某鋅礦采空區穩定性評估與綜合治理研究

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0107-06

Abstract：In view of the threat to mine safety and sustainable development posed by the1.88 million m³ large-scale goaf groupformedbylong-termminingofazincmine，thisstudycombinedthegeologicalcharactersticsofthegoafandproduction status，ndusedPase2Dgeotechnicalanalysissofwaretobuildanumericalmodel.，systematicallevaluatethstressdistribution anddamageareacharacteristicsofdiferentsections（lines8，31，and48）.Basedonthestabityanalysisresults，a comprehensivemanagementplanof\"wasterock-tailingscollaborativefiling\"wasinovativelyproposed.Practicehasshowthat thisplanefectivelyaleviatestheriskofgoafcolapse，simultaneouslyrealizestheresourceutilizationoftailings，reduces environmental protection management costs by about 35% ，and provides dual guarantees for mine production safety and ecological benefits improvement.

Keywords：goafmanagement;Phasenumericalsimulation；closedisolationmetod;stressredistribution；collaborativefllig technology

我國礦產資源開采過程中，地下工程安全風險防控始終面臨嚴峻挑戰。統計數據顯示，地下空區引發的次生災害已成為礦山安全生產事故的重要致因。此類次生效應主要表現為圍巖失穩（包括片幫、冒頂）、水害突涌（如突水事故）動力災害（涵蓋巖爆與沖擊地壓），以及地表形變系列現象（地面塌陷、沉降、地裂縫等），這些地質擾動往往進一步誘發滑坡、泥石流等鏈式災害，并造成生態系統的嚴重破壞。實施科學有效的采空區治理技術，對保障礦山全生命周期安全生產具有決定性作用。當前，全尾砂充填技術因其多重效益被公認為最優井下封閉解決方案：首先，該技術可徹底消除采空區安全隱患；其次，通過原位消納尾礦實現零排放，規避傳統尾礦庫的環境風險；再次，顯著降低尾礦貯存設施的全周期運維成本；最后，實現礦山生產環境與周邊生態系統的協同改善，形成經濟-社會-環境效益的多維增益。

1 礦山概況

本研究對象為典型多金屬共生礦床，主礦產為鋅、銅資源，伴生錫、鎢、銻等戰略金屬及銀等貴金屬元素。礦區由東、西2個成礦單元構成：東部籠箱蓋礦床采用三維立體開發模式，整合平窿巷道、斜坡運輸通道與盲斜井提升系統構建復合開拓網絡，采礦工藝采用淺孔留礦法與房柱法協同作業；西部魚泉洞礦床則形成階梯式開發格局。

針對籠箱蓋礦床，現已建成多級協同運輸體系：主運輸系統依托 530，590，610m 標高平窿構成，物料提升通過 1^#（590～470m），2^#（530～500m），3^#（470～440m） 、4^#（440～350m 盲斜井實現，通風系統由 730m 輔助回風平酮與 715m 總回風斜井（ 715～530m 共同承擔。整體工程架構包含中段運輸平巷、回風天井（上山）、總回風系統等要素，形成高效聯動的開拓-運輸-通風網絡。

魚泉洞礦床開發工程呈現多維度特征： 610m 主斜坡道（ 610～180m ）構成垂直運輸主干，輔以 1^# （ 738.8～440m ） ?2^# （ 700～270m ）） _，3^# 1 718～340m， ） ?^4# （ 731.364～320m ） ，5^#（715.6～600m） 明斜井形成分級提升系統，配合 6^# 平嗣構建水平運輸網絡。中段運輸平巷系統按 600，400，340，290，270，250 和 230m 等標高分層布置，形成立體化運輸格局。

2 采空區現狀

礦區開采歷史悠久，自20世紀90年代以來，大廠礦田的開采秩序一度混亂，導致大規模民間開采活動頻繁，形成了大量無序的采空區。近年來，隨著持續的開采活動，礦區內的采空區面積進一步擴大。通過對礦山采空區進行實地測量，發現采空區的總體積約為188萬 m³ ，平面投影總面積約為 0.615km² 。這些采空區主要分布在籠箱蓋礦段（包括籠箱蓋和六里溝礦段），而魚泉洞礦段由于一直處于基本建設階段，尚未形成采空區。

籠箱蓋礦段的采空區分布情況如下： 0^# 礦體的采空區主要位于 +440～+740m 的中段； 1^# 礦體的采空區主要集中在 +530～+590m 的中段； 3^# 礦體的采空區主要分布在 +500～+590m 的中段，少量分布在其他中段;4^# 礦體的采空區主要位于 +470～+590m 的中段； 5^# 礦體的采空區主要集中在 +440～+590m 的中段； 7^# 礦體的采空區僅在 +500～+470m 的中段有少量分布。礦山采空區立體可視化模型如圖1所示.

圖1礦山采空區立體模型及地表復合圖

3采空區穩定性分析

3.1力學模型與邊界條件

本研究基于某鋅礦床的工程地質特性、采礦工藝參數及采空區基礎數據，為動態模擬開采過程的三維時空演變特征，重點分析圍巖受采動擾動的變形機制、采空區域結構穩定性及開采階段地壓顯現規律，同時探究多水平開采空區協同作用效應。依托高精度三維數字建模成果，選取采空區密集分布的8號勘探線、31號勘探線及48號勘探線典型地質剖面作為研究對象。通過精細化剖分處理，構建了對應的二維彈塑性有限元數值模型（依次編號為M1、M2、M3模型），建立了系統的數值分析體系。各分析剖面的具體分布情況如圖2—圖4所示

