某鐵礦采空區穩定性分析及模擬填充處理方案

張逢義，王 明

（山東乾舜礦冶科技股份有限公司，山東 濟南 250014）

鐵礦開采在我國國民經濟建設中占有極為重要的地位。作為世界第一鋼鐵產量大國，我國目前的鐵礦石主要依賴進口，因此，國民經濟發展對鐵礦石的需求越來越大。國內鐵礦在開采過程中也滋生了濫采濫挖，違法開采等問題，尤其是早期鐵礦開采時，由于技術和設備比較落后，導致鐵礦開采后遺留了大量采空區，這不僅造成了地表塌陷和人員傷亡，也導致了在進一步回采過程中開采難度的增加[1]。

2015年12月25日，山東省臨沂市平邑石膏礦區發生采空區塌陷事件，29名礦工被困，有19名涉事人員被處分。據事故調查報告顯示，塌陷區域東西長約1220m，南北寬約660m，面積約為0.61平方公里。事故發生的直接原因在于石膏礦采空區經過多年風化，采空區上部石灰巖垮塌并誘發礦震，導致相鄰玉榮石膏礦頂部石灰巖塌落，巷道坍塌，因此，采空區穩定性分析是礦區開采的一個重點問題。本文旨在結合某鐵礦采空區具體案例，提出鐵礦采空區穩定分析方法和采空區處理方案，為鐵礦采空區的治理和礦山的進一步開采提供相關方案，并充分結合鐵礦開采區礦柱穩定性情況，采用區域地壓監測方案，保證鐵礦后期能夠安全的可持續性開采。

1 室內巖體力學試驗

1.1 室內巖石物理力學試驗

鐵礦礦體主要由巖石組成，通過巖石力學試驗獲取巖石的密度、彈性模量、抗拉強度、抗壓強度和泊松比等必要的物理力學參數，從而獲取對礦床計算分析的基本數據。部分試驗數據如下表所示。（1）巖石密度測量的基本方法。巖石樣本密度檢測通常用量積法。量測巖石樣本的兩端和中間總共三個斷面上相互垂直的兩個邊，取平均值計算巖石的截面積，量測端面周邊對稱四點和中心點的總共5個不同的高度，取平均值算出最終高度，將巖石樣本置于專用烘箱中，在105℃～110℃的恒溫下烘24h，然后放入干燥器內冷卻至室內通常溫度，稱取試件質量。巖石塊體干密度按下式計算：

表1 巖土室內試驗結果

式中：?d----巖石塊體干密度（g/cm3）。ms----烘干試件質量（g）。A----試件截面積（cm3）。H----試件高度（cm）。

（2）巖石抗壓、抗拉強度測量的基本方法。利用電液伺服控制材料試驗機來對巖石進行抗壓和抗拉強度的試驗，單軸抗壓強度試驗應將應變片安裝于徑向和軸向指定位置，根據應力應變片的指示得出應力-應變關系曲線，從而算出巖石樣本的彈性模量和泊松比。

在進行巖石抗拉強度試驗時，很少采用直接拉伸巖石樣本的做法，巖石樣本不同于金屬材料，因此常采用間接的劈裂拉伸法。巖石抗拉強度按下式計算：

式中：σt ----巖石抗拉強度（MPa）。P----試件破壞荷載（N）。D----為試件直徑(mm)。H----試件厚度（mm）。

2 礦區地質特征及巖體質量評價

2.1 礦區地質特征

（1）工程地質條件。礦區整體屬于丘陵地貌，地形有利于自然排水[2]。隨著鐵礦開采深度加大，井下涌水量不斷變大，當采用井下坑道式開采時，鐵礦頂板應預留防水保安礦柱，這樣可以保證砂巖的裂隙水不會直接涌進坑道，起到顯著的防水作用。按照巖石強度等級劃分，鐵礦石可劃分為堅硬巖石，鐵礦整體穩定性好，沒有軟弱節理面，工程地質相對簡單，易于開采。

（2）環境地質條件。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010、2016年版）有關規定，該礦區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g。

區域內無大型污染廠礦企業，礦山廢棄礦石亦妥善處理安置，礦區工程地質條件良好。

2.2 工程巖體分級

工程巖體分級的目的是通過分級確定巖體質量的好壞，進而預測可能出現的巖土力學和施工中的問題，為礦山的開采和設計提供必要的參數和依據。目前比較流行的四種分類方法如下：RQD值法、RMR法、Q系統法、BQ系統法。

