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某矿山采空区围岩和地表建筑地基稳定性分析 * 宋丽霞 1, 陶干强1, 孙 冰2 1 . 南华大学 核资源与安全工程学院, 湖南 衡阳市421001 ; 2 . 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083 摘 要 根据某矿山的采空区围岩的条件, 建立三维有限元 模型, 运用三维有限元软件 ABAQUS, 对采空区围岩和地表 建筑地基稳定性进行了数值分析, 得到了采空区影响范围的 位移场和应变分布规律。模拟结果表明, 采空区存在破坏的 可能。因此, 对矿区内老采空区必须进行处理。同时结合采 空区现状, 建议中部采用粗骨料胶结充填, 两翼采用尾砂胶 结充填。 关键词 采空区; 围岩稳定性; 地基稳定性; 有限元模拟 中图分类号 TD325 文献标识码 A 文章编号 1005- 2763 2008 06- 0020- 03 Stabilization Analysis on the SurroundingRock of M ined- outArea and the Foundation of Surface Buildings in aCertainM ine Song Lixia1, Tao Ganqiang1, Sun Bing2 1. SchoolofNuclearResources and Safety Engineering, University of South China , H engyang , Hunan 21001 , China ; 2. School ofResources and Safety Engineering , Central SouthUniversity , Changsha , Hunan 410083, China Abstract In lightof the surrounding rock of the mined- out are as, a 3D finite elementmodelwas established, the stabilization of the surrounding rock of them ined- out areas and the foundation of the surface buildingswas si mulated by using 3D finite element soft ware ABAQUS. The displacement field and strain distribu tion of the strata affected by mined- out areas were revealed . The results showed that them ined- out areas are likely to fail ure . So the m ined- out areasmust be treated . At the same ti me , combined with the status of them ined- out areas, itwas sugges ted that the m ined- out areas in the central section should be filledw ith cemented coarse aggregate and them ined- out areas in the sides be filledw ith cemented tailings . K ey W ords M ined - out area ,Stabilization of surrounding rock, Stabilization of foundation, Finite- element si mulation 1 地质概况与开采技术条件 锡矿山五窿道矿区地表有公路、 水沟、 小溪和大 量工业和民用建筑, 在开采范围内, 采空区上下重 叠, 纵横交错。有些采空区已与地表塌透贯通, 有些 相邻的采空区逐渐连成一片, 并且矿山正向深部开 采, 使其周围的空区规模不断扩大。目前累计采空 区体积约 20万 m 3, 单个采场最大面积达 500 m2, 体积达 5000 m 3。如果长期不处理这些采空区, 就 有可能引发大规模的地压灾害。 本矿床属岩浆期后热液充填为主、 伴随交代的 单一硫化锑矿床。矿体赋存于上泥盆统佘田桥组硅 化灰岩中, 呈多层结构。矿体走向长 1500 2000 m, 倾斜长 2000 m 左右。矿体厚度从薄至中厚, 倾 角由缓倾斜至倾斜。矿体顶板为页岩, f 3 5 , 底 板为硅化灰岩, f 10 18。矿区内断层节理发育, 完整性较差。 2 采空区围岩稳定性和地表塌陷有限元模拟 本文采用 ABAQUS有限元软件对采空区进行 分析。分析的对象为 5个大采空区, 对其中前 2个 采空区分别建立模型进行独立分析, 将其它 3个采 空区作为一个整体进行建立模型分析。模型中选取 的物理力学参数见表 1 。模型计算时采用 Mohr- Coulomb准则 [ 1]。 2 . 1 模型 的模拟 模型 长 24 m, 宽 33 m, 距离地表约 55m。取 岩石移动角为 70 , 影响范围 X方向左边取 84m, 空 区向右约 30m 处有一个断层, 断层厚度约为 1 m, 右边界取到距断层 35 m 处, 因此 X方向共取 174 m。 