殷國華 ，郭忠林，付自國，王 羽

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

某礦采空區(qū)穩(wěn)定性及處理分析

殷國華 ，郭忠林，付自國，王 羽

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

以云南怒江某鎢礦東部礦段為工程背景，分析V1號礦體采空區(qū)穩(wěn)定性和對后續(xù)開采活動的影響。當3個中段開采完畢后，將會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，Z方向的最大拉應(yīng)力并達到了8.6 MPa；Z方向最大位移達到2.19 cm，并出現(xiàn)底臌現(xiàn)象；塑性區(qū)破壞范圍較大，需進行處理。根據(jù)比較4種基本采空區(qū)處理方法優(yōu)缺點及使用條件，綜合分析比較后選擇封閉+廢石充填聯(lián)合法對采空區(qū)進行處理，并進行模擬分析，認為充填后的采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。對該礦山的安全生產(chǎn)具有一定的實際意義。

FLAC3D；采空區(qū)；穩(wěn)定性；崩落法

0 前 言

近年來，隨著淺表礦體的開采消耗，礦山開采逐漸向著深部發(fā)展。在礦山的生產(chǎn)過程中，由于采用空場法或類似方法，在回采礦房時，采場以敞空的形式，僅依靠存留在礦房中的礦柱和圍巖的強度來支撐空區(qū)，因此而形成巨大的采空區(qū)［1］。而對于前期的開采所留下的空區(qū)，如果不進行處理的話，隨著時間的推移或暴露面積的增大、礦山生產(chǎn)和爆破擾動的影響，將會成為巨大的隱患，威脅后續(xù)的安全生產(chǎn)。

如果采空區(qū)的頂板暴露面積較大，隨著時間的推移，頂板圍巖在重力和圍巖應(yīng)力的共同作用下，會使得頂板圍巖出現(xiàn)變形破壞，并表現(xiàn)出下面兩種可能：a由地表沉陷而引起的地質(zhì)災害；b頂板冒落而產(chǎn)生空氣沖擊波的危害。

本文以云南怒江某鎢礦石缸河東部礦段為工程背景，分析V1號礦體采空區(qū)穩(wěn)定性和對后續(xù)開采活動的影響，并提出對采空區(qū)處理措施的建議［2-4］。

1 礦山基本情況

1.1 礦山概述

石缸河礦段位于礦區(qū)西南角，南起卡房丫口，北至墓地坪斷裂。石缸河礦段又分東、西兩個大致平行的長1.4 km的礦帶，礦體賦存于志本山花崗巖體西北部的外接觸帶中的蝕變閃長—輝長巖脈中，礦石類型為石英電氣脈型。

V1礦體：分布在礦段中東部，沿F6斷層西側(cè)呈大脈狀賦存于核桃坪組下段第三層地層的構(gòu)造破碎帶中，總體走向北西，傾向南西或北東，傾角50 （o）～85 （o）。礦體長785 m，斜深42 ～ 168 m，平均116 m，厚0.73 m，平均5.27 m。單工程平均品位：錫0.124％～ 1.625％，三氧化鎢0.225％ ～ 0.862％。礦體平均品位：錫0.322％，三氧化鎢0.448％。

V3礦體：總體走向北西，傾向南西或北東，傾角50 （o）～ 85 （o），厚1.0 ～ 3.45 m，平均2.27 m；V5-2礦體：總體走向與V3礦體，傾向南西或北東，厚0.54 ～24.52 m，平均7.42 m。V3和V5-2礦體屬鄰近礦體。

采用平硐+盲斜井的開拓運輸方式。根據(jù)礦體條件采用分段鑿巖階段出礦分段空場采礦法。礦塊沿礦體走向連續(xù)布置，沿走向長50 m，礦塊高度與中段高一致，礦房長44 m，礦房寬為礦體厚，間柱寬6 m，底柱高10 m，分段高10 m。如圖1所示。

石缸河礦段東部中段高度25 ～ 60 m。從上而下分為：2 260，2 230，2 205，2 145，2 110，2 070 m 6個中段，其中：2 260，2 230 m為回風中段；2 205，2 145，2 110，2 070 m 4個中段為生產(chǎn)中段。本文主要以2205，2145，2110 m 3個中段為研究對象。

1.2 采空區(qū)情況

本文中數(shù)據(jù)在礦山成立的采空區(qū)調(diào)查小組，進行的采空區(qū)現(xiàn)場調(diào)查及在開采現(xiàn)狀單體設(shè)計基礎(chǔ)上，主要對較大采空區(qū)進行了測繪、統(tǒng)計工作，得到各中段采空區(qū)暴露面積表，見表1。

