覃敏 ,黃英華 ,劉暢
(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410012)
巖體在礦山開采之前處于原巖應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)?shù)V山進(jìn)行一系列井下采掘活動時會打破巖體已形成的應(yīng)力平衡,引起巖體變形、破壞。對于有些大型地下礦山,由于采空區(qū)比較多或比較大,暴露時間較長,加之風(fēng)化、雨水侵蝕等破壞,就會導(dǎo)致采空區(qū)破壞、失穩(wěn),大量巖石冒落,嚴(yán)重時可能會引起連鎖反應(yīng),垮塌至地表,同時伴隨沖擊波和礦震,造成的影響非常大。礦山的安全事故主要類型即為采空區(qū)失穩(wěn)、垮塌,一旦發(fā)生都會造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。國內(nèi)許多學(xué)者針對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了多方面的研究,杜坤等[2]基于物元分析理論建立采空區(qū)各種影響因子的綜合評價方法;宮鳳強(qiáng)等[3]基于未確知測度理論建立了礦山采空區(qū)的危險(xiǎn)性等級評價體系;彭剛劍 等[4]基于距離判別法建立了采空區(qū)塌陷預(yù)測的距離判別模型等。由于巖體的多異性和復(fù)雜性,對采空區(qū)的穩(wěn)定性研究還有許多方面值得探索。
采用空場法開采的礦山大多通過留設(shè)點(diǎn)柱或條形礦柱來管理地壓,以免采空區(qū)失穩(wěn)。如果礦體厚度較大,需要采用分層或者分段開采,而各分層或各分段之間會留設(shè)一定厚度的隔層保安礦柱[5]。在上分層或分段礦體被開采后,上下巖層之間主要通過礦柱來傳遞荷載,不同采空區(qū)重疊方式載荷作用傳遞方式也不同,一般根據(jù)重疊方式的不同分為3種,即由下層礦柱完全承擔(dān)、隔層保安礦柱完全承擔(dān)或者兩者共同承擔(dān)。多層重疊采空區(qū)按各層礦柱的重疊方式可以簡化為3種情況[6],即完全對齊、不完全對齊、完全不對齊3種,如圖1所示,礦山以圖1(b)完全不對齊方式居多。
圖1 多層復(fù)合開采時礦柱重疊方式
(1)當(dāng)上下層礦柱完全對齊時,即重疊率100%,如圖1(a)所示,上覆巖層的載荷基本上能通過礦柱進(jìn)行有效傳遞。
(2)當(dāng)上下層礦柱不完全對齊如圖1(b)所示時,覆巖層的載荷由下層礦柱和隔層保安礦柱共同承擔(dān)。若上下層礦柱重疊率較低時,下層礦柱受力較少而隔層保安礦柱受力就會比較大,此時易引發(fā)隔層保安礦柱拉伸或剪切破壞。
(3)上下層礦柱完全不對齊,即重疊率為0時,上層礦柱幾乎全部直接壓在下層采空區(qū)的隔層保安礦柱上,如圖1(c)所示,若隔層保安礦柱厚度較小,易導(dǎo)致隔層保安礦柱破壞失穩(wěn)。
重疊采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素主要是上下層礦柱和中間的隔層保安礦柱,當(dāng)上下層礦柱重疊部分較多時,隔層保安礦柱受力減少,反之,其受力增加。根據(jù)載荷傳遞規(guī)律及彈性力學(xué)小變形薄板理論分析方法對重疊采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。上下層重疊部分礦柱是可以承擔(dān)上部載荷作用力的,重疊部分越多,承擔(dān)作用力越大,其表達(dá)式為:
上下層重疊部分達(dá)到最大,即完全重合,那么隔層保安礦柱所要承受的是均布荷載,表達(dá)式為:
上下層重疊部分達(dá)到最小,即完全不重合,那么隔層保安礦柱所要承受的上覆巖層的垂直載荷,其計(jì)算公式為:
式中,qc、qn為隔層承受的載荷,MPa;γ為平均容重,kN/m3;h為隔層保安礦柱厚度,m;hf為上分層礦房頂板垮落高度,m;H為上分層開采深度,m。
