葉 鵬 王文杰 錢 立 龔韓林 潘春艷

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081)

佛子礦104號礦體復雜多層采空區(qū)處理技術(shù)研究

葉 鵬 王文杰 錢 立 龔韓林 潘春艷

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081)

佛子礦104號礦體經(jīng)過多年淺孔留礦法開采，在礦體上部遺留了大量的采空區(qū)及礦柱；由于前期的無序處理，形成了復雜的空區(qū)賦存現(xiàn)狀，對下部礦體的安全開采帶來了嚴重威脅。為了科學地制定空區(qū)處理措施并回收礦柱，通過數(shù)值計算結(jié)合理論公式法對104礦柱穩(wěn)定性進行對比分析，確定了各空區(qū)殘留礦柱的安全系數(shù)；結(jié)合礦山現(xiàn)有技術(shù)條件，在綜合考慮采空區(qū)安全處理及礦柱有效回采的基礎上，提出了崩落充填相結(jié)合的處理方案；采用FLAC3D軟件對擬定方案進行了數(shù)值模擬分析。計算結(jié)果表明：崩落充填相結(jié)合的處理方案通過強制崩落法與充填法相結(jié)合，使上部應力集中區(qū)圍巖得到充分移動垮落，下部空區(qū)得到充實，達到崩柱放頂卸壓、控制巖移的目的，能有效地消除空區(qū)隱患并回收礦柱，為礦山安全、經(jīng)濟、合理地處理采空區(qū)提供了指導。

礦柱穩(wěn)定性 采空區(qū)處理 數(shù)值模擬

地下開采是人類獲取礦產(chǎn)資源的重要手段之一，由于近些年我國經(jīng)濟的快速發(fā)展的需要，金屬礦山地下開采強度也日益加劇?？請龇ㄔ谖覈F(xiàn)階段金屬礦山的地下開采中占有重要地位，而應用空場法采礦必然會形成采空區(qū)。采空區(qū)一旦形成，破壞了巖體的靜態(tài)平衡，使空區(qū)周圍的巖體應力產(chǎn)生變化，并為建立平衡而重新分布，當達到臨界變形以后，就會發(fā)生圍巖破壞和移動。隨著礦床開采范圍不斷擴展，變形進一步發(fā)展，導致巖體發(fā)生崩落[1]，從而給礦山的安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。統(tǒng)計資料顯示，采空區(qū)已成為影響礦山安全生產(chǎn)最主要的危害源之一，也是安全生產(chǎn)中的兩大重大隱患之一。按照《礦山安全規(guī)程》規(guī)定，存在采空區(qū)的地下開采礦山，必須定期對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行安全評價，或者實施采空區(qū)處理[2]。

佛子礦104號礦體上部遺留了數(shù)10個大小不等、延深100余m的采空區(qū)。超高采空區(qū)的存在，給下部后續(xù)礦體的安全回采帶來了威脅，同時空區(qū)中大量頂柱及間柱造成大量資源損失浪費，十分不利于佛子礦可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要對現(xiàn)存的采空區(qū)進行安全、經(jīng)濟、合理的處理，及時回收礦柱資源，同時為下部礦體后續(xù)生產(chǎn)的安全進行創(chuàng)造良好條件。

1 采空區(qū)現(xiàn)狀

104號礦體采用平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法進行回采，礦塊沿走向布置，長40～60 m，階段高度40 m，采場兩端均設有人行天井(或順路天井)，采場采高36 m。一般留3.5～4 m頂柱，連續(xù)布置采場，留間柱8 m，底柱為廢石。目前已經(jīng)回采到60 m中段。180 m中段空區(qū)、100 m中段空區(qū)暫未處理(其中180 m中段013～104線斜井處發(fā)生塌方，空區(qū)被廢石部分充填)，138 m中段空區(qū)已進行廢石充填。之前利用聲發(fā)射儀對其進行近1 a的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明采空區(qū)目前總體穩(wěn)定性較好，大部分采場空區(qū)處于穩(wěn)定至過渡階段，但局部空區(qū)處于相對不穩(wěn)定狀態(tài)[3]。104號礦體采空區(qū)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 104號礦體采空區(qū)現(xiàn)狀

