群采空區對主平巷的影響分析及采空區治理方案

摘要：為了解某地下礦山群采空區的存在對二、三中段主平巷的穩定性影響，采用3Dmine軟件建模，統計分析采空區現狀，并由此建立三維數值模型進行相關計算，分別從群采空區對主平巷的最大、最小主應力，位移及塑性區進行分析。分析結果表明：最大拉應力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，絕大部分區域的沉降位移小于2.0 cm，塑性區呈零星分布，無貫通現象及趨勢，發生大范圍塑性破壞的可能性較小。根據采空區大小、形態及礦山后續實際回采方案，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，同時建議礦山根據實際情況對應力集中區域進行補強支護，以確保主平巷及回采安全。

關鍵詞：群采空區；數值模擬；穩定性分析；采空區治理；3D建模；崩落法；應力集中；補強支護

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

引言

地下資源作為國民經濟的重要支撐，經過長期的開采，地下礦山不免出現大量的采空區。由于采動影響，采空區可能發生或大或小的崩塌，逐漸形成采空區群，對地表、井下巷道及井下回采造成重大的安全隱患。國家及企業逐漸重視并開始治理井下采空區［1-7］，相關學者也針對井下采空區治理進行了研究。余正方等［8-11］采用數值模擬、精細探測等手段對礦山井下群采空區進行精準探測及穩定性分析，了解采空區可能發生的頂板冒落及圍巖片幫機理，為后續采空區處理奠定基礎；劉強等［12-16］通過先進的監測手段對圍巖應力變化進行監測，并發現應力變化可分為遞變式、突跳式、振蕩式和復合式變化4種模式，由此建立圍巖應力變化的數學模型，為實現井下應力變化實時預警提供參考；趙東等［17-21］對近采空區的巷道穩定性進行分析，并提出了崩落及封閉隔離等采空區治理方案。

某礦山前期受民采破壞嚴重，遺留大量形狀不規則、大小不一的采空區，為研究群采空區對正常回采主平巷穩定性的影響，開展了采空區調查研究，并分析了群采空區對主平巷穩定性的影響，為該礦山處理采空區及主平巷應力集中區提供數據支撐。

1工程概況

該礦山是一座露天轉地下開采的礦山，采用豎井開拓方式。礦體平均厚度約22 m，走向長約1 km，平均傾角61°，礦床地質條件較復雜，礦體受層位控制，鐵、銅、鉛、鋅等礦體對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，井下條件極為復雜，形成了諸多大小不一、形狀不規則的采空區。受井下采動影響，采空區的長期存在對于安全生產是重大隱患，因此有必要對井下采空區的形態及現狀進行詳細調查。根據礦山實際勘查情況，民采回采已涉及二中段及三中段2個中段。礦山對大小、形態各異的采空區進行了分析掃描，并采用3Dmine等工程軟件對采空區進行了三維數字建模統計。根據統計結果，累計形成采空區總體積為95 951 m3，如表1所示。

由表1可知：301，201，202，203共計4個采空區的體積約占總采空區體積68.99 %，二中段采空區體積約占總采空區體積66.05 %。雖然目前采空區的體積較小，但是隨著時間的推移，有可能發生變化，因此必須進行有效的治理和管控，預防因采空區造成的安全事故。

2群采空區對中段平巷穩定性影響分析

2.1計算模型建立

根據礦山生產現狀及采空區實際測量情況，采用Flac3D軟件建立計算模型。為了保證模擬計算的快速、準確，選擇水平走向為x方向，垂直走向為y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的計算模型（如圖1所示），共劃分312 865個網格節點，1 835 984個四面體網格單元。根據礦山現有數據，選用如表2所示的力學參數進行模擬計算。

2.2中段平巷穩定性分析

考慮到群采空區離中段平巷的位置較近，為更清晰地了解群采空區對中段平巷穩定性的影響，在整體模型的基礎上將z方向和x方向剖切，進行中段平巷穩定性數值模擬分析。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較近的一段平巷，剖面位置如圖2所示。

