鄭開(kāi)歡，羅周全，江 宏，汪 偉，秦亞光，孟 坤，文 磊，謝承煜

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湘潭大學(xué)能源工程學(xué)院，湖南 湘潭 430081)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源的日益枯竭，如何安全高效地開(kāi)采隱患資源已成為采礦工程領(lǐng)域中日益凸顯的重大問(wèn)題。所謂隱患資源是指受自然條件和人為因素影響的安全環(huán)境復(fù)雜、資源開(kāi)采回收率較低的一種難采資源[1-2]。地下礦山開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生采空區(qū)，若空區(qū)處理不當(dāng)導(dǎo)致垮塌，會(huì)引起圍巖下沉、礦巖體結(jié)構(gòu)破壞和硐室失穩(wěn)等一系列的復(fù)雜工程問(wèn)題，給周邊礦體的開(kāi)采帶來(lái)重大安全隱患[3-7]，這種受空區(qū)垮塌影響的礦體就屬于典型的隱患資源。為了安全回收這些隱患資源，必須確定垮塌區(qū)范圍以及垮塌區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙、空洞、斷層等隱患結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)，從而采取針對(duì)性的處理措施。前人對(duì)于這類隱患資源的開(kāi)采也進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，并取得了一些研究成果。陳慶發(fā)等[8]在現(xiàn)有采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念的基礎(chǔ)上，引入?yún)f(xié)同理念，提出“協(xié)同開(kāi)采”概念。以某礦多空區(qū)條件下碎裂資源的開(kāi)采為例，開(kāi)展協(xié)同開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用研究，發(fā)明采礦環(huán)境再造分層分條中深孔落礦采礦法，完成了主要礦層的協(xié)同開(kāi)采方案設(shè)計(jì)。劉偉強(qiáng)[9]利用數(shù)值模擬方法對(duì)某礦21#盲采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)確定空區(qū)暴露面積上限，采取設(shè)置人工礦柱的方式對(duì)隱患資源順序回采，并配合相應(yīng)的地壓監(jiān)測(cè)措施，保障隱患資源回收安全進(jìn)行。張寶等[10]采用數(shù)值模擬方法分析計(jì)算礦體開(kāi)采后采空區(qū)群內(nèi)留存礦柱的穩(wěn)定性狀況，提出采用強(qiáng)制放頂崩落法處理典型巨大規(guī)模復(fù)雜采空區(qū)群，并回收空區(qū)群內(nèi)的隱患資源。上述針對(duì)礦山隱患資源回收的研究涉及改變開(kāi)采工藝、數(shù)值模擬、力學(xué)分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方面，但均未將隱患結(jié)構(gòu)的處理作為研究重點(diǎn)。對(duì)于垮塌區(qū)內(nèi)的礦體回采而言，礦巖體穩(wěn)定性是直接關(guān)系開(kāi)采安全的最重要問(wèn)題，而對(duì)隱患結(jié)構(gòu)的探查和加固直接關(guān)系到礦巖體穩(wěn)定性，因此具有很高的研究?jī)r(jià)值。本文首先采用數(shù)值模擬方法分析采空區(qū)垮塌過(guò)程，確定垮塌滑移線位置和垮塌區(qū)域的大致范圍，提出相應(yīng)的采動(dòng)垮塌機(jī)理，然后在垮塌區(qū)邊緣采場(chǎng)掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測(cè)，對(duì)位于垮塌區(qū)一側(cè)的巷道圍巖的隱患結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析，最后通過(guò)往垮塌區(qū)打鉆孔的方式對(duì)超前探測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證并注漿加固，提出了對(duì)垮塌區(qū)域隱患結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)探查和有效控制的一整套研究方法，為垮塌區(qū)影響范圍內(nèi)隱患資源的回收提供了一條有效的途徑。

