迤纳厂铁铜矿采空区及地表稳定性现状评价分析

牛淑慧

(云南德诚矿山工程设计有限公司，云南 昆明 650217 )

0 引 言

由于武定迤纳厂铁铜矿开采年限较长，自建矿以来，矿山形成多个平硐，矿山已形成大量采空区，采用的采矿方法是留不规则矿柱的全面空场法，采场矿柱为不规则矿柱。随着开采深度的增加，老采空区的存在对井下安全生产造成一定影响，导致后续矿体开采建设增加了一定的安全风险。为了对老采空区的安全隐患进行整改，需要对现有的采空区围岩和地表进行现状稳定性分析评价。本文通过FLAC3D有限差分法数值模拟来计算论证在该采矿方法条件下，地下开采已形成的多个孤立的老采空区对周边围岩和地表的稳定性是否产生影响，进而对现有采空区和地表稳定性作出评价。

1 矿体及其顶底板的稳固性

区内主矿层赋存于黑云母片岩中，矿石主要是含铜磁铁矿和含铜菱铁矿，矿层顶板岩性为板岩夹白云质板岩，测得极限抗压强度为61.6～87.6 MPa；底板为黑云片岩、炭质片岩、白云质板岩，测得极限抗压强度为71.8～81.7 MPa；矿层(块状铁铜矿石、含铜菱铁矿)极限抗压强度为82.7～98.3 Mpa。矿体平均厚度为 2.38 m，全铁平均品位为41.65%，铜平均品位为1.00%，埋深80～106 m，矿体倾角16～30°，属于缓倾斜薄矿床(图1)，矿体走向近东西向，矿体及上下盘围岩稳固性好。

图1 典型实际采场剖面图Fig.1 The typical profile

施工多年的坑道中矿层顶底板均未支护，未见坍塌；施工经过F8断层的坑道，揭露破碎带 1.5 m，有地下水渗流，5年后顶板冒落高度仅 5.4 m。斜交小断层的支护架无变形和折断现象。工程地质条件属良好。

综合工程地质调查、岩体质量评价以及现场围岩实际稳固情况进行分析研究，利用Hoek-Brown准则进行岩石物理力学参数的折减处理[2-3]，所得岩体物理力学参数结果如表1所示。

表1 岩体物理力学参数取值Tab.1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

2 矿块和采场结构与尺寸

矿体稳固性好，上下盘围岩稳定性好，属于缓倾斜矿床，设计中段运输平巷布置于矿体下盘，采场沿走向布置，中段高度8～12 m，采场长度 40 m，采场宽度为矿体水平厚度，采场间柱3～4 m，采场内留设的均为不规则点矿柱，点柱直径为 3 m 左右，点矿柱最大间隔尺寸为 15 m，最小为 4 m。

3 地下开采对采空区及地表稳定性影响的数值模拟分析

为进一步验证采场围岩及不规则矿柱稳定性，设计建立了采场及地表宏观模型，采用FLAC3D数值模拟软件进行采场顶板及矿柱稳定性的模拟计算；分析论证该矿山目前采用的全面空场法的合理性和对地表的影响。本文是基于一个孤立的采场而进行的模拟分析。

3.1 计算模型的建立

数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所选择的计算模型，包括数值模拟的本构模型和模型的边界约束条件。几何模型尺寸尽可能地逼近采场实际模型尺寸,以实现计算的需要和保证计算精度。

本次模拟计算采用莫尔-库伦弹塑性本构模型。模型共划分 420 343 个单元体，438 048 个节点，最终生成的网格和建好的模型如图2所示。

图2 三维数值模拟计算模型Fig.2 The model of 3D numerical simulation calculation

3.2 矿体开挖后，采场围岩塑性区、应力和位移分布特征

矿体被开挖后，形成一定的采场空间，岩体中的原岩应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，一些部位应力集中，另一些部位应力降低。维护采场稳定性主要依靠周边围岩及不规则点矿柱自身强度来控制采场跨度并支撑采场空间结构。