2 礦柱穩(wěn)定性分析

104號礦體采用的淺孔留礦法作為傳統(tǒng)的兩步驟采礦法，先期留有大量間柱及頂?shù)字?、形成大面積的空場，后期進行礦柱回收和空區(qū)處理。在采空區(qū)群環(huán)境下，空區(qū)中的頂板和間柱結(jié)構(gòu)猶如房屋的框架，其力學穩(wěn)定性直接決定著整個采空區(qū)群的整體穩(wěn)定性。故研究采空區(qū)關(guān)鍵性支撐巖體的穩(wěn)定性，對于分析整個采空區(qū)群的穩(wěn)定性狀況及處理方案的制定均具有重要意義。本文采用經(jīng)驗公式法與強度儲備法相結(jié)合的方法對礦柱安全系數(shù)進行計算分析，從而評價104號礦體空區(qū)礦柱穩(wěn)定性狀況。

2.1 經(jīng)驗公式法

目前國內(nèi)外空場法礦山開采設計中，礦柱安全系數(shù)普遍采用下式計算：

(1)

式中，F(xiàn)p為安全系數(shù)；Qp為礦柱強度，MPa；σp為礦柱的平均軸向應力，MPa。

(1)礦柱強度計算。采用應用較為廣泛的Bieniawski礦柱強度公式[4]：

(2)

式中，α為常數(shù)，當?shù)V柱的寬高比(W/h)大于5時，α=1.4；而當?shù)V柱的寬高比小于5時，α=1.0。

(2)礦柱平均軸向應力計算。采用應用較為廣泛的面積承載理論，其中連續(xù)條帶式礦柱所承受平均荷載公式[5]為

(3)

式中，P為礦柱承擔的平均荷載，MPa；γ為上覆巖層的容重，MN/m3；H為埋藏深度，m；WO、WP分別為礦房寬度和礦柱寬度，m。

(3)礦柱安全系數(shù)計算。將上述計算得到的礦柱強度值與礦柱平均應力值代入式(1)，便得到礦柱的安全系數(shù)：

(4)

2.2 強度儲備法

強度儲備法認為巖體抗剪強度參數(shù)c、f值具有一定的安全儲備，將其下浮ks倍，巖體內(nèi)最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)，則ks即為其強度儲備安全系數(shù)。工程實踐證明，受地下水、爆破動載等復雜因素影響，巖體強度降低是可能的，實際上礦柱的破壞也多是由剪切破壞所引起的[6]。因此，在數(shù)值模擬軟件中引入強度儲備法來計算礦柱的穩(wěn)定系數(shù)是比較符合實際情況的。

(1)計算模型的建立。根據(jù)已有礦山資料數(shù)據(jù)，確定本模型在長度Y方向上取1 600 m，寬度X方向上取1 100 m，高度Z方向上至地表，空區(qū)尺寸按實地調(diào)查數(shù)據(jù)確定，最終生成的模型如圖2所示。

圖2 礦區(qū)及礦體開采模型

模型邊界條件采用位移約束，即左右X方向、前后Y方向位移均固定為0，Z方向為自由沉降；底面為全約束，地表作為自由面。施加的載荷為巖體自重應力場及側(cè)向原巖應力場，巖體力學參數(shù)見表1。

表1 佛子礦礦巖力學參數(shù)

(2)開挖計算。①進行初始化平衡，生成采空區(qū)的初始應力場環(huán)境；②數(shù)值計算采用Mohr-Coulomb模型，從上至下分步開挖采空區(qū)；③將FLAC3D計算結(jié)果導入Tecplot軟件進行后處理便得到采空區(qū)周圍巖體點強度儲備系數(shù)分布圖，如圖3所示。

2.3 礦柱安全系數(shù)計算結(jié)果分析

通過對104號礦體采空區(qū)進行實地調(diào)查，對各采場空區(qū)、礦柱的參數(shù)進行了統(tǒng)計與整理，結(jié)合室內(nèi)力學實驗數(shù)據(jù)，最終得到2種分析方法下礦柱安全系數(shù)如表2所示。

圖3 采空區(qū)礦柱點強度儲備系數(shù)分布

表2 各采空區(qū)礦柱尺寸參數(shù)及安全系數(shù)計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可以看出，采用強度儲備法與經(jīng)驗公式法得出的礦柱安全系數(shù)在絕對值上具有一定的差異性，但在礦柱整體穩(wěn)定性的相對變化趨勢上具有較好的一致性，基本上能正確地反映礦柱現(xiàn)階段的穩(wěn)定性狀態(tài)。從數(shù)值上來看，104號礦體各采空區(qū)留設間柱的安全系數(shù)均大于1，絕大多數(shù)在1.5以上，最小值為1.2。按照礦山一般礦柱穩(wěn)定許用安全系數(shù)為1.3～1.5的要求，目前104號礦體各中段采空區(qū)留設間柱的整體穩(wěn)定性良好；但100 m中段局部采空區(qū)間柱的安全性略為保守，在不受到新的外界擾動情況下，現(xiàn)有礦柱基本能維持采空區(qū)的穩(wěn)定。但是，隨著時間的推移及外界爆破擾動等影響，礦柱失穩(wěn)的概率會逐漸增大，故應盡早對采空區(qū)作出妥善處理。