則當(dāng)上下礦柱部分對齊情況下,隔層保安礦柱所要承受的上覆巖層的載荷,其計(jì)算公式為:根據(jù)彈性力學(xué)小變形薄板理論,作用在隔層保安礦柱上的載荷為q,其最大主應(yīng)力為:
根據(jù)H.Tresca屈服準(zhǔn)則,當(dāng)頂板的危險(xiǎn)點(diǎn)產(chǎn)生剪切屈服時,該點(diǎn)的主應(yīng)力滿足下式:
將式(5)代入式(6),得到隔層保安礦柱的最大剪應(yīng)力:
式中,ν為泊松比;Lx、Ly分別為隔層保安礦柱的寬度和長度,其中h=min(Lx,Ly)。
綜上,根據(jù)載荷傳遞規(guī)律及彈性力學(xué)小變形薄板理論分析方法可知,重疊采空區(qū)隔層保安礦柱的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算公式為:
為了保證隔層保安礦柱不發(fā)生破斷失穩(wěn),要求隔層保安礦柱最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力小于隔層保安礦柱巖體的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,即:
安石坑礦區(qū)為福建省海峽水泥股份有限公司下屬的礦石原料供應(yīng)基地[7],以灰?guī)r礦開采為主,采用淺孔房柱法開采多年,形成了一定規(guī)模的采空區(qū),主要分布在830m中段、810m中段、790m中段、760m中段等中段。據(jù)統(tǒng)計(jì),礦山共形成了51個采空區(qū),總暴露面積約105756m2,總體積約100萬m3,大多數(shù)采空區(qū)跨度為14~20m,長度為20~80m,平均高度為8~18m,且有的相鄰采空區(qū)已采穿,甚至有采空區(qū)貫通了3個中段。針對安石坑采空區(qū)分布情況和開采現(xiàn)狀,僅從平面上對采空區(qū)頂板跨度[8]、頂板暴露面積和礦柱安全系數(shù)[9?10]來分析其穩(wěn)定性是不夠的,對于復(fù)雜多層采空區(qū)需要分析其空間結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性,因此,本工程基于小變形薄板理論來研究多層采空區(qū)的穩(wěn)定性。
建立采空區(qū)三維模型可以直觀觀察采空區(qū)形態(tài)特征,也能夠較為準(zhǔn)確地反映采空區(qū)相互之間的空間關(guān)系,為采空區(qū)穩(wěn)定性分析打好基礎(chǔ)[11]。
根據(jù)礦山提供的實(shí)測平面圖紙和測量數(shù)據(jù)可知,礦山采空區(qū)共有51個,大多數(shù)采空區(qū)跨度為10~20m,高度為8~20m,總暴露面積約105756m2,總體積約100萬m3。采空區(qū)分布在830m中段、810m中段、790m中段和760m中段,其中810m
中段最多,共20個,830m中段最少,共2個。采空區(qū)模型高度為其采空區(qū)的平均高度,運(yùn)用礦山三維軟件對安石坑礦區(qū)灰?guī)r礦的采空區(qū)進(jìn)行三維構(gòu)建,形成三維空間立體模型[12],采空區(qū)三維模型如圖2所示。
圖2 灰?guī)r礦采空區(qū)三維模型
對建好的采空區(qū)三維模型,首先要確定多層重疊采空區(qū)的存在區(qū)域,然后分析灰?guī)r礦采空區(qū)的賦存特征。由圖2可知,礦山存在多層重疊采空區(qū),主要集中在810m中段、790m中段和760m中段,因而,可以對安石坑多層重疊采空區(qū)劃分4個剖面來分析上下層采空區(qū)的穩(wěn)定性。剖面線劃分位置如圖3所示,各剖面圖如圖4~圖7所示。
由圖4可知,1#線剖面中810~790m水平存在采空區(qū)部分重疊。
由圖5可知,2#線剖面中830~810m水平存在采空區(qū)部分重疊,810~790m水平存在采空區(qū)部分重疊。
由圖6可知,3#線剖面中810~790m水平存在采空區(qū)部分重疊,790~760m水平存在采空區(qū)部分重疊。
圖3 灰?guī)r礦剖面線劃分位置
圖4 灰?guī)r礦1#線剖面
圖5 灰?guī)r礦2#線剖面
