影响采空区稳定性因素分析

摘要：洛钼集团矿山公司所开采的三道庄钨钼矿床是一个特大型的钨钼矿，90年代前，由于进行大规模的地下开采，形成了大量的地下采空区，优其是东南部较大空区，从去年发生一次小规模的塌落以来，一直未能进行正常的开采。穿孔设备无法进行正常的作业，严重影响了生产的正常进行。所以对采空区稳定性因素进行深入分析以入其空间位置的探测和力学性质等的研究就优为重要。

关键词：露天开采；采空区；岩石稳定性；应力分析

Abstract: The perforation device can not be a normal job, seriously affecting the normal production. Goaf stability factors in-depth analysis into the spatial location of the detection and mechanical properties of the research on gifted was important.Key words: open-pit mining; goaf; rock stability; stress analysis

中图分类号：TD851 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

1.引言

三道庄钨钼矿区是地下采矿转露采的典型矿山，上世纪80年代初至90年代末，由于地下无序开采，滥采滥挖，把我一个完整的三道庄钼矿区挖得是千疮百孔。井下采场开挖后，其周围岩体应力发生变化，应力将重新分布，在采场的各个方向将发生不同程度的位移状况和屈服状况，给后来的露天采矿带来许多安全隐患。在开采过程中安全有效的采空区处理是必须超前进行的。

2.井下采空区围岩应力、位移及屈服状态的一般规律如下：

2.1. 采空区顶、底板及帮壁为拉应力集中部位，采空区帮壁与顶底板的交接处（采空区上下边角处）为压应力和剪应力集中部位。最大拉应力出现于采空区顶板中央处，最大压应力和最大剪应力出现于采空区边角处。顶板拉应力的存在是导致采空区失稳的重要原因。

2.2.井下采场开挖后，位移指向采空区，即顶板下沉，底板上移；最大位移值出现于采场顶板中央处。

2.3. 采空区帮壁与顶底板的交接处为岩体屈服部位，岩体屈服程度随采空区大小和顶板岩层厚度变化而不同。

3.影响采空区稳定性的主要因素有采空区长度、宽度、高度、顶板岩层厚度、台阶自由面、外载荷及岩体自身条件等，下面对其影响程度分别进行分析。

3.1. 岩体自身条件对空区稳定性的影响

岩体自身条件对采空区稳定性的影响最为直接。当岩性或者岩体质量发生变化时，对采空区稳定性的影响很大。三道庄露天采场有三种主要岩性，即透辉石斜长石角岩、矽卡岩和石英角岩，三者的力学强度不一，但其单轴抗拉强度都比较高，达到190Mpa以上，属于极稳固岩体。

然而对于岩体质量好坏，断层、构造带及结构对岩体质量的影响非常大，有破碎带处空区极易产生自然塌方。因此，有破碎带穿过的高危空区应重点防范。

3.2. 采空区长度对空区稳定性的影响

根据采空区顶板拉应力受力分析，随着采空区长度尺寸的增大，空区顶板内最大拉应力、最大压应力和最大剪应力均呈逐渐增大趋势；当空区长度达到空区宽度3倍之后，应力增加不明显，当空区长度达到空区宽度4倍之后，最大应力几乎不再变化。然而，空区长度的增加使得空区上下盘围岩帮壁的暴露面积加大，因此，采场长度的增加势必增加空区两帮片帮垮塌的可能。

3.3. 采空区跨度对空区稳定性的影响

井下采场开挖后，位移指向采空区，即顶板下沉，底板上移，最大位移值出现于采场顶板中央处。采空区顶、底板及帮壁为拉应力集中部位，采空区帮壁与顶底板的交接处（采空区上下边角处）为压应力和剪应力集中部位。最大拉应力出现于采空区顶板中央处，最大压应力和最大剪应力出现于采空区边角处，顶板拉应力的存在是导致采空区失稳的重要原因。随着采空区跨度尺寸的增大，空区顶板内最大拉应力和最大剪应力呈逐渐增大趋势。

3.4. 采空区高度对空区稳定性的影响

根据采空区顶板受力分析，随着采空区高度尺寸的增大，空区顶板内最大拉应力呈相对减小趋势，但减小值甚微，最大压应力和最大剪应力的变化规律不明显。根据空区受力分析，虽然空区高度对采场顶板拉应力影响较小，然空区高度增加使得空区上下盘围岩帮壁的暴露面积加大，增加空区两帮片帮垮塌的可能；同时高度增加使得空区体积加大，大大增加了空区的危害程度。

