白羊矿段采空区离散元稳定性分析

田胜科

(蒙自矿冶有限责任公司，云南 蒙自 661100)

0 引 言

蒙自白牛厂银多金属矿区白羊矿段采空区历史悠久，形态复杂，为了避免复产后出现采空区灾害，开展地压控制及采空区稳定性研究工作，有针对性的对原有空区采取必要的处理措施，同时为深部区段开采的地压控制、矿床开采顺序、顶板岩体的受控崩落以及地表沉降等方面提供建议，为后续生产中充分回收矿产资源及人员和设备的安全提供依据。

1 计算模型建立

该次所采用的计算模型，考虑蒙自白牛厂银多金属矿区白羊矿段矿体的实际赋存条件、采空区与上部山体相互影响关系、顶板冒落程度，建立了矿体、围岩和地表地形逼真的计算模型，所建模型见图1。

图1 白羊矿段离散元模型建立示意图Fig.1 Modeling of the discrete element in Baiyang block

根据矿山矿体几何形态、各岩性情况和山体的位置，模拟矿体回采后上部围岩的冒落情况及是否会影响到地表。该次所采用的计算模型，考虑白羊矿段实际情况及所要解决的问题，建立所需要的计算模型，矿段内选取了一个代表性剖面进行模拟，模型采用与矿岩体倾角一致的单元，白羊矿段由于模拟范围较大，采空区位置、断层及离采空区较近的单元大小为3 m×3 m的结构单元，远离采空区的单元大小为6 m×6 m的结构单元，计算模型单元划分为37 647个，模拟单元划分合理，不影响计算运行速度。

计算分析内容：第1步为岩体原始应力状态再现；第2步开挖1 600 m以上矿体；第3步开挖1 600 m以下矿体。离散元可以给出围岩冒落相应下沉变形和速度分布特征图。

针对现有空区，对矿权范围内的地表展开了详细调查，建筑物附近未发现因采矿形成的裂缝、塌陷等地质隐患，房屋未见变形。该次离散元模型计算采用的各岩层和结构面力学参数指标，见表1。

表1 离散元分析采用的力学参数Tab.1 Mechanical parameters of the discrete element analysis

2 模拟结果分析

模拟第1步，将力学模型施加应力场和边界约束，该步骤无任何开挖充填过程，岩体在应力作用下下被压实固结，在整个模型中形成初始应力场，见图2、图3。恢复到矿山岩体原始应力状态，为后续开挖及分析奠定基础。离散单元中最大不平衡力随着计算时步的增加而逐渐趋于极小值，说明计算是收敛的，同时也表明体系最终达到了力平衡状态。

图2 原始模型模拟结果主应力分布图Fig.2 Main stress distribution of the original modeling

图3 原始模型模拟结果位移分布图Fig.3 Displacement distribution of the original modeling

模拟第2步是在原始未开挖状态基础上将1 600 m以上矿体开采，从模拟结果位移及速度分布图见图4-6，白羊矿段1 600 m以上矿体开挖后，位移、速度方向均朝向采空区方向发展，符合开挖空区围岩力学响应特征规律。矿体开采后大部分采空区相对稳定，顶板有掉块显现；部分采空区由于暴露面积相对较大，上盘围岩出现了一定冒落和垮塌，从块体放大图6可见，最大冒落高度约为21 m左右，且冒落范围以外没有出现明显开裂和离层现象，说明白羊矿段1 600 m以上矿体开采后部分采空区顶板会发生一定的冒落和垮塌，但达到一定范围后，空区会处于相对平衡状态，在不受外力作用的情况下，不会继续冒落。由于白羊矿段采空区冒落位置距地表位置>350 m，在不考虑其它扰动的前提下，白羊矿段1 600 m以上矿体开采对地表产生影响较小。

图4 白羊矿段1 600 m以上矿体开采后模拟结果位移分布图Fig.4 Displacement distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

图5 白羊矿段1 600 m以上矿体开采后模拟结果速度分布图Fig.5 Velocity distribution of the modeling when the orebody above elevation 1 600 m is excavated

图6 白羊矿段块体放大图Fig.6 Enlarged chunk in Baiyang block

模拟第3步是在第2步开挖的基础上将白羊矿段1 600 m以下矿体开挖形成采空区，从模拟结果位移及速度分布图7-9可见，1 600 m以下矿体开采后，大部分采空区没有发生明显变化，部分区域由于采空区暴露面积较大且上下对应，上盘围岩出现了继续冒落和垮塌现象，从块体放大图9可见，2个较大采空区的最大冒落高度分别为24 m、36 m，且冒落范围以外没有出现明显开裂和离层现象，说明白羊矿段1 600 m以下矿体开采后部分采空区顶板会发生一定的冒落和垮塌，但达到一定范围后，空区会处于相对平衡状态，在不受外力作用的情况下，不会继续冒落。由于白羊矿段出现采空区冒落的位置距地表较深(>350 m)，在不考虑其它扰动的前提下，白羊矿段1 600 m下部矿体开采也对地表产生影响较小。

图7 白羊矿段1 600 m以下矿体开采后模拟结果位移分布图Fig.7 Displacement distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

图8 白羊矿段1 600 m以下矿体开采后模拟结果速度分布图Fig.8 Velocity distribution of the modeling when the orebody below elevation 1 600 m is excavated

图9 白羊矿段块体放大图Fig.9 Enlarged chunk in Baiyang block

3 结 语

通过离散元软件对白羊矿段不同开采深度上盘围岩的冒落情况及对地表影响程度的模拟分析，可以得出以下结论：

(1)地下开采改变了围岩周边应力环境，对空区顶板上覆岩层产生了较大的开采扰动，离散元法模拟计算过程揭示了顶板冒落、垮塌和围岩破坏扰动范围等开采响应特征，模拟结果图直观形象，符合顶板岩层开挖卸荷力学响应规律，研究手段合理可行，对该矿山稳定性评价比较科学。

(2)根据以上模拟分析揭示的岩层变形垮塌规律，白羊矿段现有采空区大部分处于稳定状态，少量采空区由于暴露面积较大且上下对应，上盘围岩出现了继续冒落和垮塌现象，从模拟分析情况看，采空区的最大冒落高度在24～36 m之间，主要集中在F3断层附近，且冒落范围外未出现明显扰动开裂现象，说明该矿段会有局部采空区发生顶板冒落和垮塌的情景，但达到一定范围后，空区会处于相对平衡状态，在不受外力作用的情况下，不会继续冒落；从分析结果看，白羊矿段出现采空区冒落的位置距地表较大(>350 m)，还有一定距离，在不考虑其它扰动的前提下，白羊矿段现有采空区对地表产生影响较小，同时还要做好现有采空区的充填治理。

(3)白羊矿段的矿体回采后地表沉降值无明显变化，影响范围也没有扩张，说明白羊矿段回采对地表稳定性几乎无影响。

(4)根据现场调查结果，矿区内由于局部空区顶板暴露面积过大，空区连片使得顶板发生垮塌，但原空区周边围岩均较稳定，未发生垮塌，说明垮塌范围有限，局限于采场内，且由于大部分采场内留有矿柱，所以垮塌区周边的围岩整体是稳定的，与离散元模拟分析一致。