(jù),判定了采空區(qū)的安全性狀況,為后續(xù)的采空區(qū)綜合治理方案研