广西大新铅锌矿地下采空区对地面沉陷的影响.pdf

文章编号 10096825 2009 04 0009 02 广西大新铅锌矿地下采空区对地面沉陷的影响* 收稿日期 200810 09 * 国家重点地质环境治理项目 广西大新县铅锌矿地质环境补充调查 作者简介 唐名富 1983 , 男, 桂林工学院土木工程系地质工程专业硕士研究生, 广西 桂林 541004 周明芳 1965 , 女, 副教授, 桂林工学院土木工程系, 广西 桂林 541004 姚柏华 1973 , 男, 工程师, 桂林矿产地质研究院, 广西 桂林 541004 唐名富 周明芳 姚柏华 摘 要 针对矿体采空后对地表的影响, 对采空区稳定性及地表沉陷进行了分析, 结果表明, 采取合理方法对浅部未充填 采空区进行密实充填, 实施地表水管理控制进入地下是控制地表沉降、 防止地面建筑物变形和破坏的最有效措施。 关键词 地下矿体, 采空区, 地面沉陷, 变形, 稳定性 中图分类号 TU412文献标识码 A 0 引言 地下矿体开采以后, 原岩应力平衡状态将遭到破坏, 必产生 次生应力场并引起岩体中的应力重新分布, 且伴随一系列矿压现 象。如果治理不当, 会使地面大面积下沉、 凹陷, 破坏农田或上方 岩层产生移动变形, 直至破坏塌落最后导致地表各类建筑物变形 破坏, 甚至倒塌。因此如何快速准确地在空区破坏之前掌握采空 区围岩应力应变状态显得尤为关键。 广西大新铅锌矿采空区分布在 300 360 高程之间, 倾角 为 0 20 , 垂直剖面线的采空区宽度一般不超过 20 m, 局部达到 90 m, 顶板跨度一般不超过 20 m, 局部达到 85 m, 从地表至 300 水平主要有白云岩或灰岩、 破碎砂页岩、 断层泥、 铅锌矿和砂页岩 等岩体, 其中铅锌矿赋存在破碎砂页岩中、 岩体力学参数如表 1 所示。 表 1 岩体力学参数 岩性 容重 kN/ m 弹性模量 GPa 泊松比 抗拉强度 MPa 凝聚力 MPa 内摩擦 角/ 白云岩28. 122. 90. 333.99. 1537 破碎砂页岩、 断层泥、 角砾 18. 54. 10. 380. 430. 01228 铅锌矿42. 122. 50. 356.41332 砂页岩26. 411. 40. 206.89.835 1 采空区稳定性的分析 1. 1 计算模型建立 选择有代表性的剖面柏绿山矿段建立计算模型, 应用 AN SYS 程序, 选用弹塑性模型, 开展三维数值模拟, 计算过程中不考 虑 F1 断层的影响, 用位移边界条件和德鲁克∀ 普拉格准则, 计算 范围为 145 m 50 m 80 m, 其中沿走向长 80 m, 垂直范围为 305 m 405 m 高程, 沿倾向的水平宽度为 145 m, 共有 8 773 个单元 9 269 个节点 见图 1 。 1. 2 计算结果分析 三维弹塑性非线性有限元计算结果见图 2 图 4, 应力图中 正值表示受拉, 负值表示受压。 1. 2. 1 初始应力模拟 初始应力云图见图 2。 1. 2. 2 采空后模拟 矿体采出后, 采空区及地面沉降情况, 见图 3, 图 4。 Direct precise solving of interposed transition curve between uncorresponding compound curve arc length LI Cong de LIU Chuang ming Abstract Using parameter of transition curve and geometric quality of uncorresponding curve, combining engineering example directly solve length of interposed transition curve between uncorresponding compound curve precisely, it has the significance for the design, the construction and the surveying setting out of the engineering technicians, and points out that it can save the engineering cost and improve the economic ben efit to exactly use the . Key words uncorresponding curve, compound curve, transition curve, arc length, direct precise solution ∃9∃ 第 35 卷 第 4 期 2 0 0 9 年 2 月 山西建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol. 35 No. 4 Feb. 2009 开采初期, 地表、 采空区下盘部位及底板出现隆起、 鼓胀和底 鼓现象, 这种现象与上覆岩下沉采空区两边受挤压和底部受约束 有关。随着中段下降, 采空区顶板暴露面积扩大, 其位移变化呈 现另一些特征 开采越深, 顶板位移量越大, y 轴方向位移的变化 速度和数值小于x 轴方向的变化量, 所有的位移变化方向都是指 向采空区。 