群脈開采的采空區穩定性相互影響分析

趙子巍

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

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

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

1 研究背景

某鎢礦位于江南丘陵地區，武功山系西南端，區內褶皺、斷裂發育，巖漿活動頻繁，礦區屬構造侵蝕中低山區，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的中間區域，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，規模小至大型不等。

礦脈間距大小不一，總體上集中在工業廣場下方相對狹小的區域內。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出，總體平直穩定，局部有時呈大角度彎曲，產狀變化較大。如A脈和E脈的中部、C脈下部先由急傾斜轉向緩傾斜，然后又由緩傾斜再向急傾斜發展，在局部范圍內出現波浪式大幅變化。

2 采空區穩定性分析

采用數值模擬方法分析采空區穩定性，對采后采空區位移與應力變化進行研究。為使數值模擬與現場實際相符，數值模擬順序需由礦山開采實際順序來確定。根據礦山開采特點，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

采空區最大位移量發生在A脈、B脈之間的小范圍區域，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遭到破壞，采場圍巖應力場發生了重新分布，采空區應力不斷發生變化。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變化較大的A脈和B脈采空區上盤，壓應力最大值為8～10 MPa。 8中段礦體開采后，應力發生轉移，壓應力大幅增加，但仍主要集中在各脈形態變化較大的區域，其中A脈在7中段礦體拐角處產生的壓應力最大為18 MPa。10中段礦體開采后，采空區圍巖應力集中現象更為明顯，A脈和B脈采空區拐角區域壓應力最大達25 MPa，比6中段采后增加了2倍多。可見，在采場側幫的上下盤隅角易產生壓應力集中現象。

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周圍小范圍區域，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域均出現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、工藝參數和回采順序與地壓顯現有很大關系，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定與作業安全[5-7]。

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

（1）采后充填。充填法處理采空區是消除隱患的最直接方法。礦體開采后，及時充填采空區，抑制采空區圍巖變形，可有效防止采空區發生冒落事故。脈狀采空區本身采幅較小，充填相對容易實施，尤其是急傾斜礦體開采的采空區，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，充填后的采空區的圍巖變形量明顯降低。

圖6 采空區充填前后位移對比

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

（3）優化爆破工藝參數。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。通過采取優化爆破參數、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，盡可能減小生產爆破對采空區圍巖的不利影響，防止爆破形成振害，影響采空區的穩定。

5 結論

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

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

（3）采用連續強化開采，優化爆破工藝參數，采后及時充填采空區，可有效減小圍巖變形、控制地壓活動，增強采空區穩定性，大大提高采場作業安全。