鐵礦床滯留采空區充填治理順序優化方法

盧宏建 趙永雙 高 鋒 李嘉慧

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北唐山063009;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北唐山063009)

礦床在開采過程中，由于沒有及時處理采空區，使大量滯留采空區給礦山后期生產造成重大安全隱患。滯留的空區隨著時間的增加會引起覆巖塌陷，導致地表移動，最終影響到地表建構筑的穩定，給附近居民造成災難性的后果，嚴重威脅人民生命財產安全，影響社會和諧穩定。因此，滯留采空區的治理工作對保證礦山持續發展有重要意義［1-4］。近年來，研究者對滯留采空區探測與治理、采空區穩定性分析與評價等方面較為重視，取得了一些研究成果［5-10］。目前采空區治理多采用充填法，其治理順序的優化，對治理效果極為重要，但在這方面的研究尚不多見［11-13］。本研究以河北某礦山為例，基于有限元理論，在分析滯留采空區的應力場和地表變形規律的基礎上，對采空區的危險等級進行了劃分，最終確定了滯留采空區的充填滯留順序。

1 工程背景

某典型地表復雜礦山，目前已開采346 m、323 m和303 m 3個中段，采礦方法屬空場法，運輸巷道布置在脈內，采高15 m左右，頂柱高10 m左右，空區現狀詳見表1與圖1。

表1 空區現狀調查統計Table 1 Investigation of current situation of goaf

圖1 礦山空區現狀、方位與計算坐標系Fig.1 Current situation，orientation and calculation coordinate system of mine goaf

雖然礦山沒有出現采空區垮落現象，但隨著采空區暴露時間的增加，地壓活動也會逐漸增強，逐漸威脅各個井筒和地表建筑物的安全，因此采空區充填治理工作亟待進行。

2 滯留采空區治理優化順序分析模型

采用大型有限元模擬軟件對礦區開采過程采空區與地表沉降過程進行了三維仿真模擬。模擬步驟為，首先進行了原巖應力計算，其次為分步開挖形成地下采空區，計算時共分3步開挖形成現狀空區。模擬計算根據地質詳查報告選取，力學參數見表2。

表2 力學參數Table 2 Mechanical parameters

3 滯留采空區應力場分布與地表變形規律

3.1 滯留采空區應力場分布規律

采場空間和方位分布及計算位移方向如圖1所示，應力場模擬結果如圖2所示，圖2中數據“+”號代表拉應力，“－”號代表壓應力。

圖2 采空區最大主應力分布云圖Fig.2 Maximum main stress distribution nephogram of the goaf

第一水平采空區應力場分布規律。第一水平采空區最大主應力σ1中，西側采空區以拉應力為主，最大拉應力為0.26 MPa，東側采空區以壓應力為主，最大壓應力為0.19 MPa，主要分布在空區底板。空區邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.3 MPa左右。

第二水平采空區應力場分布規律。第二水平采空區最大主應力σ1中，東側采空區以拉應力為主，最大拉應力為0.29 MPa，西側采空區以壓應力為主，最大壓應力為0.13 MPa，主要分布在空區底板。空區邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.5 MPa左右。

第三水平采空區應力場分布規律。第三水平采空區最大主應力σ1中，以壓應力為主，北側采空區最大壓應力為0.56 MPa，南側采空區以壓應力為主，最大壓應力為0.72 MPa，主要分布在空區底板。空區邊幫最大主應力以壓應力為主，在0.68 MPa左右。

3.2 地表變形規律

(1)第一水平采空區對地表變形影響分析，如圖3所示。

根據第一水平開挖后地表水平X方向位移變形云圖得出:西側采空區對地表影響范圍較大，西側采空區東西兩側向采空區中部產生了移動，西側位移范圍在10.2～30.5 mm，東側位移范圍在10.7～40.1 mm。東側采空區因曝露面積較小，位移變形未影響到地表。