1. 2. 3采空区稳定性模拟 在岩石蠕变情况下, 围岩强度折减后, 采空区及地面沉降情 况见图 5 图 7。 根据顶板岩层应力大小, 可分为以下几个区 1拉应力区 当拉应力区有微裂隙时, 在裂隙端部产生应力集 中, 顶板岩层中的拉应力集中系数会变得更大。由于岩石抗拉强 度很低, 尤其碎裂岩体为甚, 当顶板岩层中出现拉应力区时, 该区 域内岩石极易推移冒落, 冒落范围与拉应力区影响范围密切相关。 2 卸载区 位于拉应力区上方, 该区域内二次应力值较原岩 应力值低, 此区域上部边界具有拱形, 由拱承担上覆岩层荷载, 降 低原岩对下方卸载区内岩体作用。处于卸载区内岩体, 由于弹性 恢复自重作用使其向暴露空间方向移动, 顶板岩层出现弯曲下沉 变形, 如顶板为层状或碎裂岩体, 层间可能发生离层现象, 碎裂岩 块沿弱面滑动或松脱。 3支承压力区 位于卸载区的上方, 该区域内应力大于原岩 应力。通过剖面的有限元计算, 总结得到 采空区上盘顶板的近况 围岩压应力普遍低于同水平的重力应力, 出现应力松弛现象。另 一方面, 采空区上盘顶板的拉应力值呈不断上升的趋势, 在上盘顶 板的中心及顶柱出现拉应力集中现象, 拉应力的最大值普遍超过 破碎砂页岩、 断层泥、 角砾 0. 43 MPa, 围岩处于极限屈服状态。 4 从中段开挖后整个破坏域图可以看出, 东西部塑性破坏区 有延伸至地表的趋势。 2 地表沉陷分析 据调查, 矿区属于岩溶区, 卡斯特溶洞较发育, 小者呈蜂窝 状, 大者超过 1 m。岩溶是一种不良的地质构造, 它对建筑物的危 害远大于岩体中的裂隙, 在局部范围内, 其分布和生成是变化无 常的, 在此岩层上建筑房屋, 不可避免要遇到许多特殊的、 不良的 工程稳定性问题。因此, 白云岩或灰岩层决定了采空区的稳定 性, 并对地表移动和民房开裂起着至关重要的作用。 1地下水的作用。地下水使得断层泥及断层角砾层岩性松 软、 透水性很强, 当下方存在垮落空间时, 导致地下水流动, 并引 起地表下沉。所以, 地下水将成为地表不均匀沉降的诱因。 2 采空区的作用。当独立空区暴露面积超过其暴露极限时, 空区顶板将发生不同程度的破坏和冒落。当其破坏和冒落的规 模影响到顶板岩层的整体稳定性并波及到地表时, 就会出现地表 移动和不均匀沉降, 甚至在地表出现不同规模的塌陷坑, 威胁地 表建筑物的安全。 本铅锌矿床赋存于 F1 大断层主断面断裂带砂页岩层中, 断 层上盘是白云岩和灰岩, 较稳固, 但是矿床的顶板是断层泥及断 层角砾 砾灰岩、 角砾和砂页岩 组成裂隙、 节理发育, 硬度低, 遇 水强度降低。特别是柏绿山矿段东部地表水和地下采场相贯通, 使得采空区顶板断层泥及断层角砾遇水强度降低, 导致地面沉陷 甚至塌陷, 直接导致民房开裂。 3 结语 有限元模拟结果表明地下采矿是引起该矿岩层及地表移动的 直接原因, 地表水和地下采场相贯通, 使得顶板层遇水强度降低, 是造成地表沉降和房屋变形破坏的最主要原因, 采取合理方法对 浅部未充填采空区进行密实充填, 实施地表水管理控制进入地下, 才是控制地表沉降、 防止地面建筑物变形和破坏的最有效措施。 参考文献 [ 1] 徐水太. 地下开采引起地表移动和不均匀沉降的机理分析 [J]. 有色金属矿山部分 , 2004 2 3637. [ 2] 钟 刚, 韩方建. 平水铜矿采空区稳定性数值分析[ J] . 金属 矿山, 2004 3 79. [ 3] 吉学文. 某地下矿山采场与围岩稳定性三维有限元模拟研 究[J]. 矿业研究与开发, 2003 4 43. [ 4] 邱贤德, 黄木坤. 数值计算在采空区稳定性评价中的应用 [J]. 矿山压力与顶板管理, 2002 4 93. [ 5] 陈清运, 蔡 嗣. 地下开采地表变形数值模拟研究[ J] . 金属 矿山, 2004 6 26 27. Influences of the leadzinc mine underground goaf in Guangxi Daxin on ground subsidence TANG Ming fu ZHOU Ming fang YAO Bo hua Abstract Aiming at the influences of ore body which has been stoped out, the author analyses the stability of the goaf and the ground subsi dence, results indicated that, adopting a reasonable to densely pack the shallow unfilled goaf and controlling ground water into under ground is the most effective measure for controlling the ground subsidence and preventing ground building from distortion and destroying. Key words underground ore body, goaf, ground subsidence, distortion, stability ∃10∃ 第 35 卷 第 4 期 2 0 0 9 年 2 月 山西建筑