復雜采空區影響下后續礦體開采穩定性分析

李謝平，童志鵬

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在礦山開采過程，房柱法、全面法、底盤漏斗空場法等空場類采礦方法的應用，通常會形成大量的地下采空區。特別是，無秩序、無規劃的亂采濫挖在開采區域或其周邊留下了大量的采空區，致使礦山開采條件惡化，既嚴重影響礦山生產和安全，又極大地破壞和浪費了寶貴的資源。因此，采空區的穩定研究顯得尤為重要，其穩定性分析與評價是非常復雜的過程，應用數值模擬的方法可有效分析采空區周邊巖石的應力分布規律及其變形趨勢。

為此，針對某銅礦地下開采所形成的復雜采空區，依據其賦存條件、礦巖特性、后續開采區分布等已知條件，建立三維數值模擬計算模型，分步驟分析采空區未充填、充填后以及后續開采時，圍巖及頂底板的應力和塑性區分布規律、位移變形趨勢，來為礦山后續的安全生產提供保障。

1 工程概況

某銅礦地表山勢陡峭，地下開采范圍較大，自22#至43#勘探線范圍，開采區域南北長700 m，東西寬300 m，開采標高3 050～3 300 m。礦體為上、下兩層緩傾斜分布，前期采用空場法進行開采，采空區賦存狀態復雜、數量多、體積大，前期開采共產生218個采空區，采空區總體積280.1 萬m3，典型的剖面分布見圖1。

圖1 采空區、后續開采礦體空間分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial distribution of mined-out areas and subsequent mining bodies

因前期的開采順序混亂、近地表盤區被先期開采，在采空區的周邊尚保有大量的礦體資源未進行開采。后續礦體開采時，擬采用空場嗣后充填采礦法進行開采，主要的采礦方法及參數如下。底盤漏斗空場充填法：用于開采厚度大于8 m的礦體，盤區長度36 m，盤區間柱寬度5 m，中段礦柱寬5 m。

房柱采礦法：用于開采厚度4～8 m的礦體，盤區長度36 m，盤區間柱寬度3 m，中段礦柱寬3 m，點柱尺寸3×2.5 m。

全面采礦法：用于開采厚度小于4 m的礦體，盤區長度36 m，盤區間柱寬度3 m，中段礦柱寬3 m。

受采空區制約，后續礦體的開采存在較大安全隱患，需評價當前采空區的整體穩定性，并分析后續礦體的開采安全性，提出合理的安全保障措施。

2 計算模型的建立

2.1 礦巖物理力學參數

礦巖物理力學參數是計算結果可靠性的主要影響因素，巖體可視為巖塊和結構面組成的地質體。因尺寸效應和不連續面的影響，巖體的強度往往小于巖塊的強度，在巖體工程研究中，應采用巖體強度指標，而不能使用巖塊強度指標。

依據試樣加工與礦巖各項物理力學參數的測試試驗，綜合工程地質調查、巖體質量評價、現場實際采場圍巖揭露情況，利用Hoek-Brown準則進行巖石物理力學參數的折減處理，所選用的巖體物理力學參數結果見表1。

表1 巖體物理力學參數選用表Tab.1 Selection table of physical and mechanical parameters of rock mass

2.2 計算模型的建立

該次計算采用的幾何模型y方向為礦體走向方向，長度620 m；模型x方向垂直礦體走向方向，長度1 300 m；模型z方向為豎直方向，模型底部標高2 950 m，頂部最高標高3 420 m，模型最高高度470 m。采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型。模型共劃分841 152個單元體，870 765個節點，最終生成的網格和建好的模型見圖2。

圖2 建立的三維數值計算模型Fig.2 3D numerical calculation model

2.3 計算步驟的選取

為了再現當初礦體被開采以后采空區周邊圍巖的破壞狀態，該次計算步驟分如下階段，用FLAC3D來模擬圍巖在已確定材料特性作用下的變形與應力狀態發展趨勢。該次計算采用與現場礦體開采基本一致的順序進行模擬：