根據第一水平開挖后地表水平Y方向位移變形云圖得出:西側采空區對地表影響范圍較大，西側采空區南北兩側向采空區中部產生了移動，南側位移范圍在10.6～39.3 mm，北側位移范圍在12.9～43.3 mm。東側采空區對地表影響范圍較小，規律和西側相同，南側位移范圍在8.2～12.4 mm，北側位移范圍在9.2～13.8 mm。

根據第一水平開挖后地表水平Z方向位移變形云圖得出:西側采空區對地表影響范圍大于東側，采空區頂板位置對應的地表變形值最大，西側位移范圍在12～134 mm，東側位移范圍在8.5～25 mm。

(2)第二水平采空區對地表變形影響分析，如圖4所示。

根據第二水平開挖后地表水平X方向位移變形云圖得出:西側采空區位于第一水平采空區正下方，其對地表位移影響范圍變化影響不大，但位移值增加了，西側采空區西側位移范圍在16.5～46.5 mm，東側位移范圍在13.1～40.6 mm。東側第二水平采空區面積大于第一水平，其開挖后，位移變形影響到地表，東側采空區西側位移范圍在13.8～37.7 mm，東側位移范圍在10.2～36.1 mm。

圖3 第一水平開挖后地表位移變形云圖Fig.3 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 1

根據第二水平開挖后地表水平Y方向位移變形云圖得出:西側采空區位于第一水平采空區正下方，其對地表位移影響范圍變化影響不大，但位移值增加了，東側第二水平采空區面積大于第一水平，其開挖后，位移變形發展到地表，影響范圍擴大。且在兩層采空區影響下東西采空區對地表影響范圍耦合在一起，采空區南北兩側位移值范圍相差不大。采空區南側位移范圍在11.2～46.3 mm，北側位移范圍在10.7～51.8 mm。

圖4 第二水平開挖后地表位移變形云圖Fig.4 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 2

根據第二水平開挖后地表水平Z方向位移變形云圖得出:在第二水平礦體開挖后，西側采空區位于第一水平采空區正下方，其對地表位移影響范圍變化不大，但位移值增加了，東側第二水平采空區面積大于第一水平，其開挖后地表影響范圍擴大。且2層采空區對地表影響范圍耦合在一起，面積大于西側采空區范圍，但最大位移值小于西側采空區，西側位移范圍在10.5～159 mm，東側位移范圍在10.5～124 mm。

(3)第三水平采空區對地表變形影響分析，如圖5所示。

圖5 第三水平開挖后地表位移變形云圖Fig.5 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 3

根據第三水平開挖后地表3方向位移變形云圖得出:在第3水平礦體開挖后，地表3方向的位移影響范圍沒有擴大，只是變形值增加了。在X方向上，西側采空區西側位移范圍在16.8～48.9 mm，東側位移范圍在14.8～42.5 mm。東側采空區西側位移范圍在14.8～38.7 mm，東側位移范圍在11.2～38.1 mm。在Y方向上，采空區南側位移范圍在12.2～46.8 mm，北側位移范圍在11.7～53.8 mm。在Z方向上，西側位移范圍在11.3～162 mm，東側位移范圍在10.5～128 mm。

4 滯留采空區充填順序優化

地下采空區的危險度分為4級，對應的危險狀態等級評定如下:Ⅰ級特大危險性、Ⅱ級重大危險性、Ⅲ級較大危險性和Ⅳ級一般危險性。基于采空區圍巖應力分布規律和采空區對地表影響程度對其進行危險度分級。分級情況如表3所示。

表3 各水平采空區危險等級Table 3 Danger grade list of goafs on each sublevel

在確定地下采空區充填順序時，先充填危險度最大的采空區，其次充填危險度較小的采空區。對于危險度相同的采空區，則先充填下中段采空區，再充填上中段采空區。根據上述原則，可確定礦山采空區的治理順序如表3所示。

5 結論

(1)基于構建的滯留采空區充填治理順序優化數值模型，在系統分析采空區圍巖的應力分布規律和采空區對地表影響影響程度的基礎上，確定了空區治理順序。

(2)提出的鐵礦床滯留采空區治理順序優化方法，對礦山地下滯留采空區的治理、礦柱回采、深部開采方案的制定及安全生產具有重要的指導意義。

［1］ 盧宏建，甘德清.鐵礦床滯留采空區穩定性綜合分析模型［J］.金屬礦山，2013(3):62-65.Lu Hongjian，Gang Deqing.Stability comprehensive analysis model of retained goafs of iron deposit［J］.Metal Mine，2013(3):62-65.

