某矿采空区稳定性及处理分析

殷国华 ，郭忠林，付自国，王 羽

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

某矿采空区稳定性及处理分析

殷国华 ，郭忠林，付自国，王 羽

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

以云南怒江某钨矿东部矿段为工程背景，分析V1号矿体采空区稳定性和对后续开采活动的影响。当3个中段开采完毕后，将会出现较大的应力集中现象，Z方向的最大拉应力并达到了8.6 MPa；Z方向最大位移达到2.19 cm，并出现底臌现象；塑性区破坏范围较大，需进行处理。根据比较4种基本采空区处理方法优缺点及使用条件，综合分析比较后选择封闭+废石充填联合法对采空区进行处理，并进行模拟分析，认为充填后的采空区处于稳定状态。对该矿山的安全生产具有一定的实际意义。

FLAC3D；采空区；稳定性；崩落法

0 前 言

近年来，随着浅表矿体的开采消耗，矿山开采逐渐向着深部发展。在矿山的生产过程中，由于采用空场法或类似方法，在回采矿房时，采场以敞空的形式，仅依靠存留在矿房中的矿柱和围岩的强度来支撑空区，因此而形成巨大的采空区［1］。而对于前期的开采所留下的空区，如果不进行处理的话，随着时间的推移或暴露面积的增大、矿山生产和爆破扰动的影响，将会成为巨大的隐患，威胁后续的安全生产。

如果采空区的顶板暴露面积较大，随着时间的推移，顶板围岩在重力和围岩应力的共同作用下，会使得顶板围岩出现变形破坏，并表现出下面两种可能：a由地表沉陷而引起的地质灾害；b顶板冒落而产生空气冲击波的危害。

本文以云南怒江某钨矿石缸河东部矿段为工程背景，分析V1号矿体采空区稳定性和对后续开采活动的影响，并提出对采空区处理措施的建议［2-4］。

1 矿山基本情况

1.1 矿山概述

石缸河矿段位于矿区西南角，南起卡房丫口，北至墓地坪断裂。石缸河矿段又分东、西两个大致平行的长1.4 km的矿带，矿体赋存于志本山花岗岩体西北部的外接触带中的蚀变闪长—辉长岩脉中，矿石类型为石英电气脉型。

V1矿体：分布在矿段中东部，沿F6断层西侧呈大脉状赋存于核桃坪组下段第三层地层的构造破碎带中，总体走向北西，倾向南西或北东，倾角50 （o）～85 （o）。矿体长785 m，斜深42 ～ 168 m，平均116 m，厚0.73 m，平均5.27 m。单工程平均品位：锡0.124％～ 1.625％，三氧化钨0.225％ ～ 0.862％。矿体平均品位：锡0.322％，三氧化钨0.448％。

V3矿体：总体走向北西，倾向南西或北东，倾角50 （o）～ 85 （o），厚1.0 ～ 3.45 m，平均2.27 m；V5-2矿体：总体走向与V3矿体，倾向南西或北东，厚0.54 ～24.52 m，平均7.42 m。V3和V5-2矿体属邻近矿体。

采用平硐+盲斜井的开拓运输方式。根据矿体条件采用分段凿岩阶段出矿分段空场采矿法。矿块沿矿体走向连续布置，沿走向长50 m，矿块高度与中段高一致，矿房长44 m，矿房宽为矿体厚，间柱宽6 m，底柱高10 m，分段高10 m。如图1所示。

石缸河矿段东部中段高度25 ～ 60 m。从上而下分为：2 260，2 230，2 205，2 145，2 110，2 070 m 6个中段，其中：2 260，2 230 m为回风中段；2 205，2 145，2 110，2 070 m 4个中段为生产中段。本文主要以2205，2145，2110 m 3个中段为研究对象。

1.2 采空区情况

本文中数据在矿山成立的采空区调查小组，进行的采空区现场调查及在开采现状单体设计基础上，主要对较大采空区进行了测绘、统计工作，得到各中段采空区暴露面积表，见表1。

图1 分段凿岩阶段出矿分段空场采矿法

表1 采空区初步调查表

2 模 拟

2.1 建立采空区分析模型

根据矿山的赋存条件、实际形态以及边界范围选取原则，利用FLAC3D建立三维数值模型，模型尺寸大小为297.3 m×500 m×314.62 m，即垂直矿体走向方向取297.3 m（x方向），沿矿体走向方向取500 m（y方向），铅垂方向取314.62 m（z方向），模型x、y方向和底部均采用位移固定约束。模型中垂直应力以自重应力为主，水平应力由于矿山未进行地应力实测，因此根据计算所得的侧压力系数λ对水平应力进行赋值。设置单元格100 850个，网格节点数108 087个。模型如图2。