Z竖直 方向起始点取采空区底部向下延伸 21 m处, 上部取到地表岩层边界处。Y方向前方取边 界 6m, 采空区为 33 m, 后面方向延伸 18m, Y方向 共取 57m。边界条件为 模型的前后左右 4个面水 ISSN 1005- 2763 CN 43- 1215/TD 矿业研究与开发 第 28卷 第 6期 M I NINGR 模型底面全固定, 模型上表面 即地面 为全自由; 模型中采空区的边界条件都是没有约束的自由边 界。模型上边界沿 X方向在 0 65 m 范围内施加 - 0 . 054MPa的匀布载荷。 由图 1可以看出, 模型 沿水平方向的地表下 沉降量呈现 V∀型分布, 即两边的沉降量较小, 中间 的沉降量较大。在最低点 37 . 815 , - 0 . 175处, 沉 降量达到最大值 0 . 175m。 表 1 岩体及覆盖土的物理力学参数 岩石名称 容重 kN /m3 抗压强度 MPa 抗拉强度 M Pa 弹性模量 GPa 覆岩276098. 257 . 28314 . 912 夹层2800100. 1212 . 12415 . 634 采空区围岩271079. 368 . 09515 . 372 表土2240--1 岩石名称 剪切模量 GPa 泊松比 内摩擦角 粘聚力 M Pa 覆岩6. 720. 3142 . 332 . 456 夹层6. 930. 2345 . 235 . 689 采空区围岩6. 510. 2239 . 529 . 467 表土-0. 4-- 图 1 模型 地表沉降量 由图 2可以看出, 模型地表水平方向沉降量 拟合曲线的曲率分布曲线呈现 抛物线 ∀型, 在点 37 . 815 , - 0. 175 处曲线的曲率达到最大值 7 . 77E- 04, 然后又逐渐变小。 图 2 模型 地表沉降量曲率分布 根据国家建设部颁布的 建筑地基基础设计规 范 ∃、 煤炭工业局制定的 建筑物、 水体、 铁路及主要 井巷煤柱留设与压煤开采规程 ∃及其他资料, 在老 采空区上方施加建筑荷载以后, 如果采空区下沉量 较小, 且求得的地表移动和变形参数符合以下两条 标准, 则认为采空区地表建筑地基基本稳定, 反之, 只要有其中一项不满足就认为其是不稳定的。 标准 I 当建筑物高度小于 100m 时, 对于中低 压缩性土, 沉降量应小于 300mm; 对于高压缩性土, 沉降量应小于 400mm。 标准 II 当地表倾斜延 3 mm /m、 地表水平变形 2 mm /m和地表曲率 0 . 2 10 - 3 x 1/m 时, 地基 的稳定性可以满足建设的要求。 由上面分析可以知, 模型 地表沉降的最大值 为 175 mm, 小于标准规定的下沉值 300mm, 但地表 沉降量曲率变形的最大值为 0 . 777E- 3/m, 超过了 标准中规定的曲率变形最大允许值 0. 2E- 3/m, 因 此地表建筑物的地基处于不稳定状态。 2 . 2 模型 的模拟 模型 长 20 m, 宽 35 m, 距离地表约 63m。取 岩石移动角为 70 , 影响范围 X方向左边取 72m, 右 边界取到 170m 处。Z竖直 方向取采空区底部向 下延伸 15m 处, 上部取到地表岩层边界处。Y方向 前方取为 35 m, 采空区为 35 m, 后面方向延伸 35 m, Y方向共取 105 m。模型上边界沿 X 方向 0 91 . 5m 范围内施加 - 0 . 054MPa的匀布载荷。其它 边界条件与模型相同。 由图 3可以看出, 模型 沿水平方向的地表下 沉降量呈现 V∀型分布, 即两边的沉降量较小, 中间 的沉降量较大。在最低点 33 . 71 , - 0 . 158处, 沉 降量达到最大值 0 . 158m。 图 3 模型地表沉降量 由图 4可以看出, 模型 地表水平方向沉降量 拟合曲线的曲率分布曲线基本呈现 抛物线∀型, 达 到最低点以后逐渐上升到最高点, 然后下降到最低 点, 继而呈现小范围上升。在点 33. 71 , - 0 . 158 处曲线的曲率达到最大值 1 . 5E- 03, 然后又逐渐 变小。 由上面分析可以知, 模型地表沉降的最大值 为 158 mm, 小于标准规定的 300 mm; 但地表沉降量 21 宋丽霞, 等 某矿山采空区围岩和地表建筑地基稳定性分析 曲率变形的最大值为 1 . 5E- 3/m, 超过了标准中规 定的最大允许值 0 . 2E- 3/m, 因此地表建筑物的地 基处于不稳定状态。 图 4 模型地表沉降量曲率分布 2 . 3 模型 第 2个空区长 16m, 宽 20 m, 位于 X方向 101 117 m 之间, 距地表高度为 52 m; 第 3个空区长 16m, 宽 20 m, 位于 X方向 157 173m 之间, 距地表高度为 49 m。取岩石移动角为 70 ,Z方向起始点取采空区底部向下延伸 16 . 5 m 处, 上部取到地表岩层边界处。模型上边界沿 X方 向在 0 95 m 范围内施加 - 0 . 054 MPa的匀布载 荷。其它条件与模型 、 模型相同。 由图 5可以看出, 模型 模型 而对矿体厚度较大的中 部采用粗骨料胶结充填, 可回避尾砂胶结充填充填 体强度较低的缺点。 参考文献 [ 1]肖 猛, 丁德馨, 莫勇刚. 软岩巷道围岩稳定性 FLAC3D数值 模拟研究[ J]. 矿业研究与开发, 2007 , 27 1 73 75. [ 2]刘敦文, 古德生, 徐国元. 地下矿山采空区处理方法的评价与 优选 [ J]. 中国矿业, 2004, 13 52 55 . 22 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 28 6