某石膏礦采空區坍塌影響數值模擬研究

張勝光 ，卿自強 ，戴軍 ，徐超 ，王淇萱

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

房柱法是地下石膏礦產資源的主要采礦方法，房柱法開采形成了大面積的懸頂采空區群[1]。大采空區隨時間推移在風化、流變等因素作用下會使采空區產生大規模坍塌[2-3]，造成巨大損失，因大面積采空區失穩而導致的地壓災害，其后果往往是極其嚴重的，會造成重大財產損失或人員傷亡。2005年11月6日，河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區發生特別重大坍塌事故，造成33人死亡，38人受傷，井下4人失蹤，直接經濟損失774萬元[4]。2015年12月25日，山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦區發生采空區坍塌事故，造成1人死亡，13人失蹤，直接經濟損失4133.9萬元[5]。

目前，國內一些學者對采空區穩定性數值模擬開展了相關研究工作。郝勇浙等[6]為了解內蒙古某金礦豎井的穩定情況，采用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模方法對內蒙古某金礦地表、礦體和采空區進行建模，對豎井周圍的應力、位移、塑性區等方面進行了分析，并提出了治理措施。楊勇等[7]以紅嶺多金屬礦復雜采空區為例，通過數值模擬及K.B.魯別涅依他公式法分別研究了空區間柱、頂板和上下盤圍巖的穩定性，并與現場實際情況做對比分析，得到復雜采空區的穩定性情況以及潛在破壞區域。容宇[8]以某銅礦采空區為例，采用 ANSYS軟件建立采空區、地層、斷層和巷道單元模型，再利用FLAC3D軟件進行計算，分析了采場開挖后-120 m中段及各縱剖面的沉降和彈塑性區域分布，分析結果可為后續采空區周邊巷道開挖提供指導。

本研究以某石膏礦為例，利用二維數值模擬有限元軟件Phase2，建立了相關地下采場分析數值模型，對-150 m水平上部采空區坍塌后巖層移動和應力重新分布趨勢進行了模擬計算，計算結果可為礦山企業下一步的采空區治理方案提供參考依據。

1 工程概況

某石膏礦礦體傾向西南，淺部礦體傾角為25°～40°，深部礦體傾角為 19°～40°，礦體平均傾角為25°～30°，總的趨勢為由東向西逐漸變陡，淺部及斷層附近常出現次級褶皺，礦區范圍內由上至下共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4層礦體，主要開采Ⅱ、Ⅲ號礦體。礦山采用斜井開拓，建有主副兩條斜井，采用房柱法開采，前進式回采，留設條形礦柱支撐頂板。為了減少矸石提升、排棄量，利用井下矸石對采空區進行部分充填。

-50 m、-83 m、-116 m、-150 m中段已經回采結束并部分區域垮塌，-183 m中段已開采完畢并部分密閉，-216 m、-248 m中段已回采Ⅱ、Ⅲ號膏層部分礦體，Ⅱ、Ⅲ號礦體采空區部分重疊。大量采空區垮塌致使礦山開采條件惡化，會對地表、下部中段及井筒產生擾動影響，給礦山生產和安全管理帶來嚴重影響。因此，對采空區坍塌后巖層移動和應力重分布趨勢進行研究分析是非常必要的，對保障礦山安全生產具有重要意義。

2 數值模擬

2.1 數值計算模型建立

數值模擬計算方法不僅可以分析礦山采空區坍塌圍巖應力、位移的變化趨勢，還能直觀地展現礦山回采對構筑物的影響機理和規律。本次數值計算模擬了-150 m水平上部采空區坍塌后巖層移動和應力重新分布的趨勢，分析了礦山采空區坍塌對地表、下部中段及井筒的影響。

沿主井做垂直剖面，如圖1所示，此剖面與礦體、巖層走向垂直，兩側礦體長度均超過200 m，符合平面應變問題前提條件，可采用二維數值模擬有限元軟件Phase2計算分析。

以圖1所示剖面為平面模型，建立數值計算網格圖，如圖2所示。

圖1 沿主井垂直礦體走向剖面

圖2 數值計算網絡模型

2.2 巖石力學參數的選取

根據數值模擬計算分析所需要的基本數據，在礦山開采現場選取了礦石及圍巖巖樣，主要進行了礦巖容重、單軸壓縮條件下礦、巖的力學特性、劈裂抗拉試驗4項實驗室試驗。并根據巖體結構特征（見圖3）、分級指標及室內巖石力學試驗結果，運用Roclab軟件計算分析得出了巖體的力學參數，計算結果見表1。

圖3 單軸壓縮破壞事件

表1 礦巖力學參數試驗結果匯總

3 數值模擬計算結果分析

3.1 位移計算結果分析

-150 m水平上部采空區坍塌后，在-150 m水平上部采空區地表形成下沉盆地，巖移最大點位于采空區上方，產生的最大地表沉降為 0.3 m。采空區被圍巖塌落巖石充填，沿-150 m水平以上坍塌采場至地表巖層位移量逐漸減小，巖層變形量由空區頂板的3.6 m逐漸減小至地表的0.3 m。巖層移動主要發生在坍塌采空區上部，下部中段采場圍巖位移量在8 mm以內，影響微弱。主井及副井位于礦體底板，-150 m水平上部采空區坍塌產生的巖層移動對主、副井無影響。-150 m水平以上采空區坍塌計算位移結果如圖4所示。

圖4 -150 m水平以上采空區坍塌計算位移結果

3.2 應力計算結果分析

-150 m水平上部采空區正上方是覆巖的應力釋放區，覆巖剪應力、拉應力破壞區均位于坍塌采空區頂板。上部水平采空區坍塌造成的-150 m以下礦體圍巖應力變化為：最小主應力變化范圍在±0.1 MPa；最大主應力變化范圍在1.5 MPa以內，在已回采結束的-183 m水平變化最大。因此，-150 m水平上部采空區坍塌只對-183 m水平產生較弱的影響，對目前-216 m、-248 m生產水平及下部-283 m開拓水平無影響。主井、副井在-150 m標高以下，-150 m以上采空區的坍塌不會對主井、副井造成影響。-150 m以上采空區坍塌計算應力結果如圖5所示。

圖5 -150 m水平以上采空區坍塌應力計算結果

4 結論

（1）石膏礦-150 m水平上部采空區坍塌后，巖層移動主要發生在坍塌采空區上部，下部中段采場圍巖位移量在8 mm以內，影響微弱，主井及副井位于礦體底板，-150 m水平上部采空區坍塌對主、副井無影響。

（2）石膏礦-150 m水平上部采空區正上方是覆巖的應力釋放區，覆巖剪應力、拉應力破壞區均位于坍塌采空區頂板，-150 m水平上部采空區坍塌對-183 m水平產生較弱的影響，對目前-216 m、-248 m生產水平及下部-283 m開拓水平無影響。

（3）石膏礦主井、副井在-150 m標高以下，-150 m以上采空區的坍塌不會對主井、副井造成影響。

（4）礦山應加強對-183 m水平采空區的監測，以提前采取空區失穩階治措施。