3 采空區(qū)處理方案擬定

根據(jù)礦柱的穩(wěn)定性計算結(jié)果，結(jié)合采空區(qū)留存現(xiàn)狀可作出如下分析：104號礦體采空區(qū)由多個上下重疊、緊密聯(lián)系的小空區(qū)聚合形成，由于部分空區(qū)已進行廢石充填，使得礦柱賦存環(huán)境變得較為復雜，且各中段空區(qū)中礦柱的穩(wěn)定性狀況有所差異，故應結(jié)合各空區(qū)的具體特點分別采用不同的措施進行處理。

考慮到首階段180 m中段間柱穩(wěn)定性良好，138 m中段大部分空區(qū)已進行廢石充填，可作為下部區(qū)域的安全隔離層，而100 m中段間柱穩(wěn)定性略差，直接在間柱中鑿巖爆破存在一定危險性。為減少空區(qū)處理成本同時盡量提高礦柱的回采率，擬對180 m中段、100 m中段分別采用崩柱放頂法、充填法進行處理。利用用崩落法強制崩落180 m中段采場間柱、頂板圍巖充填采空區(qū)，理論上能在回收礦柱的同時消除采空區(qū)，而且可使頂板圍巖應力集中得到充分緩解和釋放；利用60 m生產(chǎn)中段掘進的廢石對100 m中段采空區(qū)進行廢石膠結(jié)充填處理，可大大提高礦柱的回采率，同時做到廢石不出窟，降低廢石提升運輸成本。具體方案實施如圖4所示。

4 采空區(qū)處理穩(wěn)定性數(shù)值模擬

4.1 計算方案

在采空區(qū)處理方案實施前，為了全面、客觀地反映104號礦體采空區(qū)處理的安全性及達到的效果，采用FLAC3D軟件對崩落、充填聯(lián)合處理方案進行模擬分析，以對后續(xù)的實踐工作提供指導依據(jù)，計算方案如表3所示。

圖4 104號礦體采空區(qū)處理方案示意

表3 104號礦體開挖計算方案

上述每個開挖步驟均在前一階段計算基礎上繼續(xù)進行，從而客觀地反映了礦體逐步開采過程中，圍巖應力疊加、巖體變形延續(xù)與破壞逐漸發(fā)展的力學進程[7]，最后得出佛子礦104號上部礦體開挖及空區(qū)處理后的力學效應及變形情況。

4.2 模擬結(jié)果分析

選取104號礦體部分采空區(qū)初始及最終階段應力及位移剖面圖進行對比分析，如圖5～圖7所示。典型剖面選取空區(qū)最為厚大部分的垂直剖面，即理論上最易失穩(wěn)的部位作為參考。

從圖5～圖7可以看出，104號礦體采空區(qū)處理前，空區(qū)上下盤圍巖均為卸壓區(qū)，局部區(qū)域表現(xiàn)出拉應力集中現(xiàn)象，最大拉應力值為2 MPa，拉應力的存在與擴展對采空區(qū)的穩(wěn)定帶來不利影響。而各中段階段礦柱(即留設頂柱)均出現(xiàn)了不同程度的壓應力集中，且應力值在空區(qū)邊角處達到最大值36 MPa，表明階段礦柱為主要承壓區(qū)，在邊角處容易發(fā)生壓裂破壞。采空區(qū)圍巖在礦體開采后產(chǎn)生了不同程度的位移，其中上下盤圍巖的位移最明顯，最大值為13 mm。