1 采空區(qū)垮塌機(jī)理

1.1 垮塌區(qū)成因

某地下礦山采用充填采礦法采礦，其垮塌區(qū)域垮塌前的剖面圖如圖1所示。采場(chǎng)寬度7～8 m，硐室高度4 m。0#采空區(qū)高程-298.3～-275.5 m，埋深約400 m，高22.8 m，寬7.5 m，長(zhǎng)60 m。0#采空區(qū)礦體爆破完畢后，因礦石結(jié)塊嚴(yán)重出礦困難，致使出礦不及時(shí)，采空區(qū)暴露時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致兩幫充填體跨幫以及頂部礦體冒落，周邊的相鄰采場(chǎng)也出現(xiàn)了大面積失穩(wěn)現(xiàn)象，使該區(qū)段成為了隱患區(qū)域。為了安全開(kāi)采0#采空區(qū)南側(cè)的S1-2#采場(chǎng)，有必要查清S1-2#采場(chǎng)周邊隱患結(jié)構(gòu)的分布情況，以便在開(kāi)采前采取針對(duì)性的加固處理措施。

圖1 垮塌區(qū)剖面圖Fig.1 The profile map in collapse area

1.2 采動(dòng)垮塌機(jī)理

1.2.1數(shù)值分析模型構(gòu)建

根據(jù)主礦體發(fā)生垮塌時(shí)候的開(kāi)采現(xiàn)狀圖構(gòu)建數(shù)值分析模型進(jìn)行等效平面應(yīng)變分析，模型X、Y、Z方向的尺寸分別為200 m、1 m、200 m，見(jiàn)圖2，包括充填體、礦體、硐室、0#采空區(qū)四個(gè)分組。本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，然后完成材料參數(shù)賦值、網(wǎng)格劃分(共40 000個(gè)單元，80 802個(gè)節(jié)點(diǎn))、邊界條件施加(模型上部邊界施加均布荷載，荷載值等于模型上覆巖體的自重應(yīng)力8.24 MPa；下部邊界采用固定位移約束；水平方向施加坐標(biāo)軸方向的位移約束)、初始地應(yīng)力生成。對(duì)礦體和充填體做了概化處理，假設(shè)模擬的材料為各向同性，且為連續(xù)均勻的介質(zhì)。對(duì)充填體和礦體現(xiàn)場(chǎng)取樣后進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)折減，所得礦巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 垮塌區(qū)域模型Fig.2 Collapse area model

礦巖體名稱密度ρ/(kg·m-3)體積模量K/GPa剪切模量G/GPa黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)抗拉強(qiáng)度σt/MPa充填體1 7200.310.220.3837.420.43礦體3 4609.085.453.5638.132.1

1.2.2采空區(qū)垮塌過(guò)程分析

采空區(qū)豎向應(yīng)力等值線見(jiàn)圖3，由于空區(qū)開(kāi)挖導(dǎo)致0#采空區(qū)兩幫充填體內(nèi)部均出現(xiàn)了高豎向應(yīng)力區(qū)域?？諈^(qū)兩幫距離空區(qū)邊界越近的充填體變形越大，應(yīng)力釋放越充分，因此兩幫充填體與空區(qū)邊界距離越近，豎向應(yīng)力越小。頂板礦體則主要在自重應(yīng)力作用下出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)域。采空區(qū)總位移等值線及位移矢量見(jiàn)圖4，可見(jiàn)0#采空區(qū)左幫充填體中上部位移值最大，右?guī)统涮铙w中部位移值最大，說(shuō)明垮塌首先從左幫充填體中上部和右?guī)统涮铙w中部開(kāi)始?？諈^(qū)頂板及上部礦體位移方向一致朝下且大小基本相等，說(shuō)明空區(qū)上部礦體發(fā)生了整體均勻下沉。圖5中0#采空區(qū)左右兩幫充填體中存在成片剪切破壞單元，也表明破壞主要發(fā)生在兩幫充填體。事實(shí)上，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員觀測(cè)，0#采場(chǎng)開(kāi)挖之后，在采空區(qū)兩幫中上部位置處最先出現(xiàn)滑動(dòng)、彎折傾倒破壞及塊石垮落，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果是基本一致的。根據(jù)圖5中由垮塌區(qū)域塑性區(qū)分布確定的0#采空區(qū)滑移線，從0#采空區(qū)北側(cè)N2#采場(chǎng)到南側(cè)S1#采場(chǎng)都處于垮塌影響范圍之內(nèi)，而S1-2#采場(chǎng)正處于垮塌區(qū)的邊緣，為確保開(kāi)采安全，有必要進(jìn)一步查明S1-2#采場(chǎng)周邊隱患結(jié)構(gòu)分布情況。為此，在S1-2#采場(chǎng)約-263 m標(biāo)高處掘進(jìn)探測(cè)巷道進(jìn)行超前探測(cè)、鉆探驗(yàn)證以及注漿加固。

