群脈開采的采空區(qū)穩(wěn)定性相互影響分析

趙子巍

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

脈狀礦體賦存規(guī)模較小，采后形成的采空區(qū)亦較為狹小，當脈狀礦體呈急傾斜展布時，其采空區(qū)側(cè)幫幾乎呈直立狀，有利于保持結構穩(wěn)定。且其頂板暴露面積有限，相對于大面積開采形成的采空區(qū)，通常自穩(wěn)性也較好。

多條脈狀礦體距離較近，形成群脈時，則開采面臨的采空區(qū)問題要比單脈復雜得多。尤其是當群脈產(chǎn)狀不一，形態(tài)變化不規(guī)則，礦脈間距時近時遠時，各脈開采過程中應力發(fā)生大幅調(diào)整，采空區(qū)的穩(wěn)定性不僅與其自穩(wěn)性能密切相關，亦與其周邊開采產(chǎn)生相互影響，進而可能在局部范圍內(nèi)造成圍巖應力高度集中，巖體位移和變形劇烈，采空區(qū)穩(wěn)定性下降，破壞失穩(wěn)的風險大大增加[1-4]。

1 研究背景

某鎢礦位于江南丘陵地區(qū)，武功山系西南端，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育，巖漿活動頻繁，礦區(qū)屬構造侵蝕中低山區(qū)，為中低山地貌，山勢陡峻。出露的地層簡單，僅有寒武系淺變質(zhì)巖（變砂巖、板巖、千枚巖），泥盆系、二疊系淺海相的碳酸巖和碎屑巖，侏羅系陸相碎屑巖，分布于巖體東、東南的邊部，面積較小，第四系主要為風化殘坡積物，分布于山坡腳、低谷溝邊地帶，厚2～10 m。

礦床為一石英群脈，該群脈由十余條含鎢石英脈列組成，其中具有開采價值的有6條礦脈。礦脈分布較為集中，間距較小。該石英群脈分布在礦區(qū)的中間區(qū)域，傾向北東，傾角為75°～85°，脈厚為0.4～1 m，一般厚0.6 m左右，礦脈延長500～1000 m，延深200～500 m，規(guī)模小至大型不等。

礦脈間距大小不一，總體上集中在工業(yè)廣場下方相對狹小的區(qū)域內(nèi)。按編號分主要有A脈、B脈、C脈、D脈、E脈和F脈等6條礦脈，間距多為10～30 m。部分礦脈間距較小，如A脈和B脈中部間距最小僅為5 m左右，如圖1所示。

圖1 各礦脈相對位置關系

各礦脈整體上呈直立狀產(chǎn)出，總體平直穩(wěn)定，局部有時呈大角度彎曲，產(chǎn)狀變化較大。如A脈和E脈的中部、C脈下部先由急傾斜轉(zhuǎn)向緩傾斜，然后又由緩傾斜再向急傾斜發(fā)展，在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)波浪式大幅變化。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值模擬方法分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對采后采空區(qū)位移與應力變化進行研究。為使數(shù)值模擬與現(xiàn)場實際相符，數(shù)值模擬順序需由礦山開采實際順序來確定。根據(jù)礦山開采特點，6條礦脈自5中段開始同時向下開采，采完一個中段再向下開采另一中段，直至10中段開采結束。

2.1 采后位移變化

采空區(qū)最大位移量發(fā)生在A脈、B脈之間的小范圍區(qū)域，下向位移達10～12 cm，如圖2所示。

圖2 采后豎向位移云圖

豎向位移最大值變化如圖3所示。由圖3可知，采空區(qū)的豎向位移隨開采范圍的擴大逐漸增大。5中段開采后，最大位移僅5～6 cm，位于A脈邊緣，豎向位移幾乎可以忽略不計；此后位移量逐漸增加，8中段開采結束后，最大位移量為9～10 cm；10中段開采結束后，最大位移量增至12 cm。

圖3 豎向位移隨開采深度增加的變化

2.2 應力分布

隨著回采的進行，巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，采場圍巖應力場發(fā)生了重新分布，采空區(qū)應力不斷發(fā)生變化。采后最小主應力（壓應力）云圖如圖4所示。由圖4可知，5中段和6中段礦體開采后，主要集中在礦體形態(tài)變化較大的A脈和B脈采空區(qū)上盤，壓應力最大值為8～10 MPa。 8中段礦體開采后，應力發(fā)生轉(zhuǎn)移，壓應力大幅增加，但仍主要集中在各脈形態(tài)變化較大的區(qū)域，其中A脈在7中段礦體拐角處產(chǎn)生的壓應力最大為18 MPa。10中段礦體開采后，采空區(qū)圍巖應力集中現(xiàn)象更為明顯，A脈和B脈采空區(qū)拐角區(qū)域壓應力最大達25 MPa，比6中段采后增加了2倍多?？梢?，在采場側(cè)幫的上下盤隅角易產(chǎn)生壓應力集中現(xiàn)象。