2.2.1主應力分析

根據模擬計算結果，得到了二中段及三中段平巷在z方向的最大主應力和x方向的最大主應力，模擬結果如圖3、圖4所示。

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

2.2.2位移分析

根據前述應力云圖分析結果，主平巷各個位置的沉降或位移應該均較小，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塑性區分析

二中段及三中段在x方向及z方向的塑性區云圖如圖6所示。

根據模擬結果，模型內出現了shear-n、shear-p、tension-p不同狀態及復合狀態的塑性區，但絕大部分為過去時步的塑性區，離采空區更近的部分巷道存在少量當前時步的塑性區，但呈零星分布，未連接成片，無貫通現象及趨勢，可以認為，中段平巷發生大面積塑性破壞的可能性較小。

綜上所述，結合主應力、位移、塑性區分析結果，二中段及三中段平巷最大拉應力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，二中段及三中段平巷發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，絕大部分區域的沉降位移小于2.0 cm。中段平巷頂板及兩幫塑性區較少，呈零星分布，未連接成片，無貫通現象及趨勢，發生大范圍塑性破壞的可能性較小。因此可以認為，中段平巷較為穩定，由于應力的集中和傳遞，巷道轉彎處和距離采空區更近的部分存在一定的塑性破壞可能，需在此處補強支護。

3采空區治理

3.1二中段采空區

3.1.1采空區概況

二中段采空區形成時間較長，礦（巖）體較為穩固，因此前期并未采取相應處理措施，但局部暴露面積較大的區域由于地應力分布及形成時間較久等緣故，出現局部冒落。目前，采空區的現狀調查情況如表3所示，結合表1可以看出，二中段采空區雖然暴露面積小，但回采高度較高，整體穩定性欠佳，該區域群采空區穩定性系數并不是很高，個別采空區趨于穩定。

3.1.2采空區治理方案

現存采空區體積約63 370 m3，整體采空區的體積均較大，其中，201采空區、202采空區、203采空區的體積分別為23 445 m3、16 245 m3及14 097 m3，存在冒落風險。為避免較大沖擊波，故將201采空區、202采空區、203采空區采用崩落法進行處理；204采空區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混凝土現澆。澆筑時注意接頂，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。填滿接頂長度10～15 m。巖石不多時，以砂石補充。

3.2三中段采空區

3.2.1采空區概況

三中段采空區形成時間較長，礦（巖）體較為穩固，因此前期并未采取相應處理措施，但局部暴露面積較大的區域（如301采空區）由于地應力分布及形成時間較久等緣故，出現局部冒落。目前，采空區的現狀如表4所示，結合表1可以看出，個別采空區存在較大面積空區，但整體的回采高度不高，且該區域采空區的整體穩定性較好，屬于較穩定、局部區域不穩定的采空區類型。

3.2.2采空區治理方案

現存采空區體積約32 581 m3，301采空區和303采空區的空場面積較大，可能會發生冒頂現象，特別是301采空區的體積達到12 408 m3，該采空區位于最西側，相對另外4個采空區位置較為獨立。為避免較大沖擊波且考慮到礦山后續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，如圖8所示。

4結論

1）結合二中段及三中段群采空區對主平巷的應力、位移及塑性區的分析結果，最大拉應力分別約為0.85 MPa和1.34 MPa，絕大部分區域的沉降位移小于2.0 cm，塑性區呈零星分布，無貫通現象及趨勢，發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治理方案，根據采空區大小、形態及礦山后續實際回采方案，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、由高到低依次進行，逐步緩解采空區安全隱患。

3）建議礦山對主平巷轉彎處等應力集中的地方進行補強支護，防止其發生塑性破壞。

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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

基金項目：“十四五”國家重點研發計劃項目（2022YFC2905102）

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

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