圖3 采空區(qū)豎向應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of vertical stress in goaf area

圖5 垮塌區(qū)域塑性區(qū)分布及滑移線Fig.5 Distribution of plastic zone and slip line in collapse area

1.2.3采空區(qū)采動(dòng)垮塌機(jī)理

采空區(qū)的破壞模式和演化機(jī)理是采動(dòng)垮塌力學(xué)分析的核心問(wèn)題之一[11]。0#采空區(qū)垮塌的實(shí)際地質(zhì)模型非常復(fù)雜，且影響和控制垮塌的條件也很多。本著刪繁就簡(jiǎn)的原則，擇其主要影響因素，剔除次要因素，并結(jié)合基本原理，追蹤垮塌演化進(jìn)程，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，只從影響垮塌的最基本條件入手進(jìn)行分析研究[12]，建立簡(jiǎn)化、理想化的理論力學(xué)模型。采動(dòng)失穩(wěn)垮塌常常先是產(chǎn)生局部的破壞然后再促成整體的失穩(wěn)垮塌。結(jié)合垮塌過(guò)程數(shù)值模擬分析結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)研究成果[13-14]，可將靠近采空區(qū)處的礦巖體或充填體分解成“兩幫多個(gè)平動(dòng)的三角形體”加“兩幫轉(zhuǎn)動(dòng)圓弧體”加“頂板楔形垮塌體”加“上部整體下沉”的破壞模式[13]。而對(duì)于N0#采場(chǎng)以北和S0#采場(chǎng)以南采場(chǎng)的垮塌過(guò)程分析，其關(guān)鍵是假定滑移面的形狀[14]，此處可假設(shè)成直線，如圖6所示。圖中FGJH為0#采空區(qū)，e為未出礦石對(duì)兩幫充填體提供的支撐力。爆破完畢之后的出礦過(guò)程中，支撐力將逐漸減小，三角形區(qū)域FC1C2、FC2C3…FCn-1Cn和GD1D2、GD2D3…GDn-1Dn內(nèi)的充填體首先發(fā)生向空區(qū)方向的平動(dòng)。扇形區(qū)域BFC1和EGD1內(nèi)的充填體隨之分別以F、G為圓心發(fā)生圓弧形轉(zhuǎn)動(dòng)。楔形區(qū)域ABFGE內(nèi)的礦體和充填體也開(kāi)始出現(xiàn)垮塌。受此影響，N0-1#、N1#、N1-2#、N2#以及S0-1#付，S1#付，S1#付-1#，S1#采場(chǎng)相繼沿著直線型滑移面發(fā)生整體條形滑動(dòng)，與此同時(shí)，上部采場(chǎng)也會(huì)隨著下部垮塌而出現(xiàn)下沉，最終形成大面積失穩(wěn)垮塌。綜上所述，0#采空區(qū)采動(dòng)垮塌機(jī)理可以概括為“兩幫下部三角形平動(dòng)-兩幫上部圓弧形轉(zhuǎn)動(dòng)-頂板楔形垮塌-兩側(cè)采場(chǎng)條形滑移-上部采場(chǎng)整體下沉”。