圖4 采后最小主應力云圖

采后最大主應力（拉應力）云圖如圖5所示。由圖5可知，開采的起始階段，拉應力主要集中在采空區(qū)周圍小范圍區(qū)域，拉應力值約0.2 MPa。隨著開采范圍擴大，8中段開采后，拉應力集中區(qū)域相應增大，最大拉應力值約0.4 MPa；10中段開采后，拉應力集中區(qū)域進一步增大，最大拉應力值約0.5 MPa。在礦脈集中的核心區(qū)域均出現(xiàn)了大小不等的拉應力，這也說明過于集中開采使得各礦脈采空區(qū)的應力相互影響。

圖5 采后最大主應力云圖

3 采場地壓控制措施

一般地，采用的采礦方法、工藝參數(shù)和回采順序與地壓顯現(xiàn)有很大關系，從地壓控制的角度看，這些因素的合理與否也直接影響開采過程中的圍巖穩(wěn)定與作業(yè)安全[5-7]。

對于開采后形成的采空區(qū)，處理方法則可分為崩、充、封、固四大類，各類方法使用的條件、技術難度和經(jīng)濟成本各不相同。在具體的采空區(qū)處理過程中，由于各個礦山存在的采空區(qū)數(shù)量、位置、形態(tài)特征不一樣，必須針對各采空區(qū)的特點和條件，分別采取相應的處理方法。

（1）采后充填。充填法處理采空區(qū)是消除隱患的最直接方法。礦體開采后，及時充填采空區(qū)，抑制采空區(qū)圍巖變形，可有效防止采空區(qū)發(fā)生冒落事故。脈狀采空區(qū)本身采幅較小，充填相對容易實施，尤其是急傾斜礦體開采的采空區(qū)，借助其傾角較大這一特點，利用廢石或尾砂作為充填材料，處理工藝更為簡單。C脈采空區(qū)廢石充填前后一定時間段的上盤圍巖豎向位移變化情況如圖6所示，由圖6可知，充填體控制地壓的作用非常明顯，充填后的采空區(qū)的圍巖變形量明顯降低。

圖6 采空區(qū)充填前后位移對比

（2）連續(xù)強化開采。采場暴露時間越長，圍巖變形越顯著，發(fā)生破壞的風險越大。急傾斜群脈開采，尤其是當?shù)V脈距離較近且產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化時，往往易產(chǎn)生高度應力集中。在這些局部特殊區(qū)域采取連續(xù)強化開采，縮短暴露時間，減少回采周期，可大大降低作業(yè)安全風險。

（3）優(yōu)化爆破工藝參數(shù)。實踐證明，爆破振動是造成圍巖破壞的主要因素之一。當圍巖本身接近或已處于極限平衡狀態(tài)時，爆破對圍巖施加的動載荷可加速巖體破裂變形，直接導致巖體失穩(wěn)。通過采取優(yōu)化爆破參數(shù)、選擇合理的起爆方式和起爆順序等多種措施，可有效降低爆破振動，盡可能減小生產(chǎn)爆破對采空區(qū)圍巖的不利影響，防止爆破形成振害，影響采空區(qū)的穩(wěn)定。

5 結論

（1）急傾斜群脈開采，礦脈距離較近且產(chǎn)狀變化較大區(qū)域易產(chǎn)生高度集中的應力和較大圍巖變形，采空區(qū)自穩(wěn)性能較為脆弱。

（2）礦體開采后，最大位移和最大應力均發(fā)生在A脈和B脈之間。隨著開采的不斷下移，采空區(qū)暴露面積不斷增大，相應的位移與應力不斷增加，采空區(qū)局部面臨失穩(wěn)風險。

（3）采用連續(xù)強化開采，優(yōu)化爆破工藝參數(shù)，采后及時充填采空區(qū)，可有效減小圍巖變形、控制地壓活動，增強采空區(qū)穩(wěn)定性，大大提高采場作業(yè)安全。