(1)現狀階段，已開采形成的空區對地表及上覆巖層的穩定性影響分析；

(2)后續階段，對已形成的采空區進行充填后，地表及上覆巖層的穩定性影響分析；

(3)后續階段，分別分析后續礦體開采及充填后，采場、開采區域整體的穩定性分析。

3 采空區條件下后續開采的穩定性數值模擬及結果分析

礦體被開采后，形成一定的采場空間，巖體中的原巖應力平衡狀態受到破壞，應力重新分布，一些部位應力集中，另一些部位應力降低。維護采場穩定性主要是依靠圍巖、充填體及礦柱自身強度來支撐采場空間結構。

3.1 現狀階段已形成采空區對地表及上覆巖層的穩定性影響分析

為了分析已形成的采空區對地表及上覆巖層穩定性影響，在前述數值模型的基礎上，從巖體位移變形、巖體應力狀態、塑性區分布等角度出發，進行穩定性分析。

3.1.1 巖體位移變形分布

現狀階段采空區形成以后，近地表邊坡最大下沉位移值為35 cm，見圖3。說明山體受地下開采擾動，下沉變形很大，隨著時間推移，近地表采場圍巖強度將因風化和雨水侵蝕逐漸降低，加上邊坡受大型結構面的切割作用下，近地表采場頂板巖層可能會沿著大型結構面滑移，失穩垮塌，并逐漸冒落貫通至地表。因此，上層礦體上部的山體邊坡處于不穩定狀態。

圖3 現狀階段地表邊坡下沉位移變形云圖Fig.3 Cloud diagram of displacement and deformation of the surface slope in the current stage

已開采采場頂板最大下沉變形位移為44 cm，見圖4。下沉變形很大，說明現有未充填處理空區的存在，加上多個采場連采，將會造成頂板巖層存在開裂冒落的風險。后續礦體開采時，周邊原有的空區需提前進行充填處理并接頂，后續盤區回采結束后及時充填；最優的地壓控制方式是跳采，其次為隔一采二，要避免同水平相鄰多盤區連續回采，避免相鄰多盤區采后形成的空區同時暴露，控制好整個開采區域的跨度。

圖4 現狀階段各剖面頂板和邊坡下沉位移變形云圖Fig.4 Cloud diagram of displacement and deformation of the roof and slope of each section in the current stage

3.1.2 巖體應力狀態分布

(1)最大壓應力分布

采場頂板、礦柱及圍巖最大壓應力分布云圖見圖5。可以看出現狀階段采空區形成后，原巖中存在的應力平衡狀態受到擾動，在空區周圍引起應力和位移的重新分布，采場礦柱出現了一定的應力集中，礦柱所承受的最大壓應力為40 MPa左右，采場頂板所承受的最大壓應力為20 MPa左右，處于較高應力屈服狀態。

備注：“+”表示應力為拉應力；“-”表示應力為壓應力圖5 現狀階段各剖面采場礦柱及圍巖最大壓應力分布云圖Fig.5 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

(2)最大拉應力分布

最大拉應力分布云圖見圖6。可以看出礦體被開采后，采場礦柱未出現拉應力，采場礦柱整體上將不會發生拉伸破壞；而采場頂底板卻出現了拉應力，拉應力值為1～1.8 MPa，超過了頂板的抗拉強度值，頂板將會出現拉伸破壞，說明現有大量未充填處理空區的存在，以及采場跨度偏大，頂板和圍巖不穩定，后續開采會不安全，需對已形成的空區進行充填處理，同時減小采場跨度。

圖6 現狀階段各剖面采場礦柱及圍巖最大拉應力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

3.2 后續階段采空區充填后對采場頂板穩定性的影響分析

在前述穩定性分析的基礎上，建議在后續礦體開采前，對已有采空區進行充填。因此，需模擬已有采空區進行充填后，分析采場頂板應力狀態，為后續的開采安全性提供評判依據。

3.2.1 最大壓應力分布

采場頂板、礦柱及圍巖最大壓應力分布云圖見圖7。可以看出后續階段空區充填接頂后，采場礦柱還是出現了一定的應力集中，礦柱所承受的最大壓應力為27 MPa左右，比未充填之前礦柱所承受的最大壓應力40 MPa要降低了很多；充填后采場頂板所承受的最大壓應力為15 MPa左右，比未充填之前頂板所承受的最大壓應力20 MPa也降低了一定數值，說明充填體也承擔了一部分來自于頂板的壓力，同時還有充填體提供的圍壓，使得采場礦柱處于三向應力狀態，大大提高了采場頂板及礦柱的強度。