表2 巖石質量指標RQD值法

表3 巖石質量指標BQ分類方法

3 采空區及礦柱三維數值模擬及穩定性分析

3.1 FLAC3D軟件

FLAC3D軟件的特別適合進行土質、巖質和其他材料的三維結構受力特性模擬分析和塑形變形分析。FLAC3D軟件在模擬地下巷道開挖問題上可信度高，其模擬結果已經被大量工程證實。

（1）用設計中常見的CAD軟件建立三維實體模型，針對實體模型劃分網格,通過對CAD圖形進行處理，刪除無用線條,對多個中段閉合的礦體水平投影線框賦上高程，將閉合多段線連接成三維實體的礦床模型。

（2）設置材料屬性并控制數值計算模型的邊界條件。

（3）初步計算求出初始應力條件。在開挖前狀態下計算求解得到初始應力平衡，得到原始的未經開挖的鐵礦初始狀態。

（4）采空區模擬處理：按照實際開挖條件對模型進行開挖，對開挖后的條件進行模擬處理。

（5）模擬充填處理：對采空區進行材料回填處理，按照回填后的狀態計算新的應力平衡。

3.2 模型的初始平衡設置

模型初始條件設置時，重力方向與Z軸正向相反。運用彈性求解可以算出礦體的各個巖層在自重作用下的應力分布狀況，以此為初步應力分布基礎，可以求出礦體在自重作用下的應力分布情況，這種初始應力分布情況用來作為下一步應力分析的基礎，在進一步模擬實際礦井下的開采情況時，礦體各巖層在自重作用下處于平衡狀態，并沒有發生塑性變形，因此，為保持與實際應力狀態相吻合，將自重應力計算過程中的位移和塑性變形作清零處理。

3.3 挖區域模擬示意

從圖1可以看到，底板發生較大上升位移約68mm，同時采空區最大沉降約55mm。從圖2中可以看到，礦體塑性區分布集中在采空區的頂板和礦柱，礦柱塑性變形明顯，存在失穩垮塌風險。

圖1 礦體豎向位移

圖2 礦體塑性區分布

3.4 采空區在礦山充填前后的數值模擬結果對比示意

圖3 采空區填充前塑性區分布

圖4 采空區填充后塑性區分布

采空區在填充前后的塑性區分布有明顯變化，采空區在填充后一定程度上減小了采空區應力位移變化量，改善了采空區的穩定性。根據分析結果，采空區在填充之后確實可以改善礦山的整體穩定性。

4 采空區的地壓監測方案研究

在開采過程中，各礦層巖石會處于不穩定狀態，采空區也往往不會及時回填，這會直接導致鐵礦發生冒頂和礦柱失穩等災害，為了鐵礦安全生產，必須建立對采場進行穩定性的地壓實時監測系統。

4.1 礦山監測方式

目前國內外有多種常見的礦山壓力監測方式，如微震監測，多通道聲發射監測和應力-位移監測等，實際應用中也可以采取多種方式相結合的方式。應力位移監測系統是傳統的監測方式，成本低，監測結果直觀，但是監測范圍小，并且無法實時監測礦山壓力變化動態，需要專業人員到監測器材采集數據，耗費人力物力，不能預判地壓情況的整體趨勢；微震監測系統系統建設成本高，后期維護投入大，操作不方便；多通道聲發射監測，可實現對巖石開裂和冒頂的提前預測，投入較微震監測系統少，監測范圍廣，可實時監測。對比分析之下發現，多通道發聲監測是性價比較高的一種方式，可以為礦山安全回采提供準確的預測預報。

4.2 監測方案總體思路

監測方案的基本思路為：制定現場監測方案-采購設備軟硬件-建立預測監測網絡-實時數據分析-預警調試。多通道聲發射監測系統由數據采集器和傳感器組成，傳感器和信號處理器之間采用信號電纜連接，信號電纜的作用是將傳感器捕捉的信號傳遞給數據處理站。傳感器應當交錯布置在礦體的上下盤，最終布設位置應結合礦山生產的具體情況。在地壓監測系統安裝之后，應當及時邀請專業技術人員開展現場手把手教學，盡快培養出合格的礦山監測系統人員，使得投入設備能夠盡快做到自主分析與預警，并使設備長期處于安全穩定運行狀態，從而降低系統的運行使用成本。

5 結論

采空區和礦柱穩定性分析必須有準確的巖石物理力學參數，因此必須進行室內巖石物理力學試驗，為后續采空區礦柱穩定性分析提供基礎數據。結合礦區實際情況，采用數值分析軟件FLAC3D對礦區開采和填充情況進行分析模擬，及時發現礦區回采中存在的薄弱環節，對設計和施工提出指導措施。礦區開采應建立完整有效的地壓監測系統，及時、有效、全面的反應出整個開采區和采空區的應力分布情況，有效促進鐵礦的安全開采。