圖5 采空區(qū)處理前后最大主應力對比

圖6 采空區(qū)處理前后最小主應力對比

圖7 采空區(qū)處理前后巖體位移對比

對104號礦體空區(qū)進行處理后，主要承壓區(qū)及卸壓區(qū)的分布基本未發(fā)生變化，但是應力集中值及位移值明顯降低，最大拉應力降至0 MPa，最大壓應力降至32 MPa，最大位移增至16 mm。180 m中段空區(qū)頂板圍巖經(jīng)過崩落處理后，圍巖應力集中狀況得到明顯緩解，拉應力區(qū)域幾乎消除，崩落區(qū)圍巖位移控制在較小的范圍內(nèi)；100 m空區(qū)進行充填處理后，頂柱受力環(huán)境得到改善，應力集中值大大降低。本中段及138 m中段上下盤圍巖的整體沉降繼續(xù)發(fā)展，但增幅較小，表明充填體并不能阻止巖體的整體變形，卻能有效地將巖移控制在安全范圍內(nèi)；60 m以下的生產(chǎn)中段采空區(qū)頂板最大主應力在26 MPa以內(nèi)，遠小于巖體的極限強度，能保證回采作業(yè)的安全進行。

以上分析結(jié)果表明，崩落頂板圍巖及礦柱能緩解應力集中，阻斷地壓向下部傳遞，從而有效減少下部采場的應力集中狀況；而空區(qū)充填后有利于圍巖中的能量向充填體轉(zhuǎn)移，使其單軸或雙軸應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S應力狀態(tài)，圍巖的整體受力環(huán)境得到了很大改善，從而提高了空區(qū)整體的穩(wěn)定性。從數(shù)值模擬結(jié)果來看，崩落、充填結(jié)合方案總體處理效果較好，能較好地消除礦體上部空區(qū)圍巖整體冒落的安全隱患。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)佛子礦104號礦體采空區(qū)殘留現(xiàn)狀，采用強度儲備系數(shù)法及經(jīng)驗公式法得出了各空區(qū)中礦柱的安全系數(shù)。以礦柱穩(wěn)定性狀況為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)存采空區(qū)的特點，對其處理技術(shù)要點及影響因素進行分析，本著簡單易行、經(jīng)濟有效的原則，制定了崩落充填相結(jié)合的處理方案。

(2)采用FLAC3D軟件對制定方案進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示強制崩落法與充填法的聯(lián)合運用，達到了上部崩柱放頂卸壓，下部充實控制巖移的目的。使上部應力集中區(qū)圍巖得到充分移動垮落，下部空區(qū)得到充實，穩(wěn)定性進一步增強。保證了空區(qū)中殘留礦柱經(jīng)濟、有效回收，同時給后續(xù)礦體持續(xù)、安全地回采提供了保障?？傮w來看空區(qū)處理效果能較好得滿足空區(qū)經(jīng)濟處理、礦柱安全回收的要求。

(3)對于目前正在回采的60 m中段及后續(xù)開采礦體，應做到及時對回采后的空區(qū)進行處理及礦柱回收，避免造成空區(qū)重疊、礦柱積壓的不利局面。礦房、礦柱回采和采空區(qū)處理工程進度應按合理的順序列入礦山開采規(guī)劃和采掘計劃，使礦房、礦柱回采和空區(qū)處理三者協(xié)調(diào)發(fā)展。

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(責任編輯 徐志宏)

Research on the Technology of Complex Multilayer Goaf Treatment for No.104 Ore-body in Fozi Mine

Ye Peng Wang Wenjie Qian Li Gong Hanlin Pan Chunyan

(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

After years of short-hole shrinkage mining at No.104 ore-body in Fozi Mine，a lot of goafs and pillars have been left behind at the upper ore-body.Due to the disorder treatment in the early stage，goaf with complex situations was formed，which seriously threatened the safety mining of the lower ore-body.In order to produce a scientific goaf treatment measure and realize pillar recovery，the pillars stability of No.104 ore-body is analyzed combining the numerical calculation with the theoretical method，and safety factors for remained pillars at each goaf are determined.On the basis of comprehensive analysis of goaf treatment and pillar stoping，and combining with the present technology，the integral scheme of caving and backfilling was proposed.Numerical simulation on the integral scheme by software FLAC3Dshows that this scheme makes upper surrounding rock at stress concentration zone fully remove and collapse，and makes goaf filled to achieve the pressure relief and rock movement controlling by pillar and roof caving.This scheme can effectively eliminate the hidden trouble of goaf，and provide a guidence for the treatment of goaf in a safe，economic and reasonable way.

Pillar stability，Goaf treatment，Numerical simulation

2015-03-01

湖北省自然科學基金項目(編號：2014CFB814)。

葉 鵬(1989—)，男，碩士研究生。

文獻標志碼 A 文章編號 1001-1250(2015)-04-137-05