圖1 分段鑿巖階段出礦分段空場采礦法

表1 采空區(qū)初步調(diào)查表

2 模 擬

2.1 建立采空區(qū)分析模型

根據(jù)礦山的賦存條件、實際形態(tài)以及邊界范圍選取原則，利用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，模型尺寸大小為297.3 m×500 m×314.62 m，即垂直礦體走向方向取297.3 m（x方向），沿礦體走向方向取500 m（y方向），鉛垂方向取314.62 m（z方向），模型x、y方向和底部均采用位移固定約束。模型中垂直應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，水平應(yīng)力由于礦山未進行地應(yīng)力實測，因此根據(jù)計算所得的側(cè)壓力系數(shù)λ對水平應(yīng)力進行賦值。設(shè)置單元格100 850個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)108 087個。模型如圖2。

2.2 定義模型材料屬性

本模型選用摩爾—庫倫模型，該模型所需巖石力學參數(shù)如表2。

圖2 模型圖

表2 模型巖石力學參數(shù)

2.3 開挖計算

該模擬首先是計算在沒有回采時由于重力引起的沉降位移和速度，使之歸零，然后按照由上而下的順序逐個開挖2 205中段、2 145中段2 110中段，計算在自重力條件下各中段回采結(jié)束后空區(qū)的應(yīng)力、位移、剪切破壞等的情況。設(shè)置結(jié)算精度為1e-5，計算其結(jié)果［5-8］。

2.4 采空區(qū)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

對于巖體的破壞機理，可將巖體破壞分為剪切破壞和拉伸破壞，而采空區(qū)圍巖的破壞主要是以剪切破壞為主。在實際的工程問題中，由于問題存在的復雜性和影響因素眾多等條件，在滿足工程需要的前提下，可以采用數(shù)值模擬技術(shù)來對實際工程問題進行近似模擬。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對采空區(qū)圍巖的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等進行穩(wěn)定性分析。本文主要分析空區(qū)圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)，見圖3 ～ 8。

圖3 2 205中段開挖后z方向位移

圖4 2 110中段開挖后z方向位移

隨著開挖的進行，各中段的位移變化量如表3。

表3 各中段開挖后Z方向位移

從圖3和圖4可知，當開挖完2205中段的礦體，采空區(qū)圍巖在Z方向上出現(xiàn)豎直向下的位移，其形狀接近于橢圓形，其最大值為1.48 cm，而在底板出現(xiàn)底臌現(xiàn)象，近似于拱形，其最大值為1.25 cm；當開挖完三個中段后，位移主要集中在下部兩個中段，在2145中段出現(xiàn)明顯的豎直向下的位移，其最大值為2.19 cm，而在2110中段出現(xiàn)底臌現(xiàn)象，其值約為1.5 cm。

圖5和圖6分析的是z方向的應(yīng)力，當開挖2205中段時，采空區(qū)的最大拉應(yīng)力為6.8 Mpa，而當開挖完2110中段的礦體后，采空區(qū)的最大拉應(yīng)力變?yōu)?.6 Mpa，并出現(xiàn)壓應(yīng)力，其值最大為6.6 Mpa，說明每次隨著開挖的進行，都會使得應(yīng)力重新分布并達到平衡，且應(yīng)力值會逐漸增大。

圖5 2 205中段開挖后Z方向應(yīng)力

圖6 2 100中段開挖后Z方向應(yīng)力

圖7～8顯示的是開挖后塑性破壞范圍示意圖，對于塑性區(qū)而言，顯示的是破壞區(qū)域的大小，而不是應(yīng)力值的大小，塑性區(qū)存在的是不可恢復的變形，也就是說如果圍巖發(fā)生塑性變形，就不能恢復原狀，從而產(chǎn)生破壞塌落。從圖可知，當開挖完2 205中段的礦體后，塑性區(qū)主要表現(xiàn)在2 205中段礦體的上盤，而隨著開采的進行，當2 145、2 110中段開采完后，塑性區(qū)主要集中表現(xiàn)在礦體的下盤。

綜上所述，圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)主要集中在下面兩個中段。當采空區(qū)上盤頂板圍巖產(chǎn)生位移時，同時頂板圍巖應(yīng)力又比較集中，而塑性區(qū)又主要集中在下盤，塑性區(qū)部分變形不可恢復，從而可能直接導致大范圍的塌陷，這對礦山的生產(chǎn)存在著重大的安全隱患，需要及時采取處理措施。

圖7 2 205中段開挖后塑性區(qū)分布圖

圖8 2 110中段開挖后塑性區(qū)分布

3 采空區(qū)處理

3.1 采空區(qū)處理方法的選擇

目前，采空區(qū)的處理方式主要可概括為“崩”“充”“支”“封”4種基本處理方法和由這4種基本方法組合而成的“聯(lián)合法”處理采空區(qū)［9-11］。