1)根据采场围岩塑性区分布云图(图3～7)所示：采用全面空场法开挖矿体后，采场顶板及周边围岩基本未出现塑性扰动区，只是在采场角隅处出现零星的塑性扰动区，此时采场顶板及周边围岩整体是稳定的，同时也说明地下开采并未对地表产生太大影响。

图3 矿体开挖后采场顶板塑性扰动区分布云图 图4 矿体开挖后地表塑性扰动区分布云图Fig.3 The plastic zone distribution of roof after orebody excavation Fig.4 Cloud map of surface plastic stope zone after orebody excavation

2)矿体开挖后，诱发了次生应力场，上覆岩层的应力向采空区周边围岩和采场矿柱转移，造成采场矿柱均出现了整体性的塑性扰动区，说明矿柱处于较高应力屈服状态。

3)采场矿体开挖后，原岩中存在的应力平衡状态受到扰动，在空区周围引起应力和位移的重新分布，从最大压应力分布云图(图5)可以看出：采场矿柱出现了一定的应力集中，大部分矿柱所承受的压应力在7.5～15 MPa 之间，而个别矿柱所承受的最大压应力为 25 MPa 左右，处于一定高应力屈服状态；采场顶板及周边围岩所承受的压应力为2.5～7.5 MPa。

图5 矿体开挖后采场顶板及矿柱最大压应力分布云图Fig.5 Cloud chart of maximum pressure stress distribution of stope roof and pillar after orebody excavation

4)通过现场工程地质实际勘察和矿区地质报告，发现采场矿体较完整，岩性较好，岩体完整性系数Kv在0.75～0.55之间(取最低值考虑)，矿体岩块抗压强度平均值为 87 MPa，则矿层岩体单轴抗压强度为87×0.55=47.8 MPa，而采场点矿柱所承受的垂直压应力最大值为 25 MPa<47.8 MPa，其垂直压应力值未超过矿层岩体的抗压强度值，说明该矿段矿体开挖后，矿柱是稳定的，矿柱具备较强的承载能力。

5)从图6、7下沉位移云图可以看出：该矿段采场顶板的变形基本呈现拱形效应，顶板整体最大下沉位移值为 1.8 cm(图6)，位于整个采空区中央位置，顶板整体下沉变形量很小；该矿段地表最大下沉位移值为 1.2 cm(图7)，地表下沉变形量很小，影响不大，处于可控范围。由此可见，现有的采场结构尺寸基本合理，矿体开挖后，采场围岩、矿柱及顶板具备一定的自身承载能力，其稳固性较高，安全性有一定保障，该矿段地下开采对地表基本无影响。

图6 矿体开挖后采场顶板下沉位移分布云图Fig.6 Cloud map of stope roof subsidence displacement and deformation after orebody excavation

图7 矿体开挖后地表下沉位移分布云图Fig.7 Cloud map of surface subsidence displacement and deformation after orebody excavation

4 结 论

综合以上分析，可得到如下结论：

1)矿体采用全面空场法开挖后，采场内留设不规则点矿柱，采场顶板产生的塑性区是有限的，塑性区未贯通到地表，未对地表产生扰动影响，此时地表是稳定的，说明该采矿方法能有效控制因本次地下开采形成的采空区对地表形变的影响；同时生产过程中要对地表持续加以监测。

2)采场不规则点矿柱所承受的垂直压应力值未超过矿层岩体的抗压强度值，说明该矿段矿体开挖后，不规则矿柱是稳定的，矿柱具备较强的承载能力，同时也说明只需适当充填采矿范围内中央位置的部分大采空区，即可更加安全有效地控制整个采场地压，实现后续采场矿体的顺利开采。

3)虽然分析结果表明地表和采场顶板整体下沉变形量都很小，处于稳定状态，但从加强环境保护、消除大量采空区带来的安全隐患、实现无废绿色开采的角度出发，虽达到有效控制采场地压，但建议采空区后期如有条件还是要尽量充填。

4)同时矿体回采过程中要尽量实现强采、强出、强充开采措施，缩短矿柱的暴露时间，使采空区及时得到支撑，限制围岩和顶板变形的发展，减小滞后充填产生的顶板压力。