摘要：為了解某地下礦山群采空區(qū)的存在對(duì)二、三中段主平巷的穩(wěn)定性影響，采用3Dmine軟件建模，統(tǒng)計(jì)分析采空區(qū)現(xiàn)狀，并由此建立三維數(shù)值模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，分別從群采空區(qū)對(duì)主平巷的最大、最小主應(yīng)力，位移及塑性區(qū)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：最大拉應(yīng)力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，絕大部分區(qū)域的沉降位移小于2.0 cm，塑性區(qū)呈零星分布，無貫通現(xiàn)象及趨勢(shì)，發(fā)生大范圍塑性破壞的可能性較小。根據(jù)采空區(qū)大小、形態(tài)及礦山后續(xù)實(shí)際回采方案，提出采用崩落法及鋼筋混凝土全封閉阻波墻等手段處理采空區(qū)，同時(shí)建議礦山根據(jù)實(shí)際情況對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以確保主平巷及回采安全。

關(guān)鍵詞：群采空區(qū)；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析；采空區(qū)治理；3D建模；崩落法；應(yīng)力集中；補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

[中圖分類號(hào)：TD325 文章編號(hào)：1001-1277（2025）04-0008-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250402 ]

引言

地下資源作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支撐，經(jīng)過長(zhǎng)期的開采，地下礦山不免出現(xiàn)大量的采空區(qū)。由于采動(dòng)影響，采空區(qū)可能發(fā)生或大或小的崩塌，逐漸形成采空區(qū)群，對(duì)地表、井下巷道及井下回采造成重大的安全隱患。國(guó)家及企業(yè)逐漸重視并開始治理井下采空區(qū)［1-7］，相關(guān)學(xué)者也針對(duì)井下采空區(qū)治理進(jìn)行了研究。余正方等［8-11］采用數(shù)值模擬、精細(xì)探測(cè)等手段對(duì)礦山井下群采空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)及穩(wěn)定性分析，了解采空區(qū)可能發(fā)生的頂板冒落及圍巖片幫機(jī)理，為后續(xù)采空區(qū)處理奠定基礎(chǔ)；劉強(qiáng)等［12-16］通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段對(duì)圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力變化可分為遞變式、突跳式、振蕩式和復(fù)合式變化4種模式，由此建立圍巖應(yīng)力變化的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)井下應(yīng)力變化實(shí)時(shí)預(yù)警提供參考；趙東等［17-21］對(duì)近采空區(qū)的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出了崩落及封閉隔離等采空區(qū)治理方案。

某礦山前期受民采破壞嚴(yán)重，遺留大量形狀不規(guī)則、大小不一的采空區(qū)，為研究群采空區(qū)對(duì)正?；夭芍髌较锓€(wěn)定性的影響，開展了采空區(qū)調(diào)查研究，并分析了群采空區(qū)對(duì)主平巷穩(wěn)定性的影響，為該礦山處理采空區(qū)及主平巷應(yīng)力集中區(qū)提供數(shù)據(jù)支撐。

1工程概況

該礦山是一座露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，采用豎井開拓方式。礦體平均厚度約22 m，走向長(zhǎng)約1 km，平均傾角61°，礦床地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦體受層位控制，鐵、銅、鉛、鋅等礦體對(duì)巖性具有明顯的選擇性，不同礦種的礦體賦存于不同的巖層中。由于前期受民采破壞，井下條件極為復(fù)雜，形成了諸多大小不一、形狀不規(guī)則的采空區(qū)。受井下采動(dòng)影響，采空區(qū)的長(zhǎng)期存在對(duì)于安全生產(chǎn)是重大隱患，因此有必要對(duì)井下采空區(qū)的形態(tài)及現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。根據(jù)礦山實(shí)際勘查情況，民采回采已涉及二中段及三中段2個(gè)中段。礦山對(duì)大小、形態(tài)各異的采空區(qū)進(jìn)行了分析掃描，并采用3Dmine等工程軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了三維數(shù)字建模統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，累計(jì)形成采空區(qū)總體積為95 951 m3，如表1所示。

由表1可知：301，201，202，203共計(jì)4個(gè)采空區(qū)的體積約占總采空區(qū)體積68.99 %，二中段采空區(qū)體積約占總采空區(qū)體積66.05 %。雖然目前采空區(qū)的體積較小，但是隨著時(shí)間的推移，有可能發(fā)生變化，因此必須進(jìn)行有效的治理和管控，預(yù)防因采空區(qū)造成的安全事故。

2群采空區(qū)對(duì)中段平巷穩(wěn)定性影響分析

2.1計(jì)算模型建立

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及采空區(qū)實(shí)際測(cè)量情況，采用Flac3D軟件建立計(jì)算模型。為了保證模擬計(jì)算的快速、準(zhǔn)確，選擇水平走向?yàn)閤方向，垂直走向?yàn)閥方向，豎直向上為z方向，按照1∶1的比例建立模型，形成了尺寸為1 500 m×1 400" m×1 000 m的計(jì)算模型（如圖1所示），共劃分312 865個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，1 835 984個(gè)四面體網(wǎng)格單元。根據(jù)礦山現(xiàn)有數(shù)據(jù)，選用如表2所示的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2中段平巷穩(wěn)定性分析