圖6 采空區(qū)采動(dòng)垮塌機(jī)理示意圖Fig.6 Mining collapse mechanism of goaf

2 垮塌區(qū)隱患結(jié)構(gòu)超前探測(cè)與鉆探驗(yàn)證

2.1 探測(cè)巷道及探查鉆孔布置

采用TRT6000超前探測(cè)系統(tǒng)對(duì)垮塌區(qū)內(nèi)礦巖體隱患結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，該超前探測(cè)系統(tǒng)以三維立體圖的形式顯示探測(cè)結(jié)果。綜合考慮該超前探測(cè)系統(tǒng)的有效探測(cè)距離以及探測(cè)礦巖體完整性，三維立體圖尺寸參數(shù)取為長(zhǎng)140 m，寬40 m，高40 m，其平面探測(cè)范圍見(jiàn)圖7。圖中采場(chǎng)輪廓線和探測(cè)巷道輪廓線為-263 m高程處的實(shí)測(cè)輪廓線，探測(cè)巷道寬度約4 m。巷道超前探測(cè)完成以后，繼續(xù)掘進(jìn)探測(cè)巷道與已有天井聯(lián)通，在探測(cè)巷道內(nèi)取5個(gè)垂直于巷道中心線的剖面往垮塌區(qū)一側(cè)打垂直于巷道中心線的鉆孔，對(duì)超前探測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也作為后續(xù)注漿的鉆孔來(lái)使用。5個(gè)剖面分別位于掌子面后方17.3 m、掌子面后方5.3 m、掌子面前方2.7 m、掌子面前方12.7 m、掌子面前方18.7 m，剖面編號(hào)分別為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5。

2.2 超前探測(cè)結(jié)果分析及鉆孔驗(yàn)證

2.2.1超前探測(cè)結(jié)果鉆孔驗(yàn)證

TRT 6000超前探測(cè)三維立體圖如圖8所示。圖中拱圈所示部分為探測(cè)巷道，紅色點(diǎn)標(biāo)記位置為錘擊震源點(diǎn)位，藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)記位置為傳感器點(diǎn)位，靠近錘擊震源點(diǎn)位的一端巷道最邊上的一個(gè)拱圈為探測(cè)巷道掌子面，每個(gè)方格表示地層距離為10 m。一般從側(cè)視圖、俯視圖等三維視圖展開(kāi)分析，保證對(duì)反射圖像的全面精準(zhǔn)解釋[15]。

圖7 超前探測(cè)范圍及鉆孔剖面位置Fig.7 The range of advanced detection and location of drilling profile

圖8 巷道周圍巖體超前探測(cè)圖。(a)俯視圖; (b)側(cè)視圖Fig.8 The advanced detection results of rock mass around the tunnel: (a) top view; (b) side view

巷道周圍巖體超前探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。為了重點(diǎn)研究位于垮塌區(qū)一側(cè)巷道圍巖的隱患結(jié)構(gòu)，僅顯示部分三維圖像。從俯視圖可以看出，在探測(cè)巷道中心線北側(cè)約2～17 m、掌子面后方約5～17 m范圍內(nèi)，反射能量較強(qiáng)，正負(fù)反射交替，推測(cè)為節(jié)理裂隙較發(fā)育區(qū)域。剖面1-1和剖面2-2均處于掌子面后方5～17 m范圍內(nèi)，其鉆孔探查剖面圖見(jiàn)圖10(a)和圖10(b)。圖中鉆孔用不同顏色段顯示探查所得鉆孔巖芯情況，其中紅色段代表礦體，藍(lán)色段代表碎渣，綠色段代表空洞，無(wú)色段代表充填體。可見(jiàn)剖面1-1的鉆孔在探測(cè)巷道中心線北側(cè)約3～10 m范圍內(nèi)存在碎渣，剖面2-2的鉆孔在探測(cè)巷道中心線北側(cè)約5～10 m范圍內(nèi)存在碎渣和空洞，表明該范圍內(nèi)充填體較為破碎，存在較多節(jié)理裂隙。鉆孔實(shí)測(cè)所得隱患結(jié)構(gòu)分布范圍小于超前探測(cè)結(jié)果，這是由于鉆孔剖面數(shù)量有限，難以反應(yīng)垮塌區(qū)隱患結(jié)構(gòu)分布全貌。總體上看，鉆孔實(shí)測(cè)與巷道地質(zhì)超前探測(cè)結(jié)果基本一致。

