陶錫坑鎢礦采空區穩定性分析

鄧 飛，程秋亭，陳艷紅，夏弋江

(江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州市 341000)

陶錫坑鎢礦采空區穩定性分析

鄧 飛，程秋亭，陳艷紅，夏弋江

(江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州市 341000)

針對陶錫坑鎢礦156 m中段和106 m中段采空區的問題，對采空區充填前后的穩定性進行了FLAC3D數值模擬，分析計算結果表明采用非膠結體充填的方法處理采空區后，采場的地壓有明顯的改善，表明了空區處理方案的選擇是恰當的，最終達到有效控制地壓的目的。

數值模擬；空區處理；穩定性分析

隨著礦山開采的深入，采空區暴露出來的問題越來越明顯，采空區一旦失穩，將會引起地表沉陷以及空區垮塌,嚴重危及井下工作人員的生命安全，因此采空區的穩定性監測和采空區及時處理措施直接影響到礦山安全問題。

根據陶錫坑鎢礦礦山對156 m中段、106 m中段采空區現狀的應力監測工作得知,156 m中段、106 m中段的空區礦柱有部分發生破壞，因此應盡早選用相對應的空區處理方法，避免了處理方法的不適用帶來的災害，采空區得到及時恰當的加固，保證礦山地壓的得到有效控制。

1 工程概述

本礦區采用的采礦方法為淺孔留礦法和分段空場法，由于大部分礦區采用留礦法，使各中段礦房間留下大量的礦柱并形成大量采空區。同時伴隨著礦山的繼續開采，空區隱患會對生產作業人員、機械設備等造成不可預見的威脅。所以必須對其采空區進行檢測和必要的處理以保證開采的繼續進行。

2 FLAC3D數值模擬

2.1 實體模型的建立

以AUTOCAD輔助軟件，根據礦山技術部門提供的地質平面圖和礦體剖面圖，對156 m、106 m礦段開采后形成的空區建立三維模型。首先利用AUTOCAD地質平面圖中的地表邊界的形態用閉合曲線描好，導入ANSYS軟件中生成地表，再由ANSYS建立圍巖，進行網格劃分。本次數值模擬離散后的模型六面體單元數為1677159個,節點數282526個。建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 礦區山體ANSYS模型

2.2 計算參數

由于巖體本身地質結構比較復雜，在巖層中存在斷裂帶、節理面、爆破震動等因素的影響，經過折減處理后的試驗基本巖石力學參數見表1。

表1 模型計算參數

2.3 數值模擬采空區形成過程

此次數值模擬采用按礦山實踐開采順序從上部中段156 m到106 m中段向下分步進行回采，而且先從上盤開始開采在采下盤，模型建立了2個中段，分別為156 m、106 m中段，以這兩個中段采空區主應力、正應力、塑性區、位移作為研究對象。由之前做過的采空區各層圍巖穩定性分析以及礦山現場檢測調查所以我們這里就具體的分析156 m、106 m中段的主、正應力特征。

圖2 156 m中段σ3主應力

圖3 156 m中段σ1主應力

圖4 106 m中段σ3主應力

圖5 106 m中段σ1主應力

2.4 模擬結果的分析

從圖2～圖9采空區處理前效果應力云圖分析可得：由主應力分析可知，隨著各階段礦體回采，空區各間柱及頂底板出現σz應力集中區。各階段空區間柱、頂底板、空區兩側圍巖顯現出壓應力集中區，隨著向下各階段的逐一回采后，其正壓應力極限值從12 MPa遞增到21.5 MPa，而間柱從上部中段開挖到最后一個中段，則正壓應力變化值為7.5～24.21 MPa。這表明開挖的深度越深，空區各正應力越集中，從云圖讀取數據可以得到體現，礦山實踐開采應力變化與數值模擬計算結果相呼應。所以礦山從安全角度出發，這就要求技術人員要對空區時時監測，如果空區有地壓突出問題可以及時處理。

圖6 156 m中段σ3正應力

圖7 156 m中段σ1正應力

圖8 106 m中段σ3正應力

圖9 106 m中段正主應力

3 采空區處理及分析

從該礦區現場實際調查可知該鐵礦106 m中段水平面以上的空區基本沒有充填，且部分空區有明顯的垮塌現象，表明156 m、106 m空區處理迫在眉睫。根據礦山實際給出的采空區處理措施，采用非膠結體充填的方法處理空采后區，應用FLAC3D模擬分析采礦區處理后的采空區的穩定情況。

圖10 156 m中段σ3主應力云圖

圖11 156 m中段σ1主應力云圖

圖12 106 m中段σ3主應力云圖

圖13 106 m中段σ1主應力云圖

圖10～圖17采空區處理后效果應力云圖相對比可知，尾砂回填后156 m、106 m中段最大壓應力為6.37 MPa、6.97 MPa，而空區沒有進行充填時最大壓應力為9.45 MPa、10.44 MPa，數據表明充填改善了應力分布，減小了應力集中的情況，運用這一方法可以讓礦山地壓得到有效地控制。所以利用數值模擬可以宏觀的表示空區回填后的應力分布，與實際充填有一定必然的聯系。

圖14 156 m中段σ3正應力云圖

圖15 156 m中段σ1正應力云圖

圖16 106 m中段σ3正應力云圖

圖17 106 m中段σ1正應力云圖

4 結 論

(1) 從上述采空區處理前后的效果應力云圖分析可知，空區上盤圍巖移動位移要比下盤更大，這說明上盤巖層受的應力比下盤集中，且移動指向空區中心以及空區呈擠壓狀態，在空區兩幫巖層的壓應力的作用下，空區兩幫、頂板以及礦柱交會的角隅處呈現剪切破壞狀態，開采深度的延伸，空區數量增多，體積不斷的變大，以及空區各交接出現巖層破壞區。由云圖可知在深部156 m中段、106 m中段的空區礦柱有部分可以發生破壞，應盡早開展對礦柱位移和應力的監測工作，及時對其進行一些支護和加固工作，保持礦柱強度，但當礦柱無支撐強度時，可以用人工礦柱代替，最終達到控制地壓的目的；

(2) 通過使用FLAC3D軟件計算，綜合分析空區的主應力、正應力、位移、塑性區的分布規律，大致了解分步開挖后采空區的穩定狀況，并通過空區進行充填后的結果相對比，以及礦山空區實際情況相結合，以此為依據，提出采空區最佳治理方案，保證空區處理的有效性。

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2014-06-26)

鄧 飛，(1966-)，男，副教授，主要從事采礦工程、控制爆破、巖土工程等方面的研究，Email: dengfei_jxust@163.com。