考慮到群采空區(qū)離中段平巷的位置較近，為更清晰地了解群采空區(qū)對(duì)中段平巷穩(wěn)定性的影響，在整體模型的基礎(chǔ)上將z方向和x方向剖切，進(jìn)行中段平巷穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。其中，z方向剖面可以剖切平巷全貌，x方向的剖面位置為離采空區(qū)較近的一段平巷，剖面位置如圖2所示。

2.2.1主應(yīng)力分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得到了二中段及三中段平巷在z方向的最大主應(yīng)力和x方向的最大主應(yīng)力，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知：二中段及三中段平巷主應(yīng)力分布較為均勻，各區(qū)段的主應(yīng)力大小差別不大，僅在巷道轉(zhuǎn)彎處存在較為明顯的應(yīng)力差異，說明在轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中；但二中段及三中段平巷最大拉應(yīng)力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，均小于礦（巖）體及混凝土的抗拉強(qiáng)度，說明二中段及三中段平巷發(fā)生拉破壞的可能性較?。煌瑫r(shí)也說明主平巷的支護(hù)措施完全滿足各項(xiàng)任務(wù)需要。

2.2.2位移分析

根據(jù)前述應(yīng)力云圖分析結(jié)果，主平巷各個(gè)位置的沉降或位移應(yīng)該均較小，巷道破壞的可能性較小。二中段及三中段在x、y、z方向的位移云圖如圖5所示。

由圖5可知：中段平巷水平方向總體位移不大，分布較為均勻；z方向位移總體較小，絕大部分區(qū)域的沉降位移小于2.0 cm，三中段、二中段平巷最大沉降位移分別為1.06 cm、3.14 cm，分布于巷道中間段。三中段平巷x方向最大位移為7.01 cm，y方向最大位移為3.51 cm；二中段平巷x方向最大位移為5.27 cm，y方向最大位移為4.22 cm。

2.2.3塑性區(qū)分析

二中段及三中段在x方向及z方向的塑性區(qū)云圖如圖6所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，模型內(nèi)出現(xiàn)了shear-n、shear-p、tension-p不同狀態(tài)及復(fù)合狀態(tài)的塑性區(qū)，但絕大部分為過去時(shí)步的塑性區(qū)，離采空區(qū)更近的部分巷道存在少量當(dāng)前時(shí)步的塑性區(qū)，但呈零星分布，未連接成片，無貫通現(xiàn)象及趨勢(shì)，可以認(rèn)為，中段平巷發(fā)生大面積塑性破壞的可能性較小。

綜上所述，結(jié)合主應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分析結(jié)果，二中段及三中段平巷最大拉應(yīng)力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，二中段及三中段平巷發(fā)生拉破壞的可能性較小。中段平巷水平方向總體位移不大，分布較為均勻；z方向位移總體較小，絕大部分區(qū)域的沉降位移小于2.0 cm。中段平巷頂板及兩幫塑性區(qū)較少，呈零星分布，未連接成片，無貫通現(xiàn)象及趨勢(shì)，發(fā)生大范圍塑性破壞的可能性較小。因此可以認(rèn)為，中段平巷較為穩(wěn)定，由于應(yīng)力的集中和傳遞，巷道轉(zhuǎn)彎處和距離采空區(qū)更近的部分存在一定的塑性破壞可能，需在此處補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3采空區(qū)治理

3.1二中段采空區(qū)

3.1.1采空區(qū)概況

二中段采空區(qū)形成時(shí)間較長(zhǎng)，礦（巖）體較為穩(wěn)固，因此前期并未采取相應(yīng)處理措施，但局部暴露面積較大的區(qū)域由于地應(yīng)力分布及形成時(shí)間較久等緣故，出現(xiàn)局部冒落。目前，采空區(qū)的現(xiàn)狀調(diào)查情況如表3所示，結(jié)合表1可以看出，二中段采空區(qū)雖然暴露面積小，但回采高度較高，整體穩(wěn)定性欠佳，該區(qū)域群采空區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)并不是很高，個(gè)別采空區(qū)趨于穩(wěn)定。