［2］ 盧宏建，李占金，陳 超.大型滯留復雜采空區穩定性監測方案研究［J］.化工礦物與加工，2013，42(2):28-32.Lu Hongjian，Li Zhanjin，Chen Chao.Research on stability monitoring scheme of large complex retention goaf［J］.Industrial Minerals and Processing，2013，42(2):28-32.

［3］ 付建新，宋衛東，杜建華.金屬礦山采空區群形成過程中圍巖擾動規律研究［J］.巖土力學2013，28(S.):508-515.Fu Jianxin，Song Weidong，Du Jianhua.Study of disturbance law for wall rock while goaf group formation in metal mines［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，28(S.):521-526.

［4］ 張敏思，朱萬成，侯召松.空區頂板安全厚度和臨界跨度確定的數值模擬［J］.采礦與安全工程學報，2012，29(4):543-548.Zhang Minsi，Zhu Wancheng，Hou Zhaosong.Numerical simulation for determining the safe roof thickness and critical goaf span［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2012，29(4):543-548.

［5］ 郭 力，何朋立.采空區充填效果的隨機規律研究［J］.金屬礦山，2013(4):36-39.Guo Li，He Pengli.Study on the stochastic law of gob stowing effect［J］.Metal Mine，2013(4):36-39.

［6］ 王德勝，周慶忠，陳旭臣.淺埋特大采空區探測、穩定性分析及處置的實例研究［J］.巖石力學與工程學報，2012，9(S2):3882-3888.Wang Desheng，Zhou Qingzhong，Chen Xuchen.Detection，stability analysis and disposal of large shallow goaf［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，9(S2):3882-3888.

［7］ Li Shibo，Lu Hongjian.Application of Weibull distribution in calculating ground deformation［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，256/259:15-18.

［8］ 褚軍凱，霍俊發，張碧蹤.符山鐵礦尾礦庫民采空區治理技術研究［J］.金屬礦山，2011(5):12-17.Chu Junkai，Huo Junfa，Zhang Bizong.Research on the treatment scheme of mined-out area at tailings dam of Fushan Iron Mine［J］.Metal Mine，2011(5):12-17.

［9］ 楊 彪，羅周全，劉曉明.基于有限元分析的復雜采空區群危險度分級［J］.礦業工程研究，2010，25(1):4-8.Yang Biao，Luo Zhouquan，Liu Xiaoming.Dangerous degree estimation of complicated goaf group with FEM simulation［J］.Mineral Engineering Research，2010，25(1):4-8.

［10］ Lu Hongjian，Yan Shuhui，Pan Guihao.Stability comprehensive analysis model of iron deposit retained goaf［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，256/259:2688-2691.

［11］ 羅周全，劉曉明，吳亞斌，等.基于Surpac和Phase－2耦合的采空區穩定性模擬分析［J］.遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2008，27(4):485-488.Luo Zhouquan，Liu Xiaoming，Wu Yabin，et al.Study on cavity stability numerical simulation based on coupling of Surpac and Phase-2［J］.Journal of Liaoning Technical University:Natural Science，2008，27(4):485-488.

［12］ 劉敦文，徐國元，黃仁東.金屬礦采空區探測新技術［J］.中國礦業，2000，9(4):34-37.Liu Dunwen，Xu Guoyuan，Huang Rendong.A new technique for prospecting exhausted areas in metal mines［J］.China Mining，2000，9(4):34-37.

［13］ 劉曉明，羅周全，楊承祥，等.基于實測的采空區穩定性數值模擬分析［J］.巖土力學，2008，28(S):521-526.Liu Xiaoming，Luo Zhouquan，Yang Chengxiang，et al.Analysis of stability of cavity based on cavity monitoring［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，28(S):521-526.