3.5. 顶板岩层厚度对空区稳定性的影响

根据普氏地压理论，在巷道或采空区形成后，其顶板将形成抛物线形的压力拱带。对于坚硬岩体，顶部承受垂直压力，侧帮不受压，形成自然拱；对于较松软岩体，顶部及侧帮有受压现象，形成压力拱；对于松散性岩层，采空区侧壁崩落后的滑动面与水平交角等于松散岩石的内摩擦角，形成破裂拱。三道庄露天采场岩体坚硬，空区顶板往往形成自然平衡拱。由于普氏压力拱理论的基本前提是空区上方的岩体能够形成压力拱，这就要求空区上方有足够厚度的稳定岩体，以承受岩体自重及其上部荷载。因此，在确定自然平衡拱高之后，还须有足够厚度的稳定岩层共同构成安全隔离层，顶板岩层原岩厚度为空区顶板稳定最基本的保障。随着采空区顶板岩层厚度的增大，空区顶板内最大拉应力呈逐渐减小趋势，空区更加稳定。破坏了空区顶板原岩的完整性，对空区顶板稳定性产生较大的影响；随着露采台阶的下降以及上部空区的处理，空区顶板及侧面原岩进一步遭破坏，空区稳定性大大降低。

3.6. 台阶自由面对空区稳定性的影响

空区侧面若为台阶自由面或空区处理后的虚碴，空区顶板将以近似悬壁梁的形式存在，在其端部会形成较大的拉应力集中。随着台阶侧向自由面数的增加，即空区侧面暴露高度加大，空区顶板内最大拉应力将呈逐渐增大趋势，最大压应力和最大剪应力呈逐渐减小趋势。

上部空区处理后，下部空区侧面为空区处理爆破后的虚碴，台阶自由面数目的增加，对空区顶板稳定性会产生一定的影响。

3.7. 地表设备载荷对空区稳定性的影响

随着地表静载荷的增大，采空区顶板最大拉应力、最大压应力和最大剪应力均呈逐渐增大趋势。当地表设备重量不大时，地表设备对采空区稳定性的影响不明显；反之，当地表设备重量较大时，对采空区稳定性的影响较明显。

因此，在深部空区密集区，对动、静载荷都非常大的电铲和牙轮钻应尽量不让其上到空区顶板上方作业。

3.8. 爆破纵波和横波对空区稳定性的影响

爆破纵波和横波对采空区稳定性的影响较为复杂，其影响程度与同段炸药量及距离的远近有关。随着爆破纵波和横波影响系数的增大，采空区顶板最大拉应力、最大压应力和最大剪应力均呈逐渐增加趋势，且增加的幅度较大。

爆破纵波和横波作用对采空区顶板稳定性的影响较大，相对于设备静载荷而言，爆破振动动载荷对采空区顶板稳定性的影响更加明显。回采爆破作业频繁，爆破应采用最大段药量小和爆破振动小的单孔起爆网络，但连续爆破振动可能对空区顶板“产生疲劳”效应；随着台阶的下降，爆破振动对空区稳定性的影响将进一步加大。

4.采空区稳定性分析结论

采用先进的GTS三维有限元软件对空区稳定性进行较为全面的计算分析。探讨了采空区围岩应力状态的一般规律，对影响采空区稳定性的主要因素进行了分析，所得的主要结论如下。

4.1.通过对空区进行切取截面后作出的应力、位移分析，深部空区顶板和围岩的应力、位移变化较大，局部空区顶板出现拉应力，易发生空区顶板冒落、塌方等事故。

4.2.根据深部空区稳定性分析，空区应力、位移变化是否明显，相对稳定性；深顶板和围岩的应力及位移变化大小，确定重点关注区域。

4.3.对影响空区稳定性的因素，以岩体自身条件对采空区稳定性的影响最为直接，当岩性或者岩体质量发生变化，有构造带和结构面的部位，对采空区稳定性的影响最大；空区顶板原岩厚度、空区跨度、采空区侧向台阶面数及爆破振动对采空区稳定性的影响也十分明显。

4.4.对有破碎带穿过、跨度较大、上下相互重叠的空区应重点监控防范；台阶的下降及侧面空区的处理，对下部空区稳定性会产生一定的影响。

4.5.将该对于大面积采空区实行分区管理，分区治理。

5结束语

三道庄矿区采空区自从露天开采以来，井下采空区一直影响着矿区正常生产和安全，在东南部的空区较为复杂，垮度和高度大，处理空区难度较大。影响到生产作业计划的正常进行，影响了生产出矿品位，给公司的生产经济效益造成很大的损失。更是影响下部二层矿的井采的正常进行。因此矿山技术人员也做出了很多的科研分析，来解决空区的处理，恢复正常的生产。通过各种影响因素的分析和多种方案的选择，决定用打孔扩孔成井，次矿充填后，一次性穿孔爆破法处理空区，现实验进展顺利。通过以上论述分析供有采空区的矿山的空区处理和科研作为参考。

参考文献：

1.尚建岗,等.地质条件对顶板事故的影响[J].矿业工程,2006（3）：33-36

2.李俊平,等.下层矿开采的地压控制研究[J].中国钼业,2001（6）：24-26

3.孙超,构造地质学,地质出版社,1993

4.虎维岳.废弃矿山引起的环境地质构造. 5.何继善.防灾减灾的理论与实践.

作者简介：杨敬国，本科，地质助理工程师 主要从事矿山地质金属矿产勘查