3.1.2采空區(qū)治理方案

現(xiàn)存采空區(qū)體積約63 370 m3，整體采空區(qū)的體積均較大，其中，201采空區(qū)、202采空區(qū)、203采空區(qū)的體積分別為23 445 m3、16 245 m3及14 097 m3，存在冒落風(fēng)險(xiǎn)。為避免較大沖擊波，故將201采空區(qū)、202采空區(qū)、203采空區(qū)采用崩落法進(jìn)行處理；204采空區(qū)的暴露面積和體積均最小，體積不超過10 000 m3，因此采用鋼筋混凝土全封閉阻波墻處理（如圖7所示），工程量為200 m3。阻波墻墻體采用C20混凝土現(xiàn)澆。澆筑時(shí)注意接頂，不留空隙。鋼筋主筋為?16～18 mm螺紋鋼，間距400 mm，副筋為?6～8 mm圓鋼，間距600 mm。巖石阻波墻采用淺孔或深孔將巷道或其他通道兩幫和頂板圍巖剝落，填滿接頂。填滿接頂長(zhǎng)度10～15 m。巖石不多時(shí)，以砂石補(bǔ)充。

3.2三中段采空區(qū)

3.2.1采空區(qū)概況

三中段采空區(qū)形成時(shí)間較長(zhǎng)，礦（巖）體較為穩(wěn)固，因此前期并未采取相應(yīng)處理措施，但局部暴露面積較大的區(qū)域（如301采空區(qū)）由于地應(yīng)力分布及形成時(shí)間較久等緣故，出現(xiàn)局部冒落。目前，采空區(qū)的現(xiàn)狀如表4所示，結(jié)合表1可以看出，個(gè)別采空區(qū)存在較大面積空區(qū)，但整體的回采高度不高，且該區(qū)域采空區(qū)的整體穩(wěn)定性較好，屬于較穩(wěn)定、局部區(qū)域不穩(wěn)定的采空區(qū)類型。

3.2.2采空區(qū)治理方案

現(xiàn)存采空區(qū)體積約32 581 m3，301采空區(qū)和303采空區(qū)的空?qǐng)雒娣e較大，可能會(huì)發(fā)生冒頂現(xiàn)象，特別是301采空區(qū)的體積達(dá)到12 408 m3，該采空區(qū)位于最西側(cè)，相對(duì)另外4個(gè)采空區(qū)位置較為獨(dú)立。為避免較大沖擊波且考慮到礦山后續(xù)將使用無底柱分段崩落采礦法開采，在頂部形成覆蓋層是使用該方法采礦的先決條件，因此提前采用崩落法處理三中段的采空區(qū)，如圖8所示。

4結(jié)論

1）結(jié)合二中段及三中段群采空區(qū)對(duì)主平巷的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分析結(jié)果，最大拉應(yīng)力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，絕大部分區(qū)域的沉降位移小于2.0 cm，塑性區(qū)呈零星分布，無貫通現(xiàn)象及趨勢(shì)，發(fā)生大范圍塑性破壞的可能性較小。

2）研究了二中段和三中段的采空區(qū)治理方案，根據(jù)采空區(qū)大小、形態(tài)及礦山后續(xù)實(shí)際回采方案，提出采用崩落法及鋼筋混凝土全封閉阻波墻手段，按先上后下、由高到低依次進(jìn)行，逐步緩解采空區(qū)安全隱患。

3）建議礦山對(duì)主平巷轉(zhuǎn)彎處等應(yīng)力集中的地方進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止其發(fā)生塑性破壞。

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Impact analysis of goaf groups on main drifts and goaf treatment solutions

Ou Zhicheng1， Peng Yuejin2， 3， Yang Ning2， 3， Ou Renze2， 3， Wang Huilin1

（1.West Mining Co.， Ltd.;

2.Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.; 3.National Engineering Research Center for Metal Mining）

Abstract： To investigate the stability impacts of existing goaf groups on the main drifts in Level 2 and Level 3 of an underground mine， this study utilized 3Dmine software modeling to statistically analyze the current state of goafs. A 3D numerical model was subsequently developed for computational simulations， focusing on the maximum/minimum principal stresses， displacement， and plastic zones induced by the goaf groups. Analysis results indicate that the maximum tensile stresses are approximately 0.85 MPa and 1.34 MPa， with settlement displacements in most areas below 2.0 cm. Plastic zones are sporadically distributed without connectivity or coalescence trends， suggesting a low probability of large?scale plastic failure. Based on goaf geometries and subsequent mining plans， treatment strategies such as caving methods and fully enclosed reinforced concrete wave?blocking walls are proposed. Additionally， reinforcement support measures for stress?concentrated zones are recommended to ensure the safety of main drifts" and mining operations.

Keywords：goaf groups; numerical simulation; stability analysis; goaf treatment; 3D modeling; caving method; stress concentration; reinforcement support

收稿日期：2024-10-23；修回日期：2024-11-30

基金項(xiàng)目：“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC2905102）

作者簡(jiǎn)介：歐志成（1982—），男，高級(jí)工程師，從事礦山管理及采礦技術(shù)研究工作；E?mail：307446504@qq.com

*通信作者：彭躍金（1993—），男，工程師，碩士，從事礦山采礦技術(shù)研究工作；E?mail：1820943728@qq.com