3.2.2 最大拉應力分布

最大拉應力分布云圖見圖8。可以看出后續階段空區充填接頂后，采場礦柱未出現拉應力，采場礦柱整體上將不會發生拉伸破壞；而采場頂底板還是出現了拉應力，拉應力最大值為0.67 MPa，比未充填之前頂板所承受的最大拉應力1.8 MPa要降低了很多，充填接頂后基本未超過頂板的抗拉強度值，頂板不會出現大規模的拉伸破壞現象。

備注：“+”表示應力為拉應力；“-”表示應力為壓應力圖7 后續階段空區充填后，各剖面采場礦柱及圍巖最大壓應力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope after the mined-out area is filled in the subsequent stage

圖8 后續階段空區充填后，各剖面采場礦柱及圍巖最大拉應力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rock of each section after the mined-out area is filled in the subsequent stage

3.3 后續深部礦體開采穩定性分析

(1)后續礦體開采后塑性擾動區分布云圖見圖9。可以看出在周邊采空區充填接頂后，后續礦體開采時，大部分采場的頂、底板和地表邊坡產生了少量分散的塑性擾動區，只是在7#剖面附近的采場頂板和底板產生了一定厚度的塑性擾動區，頂板塑性區高度為15 m左右，因此后續開采區域在當前的采場結構參數情況下，采場頂板有一定的自穩能力，頂板不會發生大面積的垮塌冒落，采場頂板巖層整體上處于基本穩定狀態。

(2)從圖9中可以看出后續開采產生的采空區膠結充填接頂后，采場頂板、礦柱及地表邊坡基本未出現塑性擾動區，說明膠結充填后，在很大程度上改善了采場圍巖的應力狀態，大幅度減少了塑性區的出現，所以采空區充填后，大大改善了圍巖受力狀態，不會引發地表邊坡破壞，及時充填后采場頂板及圍巖會長久穩定。

備注：黑色表示彈性區；白色表示剪切塑性區。圖9 后續礦體開采及充填后，各剖面塑性擾動區分布云圖Fig.9 Cloud diagram of the distribution of plastic disturbance zones in each section after subsequent mining and filling of the ore body

因此，在后續階段已形成采空區充填接頂的條件下，后續礦體的開采，頂板產生的塑性擾動區范圍非常有限，采場頂板在前述的采場結構參數情況下有一定的自穩能力，頂板巖層不會發生大面積的垮塌冒落，且地表邊坡未出現大量連片的塑性擾動區，不會引起地表邊坡發生垮塌傷害。

4 結 語

針對已形成復雜采空區對開采的制約，后續礦體開采時，頂板及上覆巖層的穩定性問題，建立了莫爾-庫倫Mohr-Coulomb)彈塑性本構數值模型，分步驟分析了當前采空區的穩定性、采空區充填后的穩定性、以及后續開采時的采場穩定性。

(1)現狀階段采空區形成后，近地表邊坡下沉變形很大，山體受開采擾動很大；采場礦柱未出現拉應力，采場礦柱整體上不會發生拉伸破壞；但采場頂底板卻出現了拉應力，拉應力值為1～1.8 MPa，超過了頂板的抗拉強度值，頂板將會發生拉伸破壞。

(2)后續階段采空區膠結充填接頂后，在很大程度上改善了采場圍巖的應力狀態；采場圍巖所承受的最大壓應力和最大拉應力要比未充填之前圍巖所承受的應力降低很多，說明充填體承擔了一部分來自于頂板的壓力；同時充填體提供的圍壓，使采場礦柱處于三向應力狀態，大大提高了采場頂板及礦柱的強度；空區充填后上覆巖層整體是穩定的，后續礦體的開采，安全是有保障的。

(3)在周邊空區充填接頂的條件下，后續礦體開始時，塑性擾動區范圍非常有限，頂板巖層不會發生大面積的垮塌冒落，且地表邊坡未出現大量連片的塑性擾動區，不會引起地表邊坡發生垮塌傷害。

(4)同時為防止后續開采的采場頂板及周邊圍巖出現連片塑性區，建議采場之間采用“跳采”方式或“隔一采二”方式回采，縮短同時開采的空區跨度，有利于采場地壓管理，實現礦體安全回采。