然而，每種采空區(qū)處理方法都有其優(yōu)缺點和具體適用條件。因此，必須綜合考慮礦山的礦巖特性、采空區(qū)的分布特性、暴露面積等因素，確定出經(jīng)濟合理，技術(shù)可行、安全可靠的采空區(qū)處理方法。

雖然崩落法處理采空區(qū)費用最低，但由于礦體地表不允許陷落、某些采空區(qū)不穩(wěn)定隨時可能發(fā)生頂板冒落這些因素，若采用強制崩落法，易對施工人員的安全構(gòu)成威脅，而且也可能對下部采場生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生影響。支撐法處理采空區(qū)只能夠暫時緩解空區(qū)的穩(wěn)定性，起不到根治的作用，所以支撐法處理不合適。使用充填料對采空區(qū)進行充填，充填體在一定程度上阻礙和限制了圍巖的變形，并在一定程度上避免了地壓的危害，雖然充填采空區(qū)并不能完全消除巖體的變形與破壞，但在一定程度上大大降低了巖體的移動范圍［12］。充填是處理采空區(qū)的一種有效手段，但充填的成本較大，需要研究出高性能低成本的充填材料和先進的充填工藝技術(shù)來降低企業(yè)生產(chǎn)成本。封閉+廢石充填聯(lián)合法，是一種經(jīng)濟、簡單的處理方法，可以緩解圍巖和礦柱的應(yīng)力集中降低治理成本，提高采空區(qū)的穩(wěn)定性，結(jié)合了兩種方法的優(yōu)點。

綜上所述，處于穩(wěn)定狀態(tài)的采空區(qū)應(yīng)進行封閉隔離處理，為了使采空區(qū)冒落產(chǎn)生的沖擊波不至造成危害，因此在通往采空區(qū)的巷道應(yīng)設(shè)置封閉隔離墻處理。對于處于失穩(wěn)狀態(tài)的采空區(qū)，應(yīng)選擇封閉+廢石充填聯(lián)合法進行處理，從而限制圍巖的移動破壞。

3.2 充填效果模擬分析

利用FLAC3D對采空區(qū)進行充填，分析廢石充填后的空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)，模擬分析所采用的廢石充填體的力學參數(shù)如下表4。

表4 廢石充填體力學參數(shù)表

對采空區(qū)進行廢石充填的模擬分析，以下為模型充填后的Z方向應(yīng)力、位移云圖見圖9～圖10。

圖9 廢石充填后X方向位移云

圖10 廢石充填后Z方向應(yīng)力云

從圖9可知，對采空區(qū)進行廢石充填后，對于2 110中段，Z、X方向上的位移較充填前的值均出現(xiàn)降低，其原因主要是由于充填體與圍巖的相互作用，改善了圍巖的應(yīng)力分布情況，減緩了圍巖的變形和地表的繼續(xù)下沉。

從圖10可知，由于采用了充填采空區(qū)的方式，使得采空區(qū)的最大拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)改變，最大壓應(yīng)力由充填前的8.6 MPa降低為4.1 MPa，而拉應(yīng)力變?yōu)?.37 MPa，遠小于圍巖的抗拉強度。因此，充填后該區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)可以認為是穩(wěn)定的。

綜上所述，對采空區(qū)采取充填措施，上下盤圍巖、空區(qū)的頂?shù)桶迨芰顟B(tài)均出現(xiàn)明顯改善，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力明顯減小，各方向上的位移量也都呈現(xiàn)明顯的下降狀態(tài)，且位移量均較小。因此充填后的各個中段的采空區(qū)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1）采用FLAC3D對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行分析是一種十分有效的計算方法，為礦山的安全高效開采提供技術(shù)指導。

2）模擬分析表明，礦山的任何一`次開采都會破壞原巖應(yīng)力的平衡分布，使得開挖區(qū)的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)發(fā)生變化。當開采完3個中段后，圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)主要集中在下面兩個中段，并出現(xiàn)較大的應(yīng)力和塑性區(qū)集中現(xiàn)象，因此需要進行處理；

3）分析各種采空區(qū)的處理方式，并針對該礦山的實際情況，提出經(jīng)濟合理并效果較好的處理方式，即封閉+廢石充填聯(lián)合法進行處理采空區(qū)，將會達到消除采空區(qū)對礦山安全的影響。

4）通過模擬顯示，充填后各中段的采空區(qū)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

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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

殷國華（1993-） 男，四川廣安人，在讀碩士研究生，研究方向：礦床開車理論及應(yīng)用，手機：13547619968，E-mail：1032299812@qq.com.