2.2 定义模型材料属性

本模型选用摩尔—库伦模型，该模型所需岩石力学参数如表2。

图2 模型图

表2 模型岩石力学参数

2.3 开挖计算

该模拟首先是计算在没有回采时由于重力引起的沉降位移和速度，使之归零，然后按照由上而下的顺序逐个开挖2 205中段、2 145中段2 110中段，计算在自重力条件下各中段回采结束后空区的应力、位移、剪切破坏等的情况。设置结算精度为1e-5，计算其结果［5-8］。

2.4 采空区稳定性的数值模拟分析

对于岩体的破坏机理，可将岩体破坏分为剪切破坏和拉伸破坏，而采空区围岩的破坏主要是以剪切破坏为主。在实际的工程问题中，由于问题存在的复杂性和影响因素众多等条件，在满足工程需要的前提下，可以采用数值模拟技术来对实际工程问题进行近似模拟。通过FLAC3D数值模拟软件，对采空区围岩的位移、应力、塑性区等进行稳定性分析。本文主要分析空区围岩位移、应力和塑性区，见图3 ～ 8。

图3 2 205中段开挖后z方向位移

图4 2 110中段开挖后z方向位移

随着开挖的进行，各中段的位移变化量如表3。

表3 各中段开挖后Z方向位移

从图3和图4可知，当开挖完2205中段的矿体，采空区围岩在Z方向上出现竖直向下的位移，其形状接近于椭圆形，其最大值为1.48 cm，而在底板出现底臌现象，近似于拱形，其最大值为1.25 cm；当开挖完三个中段后，位移主要集中在下部两个中段，在2145中段出现明显的竖直向下的位移，其最大值为2.19 cm，而在2110中段出现底臌现象，其值约为1.5 cm。

图5和图6分析的是z方向的应力，当开挖2205中段时，采空区的最大拉应力为6.8 Mpa，而当开挖完2110中段的矿体后，采空区的最大拉应力变为8.6 Mpa，并出现压应力，其值最大为6.6 Mpa，说明每次随着开挖的进行，都会使得应力重新分布并达到平衡，且应力值会逐渐增大。

图5 2 205中段开挖后Z方向应力

图6 2 100中段开挖后Z方向应力

图7～8显示的是开挖后塑性破坏范围示意图，对于塑性区而言，显示的是破坏区域的大小，而不是应力值的大小，塑性区存在的是不可恢复的变形，也就是说如果围岩发生塑性变形，就不能恢复原状，从而产生破坏塌落。从图可知，当开挖完2 205中段的矿体后，塑性区主要表现在2 205中段矿体的上盘，而随着开采的进行，当2 145、2 110中段开采完后，塑性区主要集中表现在矿体的下盘。

综上所述，围岩位移、应力和塑性区主要集中在下面两个中段。当采空区上盘顶板围岩产生位移时，同时顶板围岩应力又比较集中，而塑性区又主要集中在下盘，塑性区部分变形不可恢复，从而可能直接导致大范围的塌陷，这对矿山的生产存在着重大的安全隐患，需要及时采取处理措施。

图7 2 205中段开挖后塑性区分布图

图8 2 110中段开挖后塑性区分布

3 采空区处理

3.1 采空区处理方法的选择

目前，采空区的处理方式主要可概括为“崩”“充”“支”“封”4种基本处理方法和由这4种基本方法组合而成的“联合法”处理采空区［9-11］。

然而，每种采空区处理方法都有其优缺点和具体适用条件。因此，必须综合考虑矿山的矿岩特性、采空区的分布特性、暴露面积等因素，确定出经济合理，技术可行、安全可靠的采空区处理方法。