巷道掌子面前方巖體超前探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。結(jié)合俯視圖和側(cè)視圖可以看到，在掌子面前方0～20 m范圍內(nèi)，巷道中心線北側(cè)約2～20 m區(qū)域存在正負(fù)反射交替，反射圖形較分散，推測(cè)為節(jié)理裂隙較發(fā)育區(qū)域。剖面3-3、剖面4-4和剖面5-5處于掌子面前方0～20 m范圍內(nèi)，根據(jù)圖10(c)、圖10(d)和圖10(e)所示，剖面3-3的鉆孔在巷道中心線北側(cè)約6～33 m范圍內(nèi)、剖面4-4的鉆孔在巷道中心線北側(cè)約4～33 m范圍內(nèi)、剖面5-5的鉆孔在巷道中心線北側(cè)約2～30 m范圍內(nèi)均存在碎渣和空洞，表明該范圍內(nèi)充填體較為破碎，存在較多節(jié)理裂隙。鉆孔實(shí)測(cè)范圍大于超前探測(cè)范圍，在巷道中心線北側(cè)2～20 m范圍內(nèi)，鉆孔實(shí)測(cè)所得隱患結(jié)構(gòu)分布范圍與超前探測(cè)結(jié)果基本一致。

圖9 巷道掌子面前方巖體超前探測(cè)圖Fig.9 The advanced detection results of rock mass before the tunnel face

2.2.2數(shù)值模擬結(jié)果鉆孔驗(yàn)證

圖10中各剖面黑色曲線為前節(jié)分析中所得滑移線的位置，從圖10(c)、圖10(d)和圖10(e)中可以看出，滑移線均從空洞分布區(qū)域內(nèi)部或附近通過(guò)，而且空洞主要分布于S1-2#采場(chǎng)北側(cè)區(qū)域，表明通過(guò)數(shù)值模擬方法確定的滑移線位置和垮塌范圍是基本準(zhǔn)確的。通過(guò)對(duì)探明隱患結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的注漿加固，垮塌區(qū)地質(zhì)體巖體質(zhì)量得到了明顯提高，隱患資源開(kāi)采環(huán)境極大改善。目前，S1-2#采場(chǎng)東部位于滑移線以下的高約21 m(高程-284～-263 m)、長(zhǎng)約30 m的部分礦體已經(jīng)安全完成回采和充填，西部部分礦體正在開(kāi)采。

圖10 鉆孔剖面圖Fig.10 Borehole profile map

3 結(jié)論

(1)兩幫為充填體、上部為礦體的采場(chǎng)開(kāi)挖后，豎向應(yīng)力會(huì)向兩幫充填體發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致兩幫充填體成為高應(yīng)力承壓區(qū)域，充填體在豎向應(yīng)力作用下容易發(fā)生剪切破壞，并首先從空區(qū)兩幫中上部位置發(fā)生側(cè)向垮塌，因此，采場(chǎng)開(kāi)挖后應(yīng)重點(diǎn)對(duì)兩幫充填體中部到中上部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)垮塌破壞征兆并采取相應(yīng)的安全措施。

(2)采空區(qū)兩幫中上部充填體發(fā)生側(cè)向垮塌后，垮塌范圍會(huì)從空區(qū)兩幫中上部逐漸向周圍擴(kuò)展，同時(shí)，空區(qū)應(yīng)力釋放導(dǎo)致上部礦體失去支撐，由于上部礦體強(qiáng)度較高，其破壞形式主要表現(xiàn)為整體下沉，直至垮塌區(qū)形成新的力學(xué)平衡，其采動(dòng)垮塌機(jī)理可以概括為“兩幫下部三角形平動(dòng)-兩幫上部圓弧形轉(zhuǎn)動(dòng)-頂板楔形垮塌-兩側(cè)采場(chǎng)條形滑移-上部采場(chǎng)整體下沉”。

(3)地下礦山采空區(qū)垮塌后產(chǎn)生的隱患結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)空區(qū)周邊采場(chǎng)的開(kāi)采工作帶來(lái)極大的安全隱患。首先通過(guò)數(shù)值模擬確定采動(dòng)垮塌區(qū)域滑移線位置和垮塌范圍，然后在垮塌區(qū)域開(kāi)展超前探測(cè)進(jìn)一步探明隱患結(jié)構(gòu)分布狀況，最后通過(guò)鉆探對(duì)數(shù)值模擬和超前探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并注漿加固，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垮塌區(qū)域隱患結(jié)構(gòu)的精確探查和控制，從而確保開(kāi)采安全。該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)垮塌區(qū)邊緣采場(chǎng)的安全回采，對(duì)垮塌區(qū)內(nèi)部采場(chǎng)的安全回采同樣具有很高的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。