由圖7可知,4#線剖面中810~790m水平存在采空區(qū)部分重疊,790~760m水平存在采空區(qū)部分重疊。
圖6 灰?guī)r礦3#線剖面
圖7 灰?guī)r礦4#線剖面
由試驗(yàn)結(jié)果可知,該礦山灰?guī)r巖體強(qiáng)度為12.72 MPa,容重為26.73 kN/m3,礦柱高度為8~20m,抗拉強(qiáng)度為0.34 MPa,抗剪強(qiáng)度為1.1 MPa,泊松比為0.32。另外根據(jù)初步設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合礦山實(shí)測圖紙,隔層保安礦柱寬度取值為15m,高度、長度取剖面圖位置上實(shí)際數(shù)值。由圖5可知,2#線剖面位置上830m水平、810m水平和790m水平之間存在大面積采空區(qū)重疊,760m水平采空區(qū)重疊面積小且距離較遠(yuǎn),基本無影響。
(1)830~810m水平采空區(qū)重疊部分1號隔層保安礦柱,根據(jù)實(shí)測圖數(shù)據(jù)分析可知,隔層保安礦柱最小厚度為3m,長度為59.43m,上層采空區(qū)最大高度為9m,礦柱重疊率為1。經(jīng)計(jì)算,隔層保安礦柱的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為1.19 MPa、0.98 MPa,其拉應(yīng)力大于巖體抗拉強(qiáng)度,說明該隔層保安礦柱不穩(wěn)定,存在拉伸破壞的風(fēng)險(xiǎn),可能導(dǎo)致上層采空區(qū)失穩(wěn)。
(2)810~790m水平采空區(qū)重疊部分2號隔層保安礦柱,根據(jù)實(shí)測圖數(shù)據(jù)分析可知,隔層保安礦柱最小厚度為8.99m,長度為44.14m,上層采空區(qū)最大高度為11m,礦柱重疊率為33.4%。經(jīng)計(jì)算,隔層保安礦柱的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為1.36 MPa、0.94 MPa,其拉應(yīng)力大于巖體抗拉強(qiáng)度,說明該隔層保安礦柱不穩(wěn)定,存在拉伸破壞的風(fēng)險(xiǎn),可能導(dǎo)致上層采空區(qū)失穩(wěn)。
(3)采空區(qū)830m-2、810m-12、810m-10和790m-9已經(jīng)貫通。
因此,2#線剖面位置1號、2號隔層保安礦柱都可能發(fā)生拉伸破壞,從而可能引發(fā)采空區(qū)830m-2、810m-15、810m-13、810m-12、810m-10發(fā)生連鎖垮塌。同樣,從其他剖面分析可知,1#線剖面位置不會發(fā)生隔層保安礦柱失穩(wěn)、垮斷,也不會發(fā)生上下分層采空區(qū)連鎖垮塌;3#線剖面位置1號和2號隔層保安礦柱可能會發(fā)生失穩(wěn)、垮斷,從而可能引發(fā)采空區(qū)810m-14、810m-11、810m-10、810m-6發(fā)生連鎖垮塌;4#線剖面位置1號和2號隔層保安礦柱都可能會發(fā)生失穩(wěn)、垮斷,從而可能引發(fā)采空區(qū)810m-4、810m-5、790m-6發(fā)生連鎖垮塌。
地下礦山通常采用多中段強(qiáng)化開采,形成多層采空區(qū)比較普遍,上層采空區(qū)除了自身影響因素外,還受到隔離保安礦柱和下層采空區(qū)的穩(wěn)定性影響[13]。而以往對采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)分級只停留在單個層面上,即分析采空區(qū)頂板跨度、頂板暴露面積和礦柱安全系數(shù)來評估采空區(qū)的穩(wěn)定性,存在一定的片面性。本文基于彈性力學(xué)小變形薄板理論,構(gòu)建采空區(qū)三維模型,劃分有效剖面對采空區(qū)空間穩(wěn)定性進(jìn)行應(yīng)用研究,具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。