虽然崩落法处理采空区费用最低，但由于矿体地表不允许陷落、某些采空区不稳定随时可能发生顶板冒落这些因素，若采用强制崩落法，易对施工人员的安全构成威胁，而且也可能对下部采场生产作业产生影响。支撑法处理采空区只能够暂时缓解空区的稳定性，起不到根治的作用，所以支撑法处理不合适。使用充填料对采空区进行充填，充填体在一定程度上阻碍和限制了围岩的变形，并在一定程度上避免了地压的危害，虽然充填采空区并不能完全消除岩体的变形与破坏，但在一定程度上大大降低了岩体的移动范围［12］。充填是处理采空区的一种有效手段，但充填的成本较大，需要研究出高性能低成本的充填材料和先进的充填工艺技术来降低企业生产成本。封闭+废石充填联合法，是一种经济、简单的处理方法，可以缓解围岩和矿柱的应力集中降低治理成本，提高采空区的稳定性，结合了两种方法的优点。

综上所述，处于稳定状态的采空区应进行封闭隔离处理，为了使采空区冒落产生的冲击波不至造成危害，因此在通往采空区的巷道应设置封闭隔离墙处理。对于处于失稳状态的采空区，应选择封闭+废石充填联合法进行处理，从而限制围岩的移动破坏。

3.2 充填效果模拟分析

利用FLAC3D对采空区进行充填，分析废石充填后的空区稳定状态，模拟分析所采用的废石充填体的力学参数如下表4。

表4 废石充填体力学参数表

对采空区进行废石充填的模拟分析，以下为模型充填后的Z方向应力、位移云图见图9～图10。

图9 废石充填后X方向位移云

图10 废石充填后Z方向应力云

从图9可知，对采空区进行废石充填后，对于2 110中段，Z、X方向上的位移较充填前的值均出现降低，其原因主要是由于充填体与围岩的相互作用，改善了围岩的应力分布情况，减缓了围岩的变形和地表的继续下沉。

从图10可知，由于采用了充填采空区的方式，使得采空区的最大拉、压应力均出现改变，最大压应力由充填前的8.6 MPa降低为4.1 MPa，而拉应力变为0.37 MPa，远小于围岩的抗拉强度。因此，充填后该区域内的采空区可以认为是稳定的。

综上所述，对采空区采取充填措施，上下盘围岩、空区的顶低板受力状态均出现明显改善，拉应力和压应力明显减小，各方向上的位移量也都呈现明显的下降状态，且位移量均较小。因此充填后的各个中段的采空区均处于稳定状态。

4 结 论

1）采用FLAC3D对采空区的稳定性进行分析是一种十分有效的计算方法，为矿山的安全高效开采提供技术指导。

2）模拟分析表明，矿山的任何一`次开采都会破坏原岩应力的平衡分布，使得开挖区的应力、位移及塑性区发生变化。当开采完3个中段后，围岩位移、应力和塑性区主要集中在下面两个中段，并出现较大的应力和塑性区集中现象，因此需要进行处理；

3）分析各种采空区的处理方式，并针对该矿山的实际情况，提出经济合理并效果较好的处理方式，即封闭+废石充填联合法进行处理采空区，将会达到消除采空区对矿山安全的影响。

4）通过模拟显示，充填后各中段的采空区处于安全稳定状态。

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The Goaf of M ine Stability and Treatment Analysis

YIN Guohua， GUO Zhonglin， FU Ziguo， WANG Yu
（Faculty of land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology，Kunming， Yunnan，650093，China）

In this paper， in the eastern part of the Yunnan Nujiang river constitute a cylinder ore block as the engineering background， goaf stability analysis V1 # ore body and the subsequent effects of m ining activities. It is concluded that when the three m iddle m ining has been completed， there w ill be a larger stress concentration phenomenon，Z direction of the maximum displacement is 2.19 cm， foor drum up and phenomenon； Z direction of the maximum tensile stress at 11.6 Mpa；Larger plastic zone area of damage， need to deal w ith.According to compare four kinds of basic processing methods advantages and disadvantages of m ined-out area and conditions of use，Choose closed + after comprehensive analysis and comparison method of waste rock filling joint goaf， and simulation analysis， think after f lling m ined-out area in a stable state. ， to the m ine safety production has a certain practical signif cance.

FLAC3D；Goaf；Stability；Sublevel caving

TD853.391

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.013

2016-07-01

殷国华（1993-） 男，四川广安人，在读硕士研究生，研究方向：矿床开车理论及应用，手机：13547619968，E-mail：1032299812@qq.com.