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复杂地质条件下的采空区安全评估

道路庄侏罗岩位于中元古代兴县上鹿川群三组上部，三岩硅酸角岩、南泥湖长英角岩和黑云母长英角岩，受到岩石构造的强烈控制。矿体厚，一般厚度为80.150m，平均厚度为25.56m，最大厚度为364.56m。它沿着道路长度为14220米，向南延伸至120米。它属于大型矿床。矿石类型主要为含钼钨矽卡岩,平均钼品位0.103%,钨品位0.119%,矿岩均致密坚硬,岩体呈块状结构。

矿山的开发始于20世纪60年代,由于长期的无序开采,露天采场下存在大量未经处理的、形态复杂的采空区群,这些采空区极易诱导剧烈的地压活动,在连锁反应下甚至会产生冲击地压,从而严重影响和威胁矿区的正常生产。因此,有必要对采空区的安全进行分析评价,为采空区治理提供依据。现从采空区的极限跨度、有效安全厚度和塌陷破坏模式来分析研究采空区的安全。

1矿岩物理力学性质

为判断三道庄矿区矿岩特性和采空区稳定性,为采空区治理提供依据,对其开采区域内具有代表性的矿岩进行了取样,测量出矿岩的主要物理力学性质指标。

1.1矿岩的物理力学性质

矿岩主要物理力学性质见表1。

1.2岩体强度

1.2.1抗压强度估算

根据试验室测定的岩石的抗压强度并结合三道庄矿区采空区现状,节理裂隙损伤系数n取0.75,来估算岩体的抗压强度。

计算公式为:

σy岩=σy?n(1)σy岩=σy?n(1)

1.2.2结构削弱系数kc

根据矿区的采空区存在情况,其岩体的拉应力是长期存在的,并且针对地下开采和露天开采同时进行的实际情况,既要保证地下开采的安全,又要保证露天矿的安全生产,以试验室测定的岩石的抗拉强度为基础,用结构削弱系数kc进行调整。该系数主要取决于岩块的强度和裂隙的特点,其值变化范围在0.5～10之间,结构削弱系数kc取7。

计算公式为:

σ岩=σkc(2)σ岩=σkc(2)

1.2.3岩体的抗切割强度

岩体的抗剪强度以试验室测定的抗剪强度为基础,取结构削弱系数为7来进行计算。

岩体的抗压、抗拉、抗剪强度见表2。

1.2.4采空区与矿山结构强度的关系

(1)凝固系数f

矿岩的坚固性是一种抵抗综合外力的性能,坚固性程度用坚固系数表示:

f=σy10(3)f=σy10(3)

式中,f为坚固系数;σy为矿岩的极限抗压强度,191.5MPa。

经计算得出:f=19.15,根据普氏岩石分级法,三道庄矿区矿岩的坚固程度为坚固。

(2)采空区的扩大,矿柱和不稳固性强,矿岩整体凝固程度下降,矿岩整体开采量增加,矿岩整体开采量较高,矿岩充填材料较少,矿柱较少,矿柱较少,矿柱较少,矿柱较少,矿柱较少,矿柱较少,矿柱较少,采空区难以保证采矿生产经营网络不稳定充填采矿。在自然客

在三道庄矿区开采初期,由于其矿岩力学强度大,其整体稳固性可定为稳固的。但是经过多年的不合理开采,采空区规模巨大而且密集,结构复杂,且地下开采和露天开采同时进行,采空区在不断扩大,加上露天开采频繁的大爆破,对矿岩整体稳固程度的影响在不断加大,其整体的稳固程度已大大降低,尤其是在采空区密集处和富矿处,矿柱较少,采空区已形成空间重叠情况,其地压活动强烈,整体的稳固性已达到不稳固—极不稳固状态,给采矿生产带来更多的不安全因素。

2安全分析

2.1采空区安全分类

2.1.1采空区安全分类标准

(1)采场长度判断

为了保持采场的稳定性,必须满足:采场的实际跨度不大于采场的极限跨度。

采用经验公式和函数估价法综合进行计算,采场的长度和极限跨度的比大于3时:

l∶a>3时,

as>a不安全

as=a较安全

as<a安全

l为采场的长度;as为采场的实际跨度;a为采场的极限跨度。

(2)斯列萨列夫的等价

当采场的实际跨度和极限跨度的比小于或等于3时,用斯列萨列夫的等值跨度和采场的实际跨度来比较。

l∶a≤3时,

as>a等不安全

as=a等较安全

as<a等安全

a等:采场的等值跨度。

2.1.2极限长度和主要参数法

为了使计算结果更加准确,采用经验公式计算和函数估价法综合进行计算,即先用经验公式计算出采深100m时采场的极限跨度,之后以该计算结果为基础,再用函数估价法计算出采深110～300m时的极限跨度。

计算公式为:

a=1.25Η([σ]γΗ+0.0012k)0.6(4)a=1.25H([σ]γH+0.0012k)0.6(4)

式中,a为采场的极限跨度,m;[σ]为上覆岩层的许用拉应力,Pa;[σ]=δ极/nkc,δ极:上覆岩石极限抗拉强度,Pa;n为安全系数,取3;kc为结构削弱系数,取7;γ为岩石容重,kg/m3;H为矿房距原始地表深度,m;k为拉应力随深度增加的系数。

根据基础极限跨度、开采深度和矿体倾角求极限跨度。基础极限跨度为采深为100m时用经验公式求得的结果,矿体倾角为10°