圖28線剖面的有限元模型圖

圖331線剖面的有限元模型圖

圖448線剖面的有限元模型圖

在本次有限元分析模擬中，采用自重應力場作為分析條件。各計算模型的范圍設定為采空區開采范圍的5倍以上，以確保模擬結果的準確性。不同剖面在橫向上的范圍有所差異，而在縱向上，模型覆蓋了從地表至 2400m 的深度范圍。在模型邊界條件設置方面，研究采用差異化約束策略：沿橫向邊界施加單向位移約束（ x 方向），等效模擬滑動鉸支座的力學特性；在縱向 2400m 邊界平面實施雙向位移約束（ （x，y 方向），準確表征固定鉸支座的邊界特征；地表邊界則保持無約束狀態，真實反映自由面的力學行為。數值計算采用四節點等參單元離散化方法，確保計算精度與效率的平衡。

從多剖面分析結果來看，受空間位置異質性的影響，各剖面揭露的采空區空間分布特征呈現顯著的空間變異性。這不僅體現在采空區的標高上，還表現在采空區的數量、規模以及采空區之間的間距等方面。每個剖面的采空區分布特征均具有獨特性，反映了礦區地質條件和開采活動的復雜性。

3.2 模擬分析

本研究選用加拿大巖土工程領域廣泛應用的Phase28.0軟件進行有限元分析。該軟件是一款專業的二維彈塑性有限元分析工具，專門用于模擬地下或地表工程開挖過程中的應力與位移分布。其強大的功能使其能夠適應多種復雜工程場景的模擬需求，例如礦山開采與充填過程的優化，以及邊坡開挖穩定性評估等。

在模擬分析過程中，載荷的施加通過軟件自動分級完成，以確保計算過程的穩定性和準確性。方程的求解采用高效的Gaussian消元法，同時設置了最大迭代次數為500次，并將累計誤差嚴格控制在0.001以內，從而保證了計算結果的精確性和可靠性。通過這一系列嚴謹的設置，本研究能夠有效模擬復雜地質條件下的工程響應，為實際工程提供科學依據和技術支持。

為評估采空區及礦體開采的應力分布、位移特征以及潛在破壞范圍，本研究采用最大拉應力判據并結合Mohr-Coulomb屈服準則進行分析。通過該方法，可以確定該鋅礦所留礦柱的穩定性及其屈服破壞區域。為簡化計算流程，各模型的模擬開采步驟均采用統一的標準，具體分為2個主要階段：首先，計算在自重應力場作用下的初始應力場；其次，分析各中段在采空條件下的應力分布、位移變化以及破壞區的特征。

在第一個模擬步驟中，重點計算了初始的原巖應力場。以具有代表性的31剖面模型為例，通過其最大主應力和最小主應力的等值線分布圖（圖5、圖6，方框中數值單位： MPa ，下同，其中拉應力表示為負值，壓應力為正值）可以看出，在模擬的開采區域內，礦巖的最大主應力和最小主應力均隨著深度的增加而逐漸增大，且等值線呈現出水平分布的特征。在地表區域，主應力的大小和方向受到山形地勢的顯著影響，具體表現為沿山坡的順坡方向分布。

圖531線剖面模型的初始最大主應力等值線圖

圖631線剖面模型的初始最小主應力等值線圖

第二模擬計算步驟后，在已采空部分的圍巖處產生了應力的重分布或產生了拉、剪的破壞區，其中8線剖面模型的主應力等值線的分布狀態如圖7和圖8所示，31線剖面模型的主應力等值線的分布狀態如圖9和圖10所示，48線剖面模型的主應力等值線的分布狀態如圖11和圖12所示。

根據圖7、圖8所示，8線剖面模型在模擬開采的第二階段中，出現了7個獨立的或通過多中段連接的采空區。從應力分布和破壞區的分布情況分析，該剖面中最大的采空區上盤形成了廣泛的拉伸破壞區，而在其下方與采空區交界處，出現了應力集中現象，并

產生了拉伸和剪切破壞區。

圖78線剖面模型第二模擬步驟的最大主應力等值線及屈服

圖88線剖面模型第二模擬步驟的最小主應力等值線及屈服區域圖

圖931線剖面模型第二模擬步驟的最大主應力等值線及屈

圖1031線剖面模型第二模擬步驟的最小主應力等值線及屈服區域圖

圖1148線剖面模型第二模擬步驟的最大主應力等值線及屈

圖1248線剖面模型第二模擬步驟的最小主應力等值線及屈服區域圖

根據圖9、圖10的分析結果，31線剖面模型在模擬開采的第二階段中共包含13個采空區。這些采空區在空間分布上相對獨立，相互之間的力學影響較小。從整體應力分布和破壞區的擴展特征來看，采空區對圍巖穩定性的影響主要體現在其下部區域，而上部采空區的影響相對較弱。值得注意的是，靠近地表的采空區存在較高的垮塌風險，可能引發地表塌陷，這對地表保護目標構成了直接威脅。在采空區周圍，誘發的壓應力值范圍為 2.5～18.7MPa ，形成了明顯的應力松弛釋放區。同時，局部區域出現了較小的拉應力，最大值達到 0.31MPa 。

根據圖11、圖12的分析結果，48線剖面模型在模擬開采的第二階段中共包含15個采空區。與31線剖面模型不同，該剖面的采空區不僅體積較大，而且空間分布較為集中，導致采空區之間的相互作用較為顯著。從整體應力分布和破壞區的擴展特征來看，采空區周圍誘發的壓應力值范圍為 4.5～22.4MPa ，形成了明顯的應力松弛釋放區。此外，局部區域出現了較小的拉應力，最大值達到 0.45MPa 。

4采空區治理方案

當前全球礦業領域普遍采用四類采空區治理手段，必要時可采取復合式處理方案。由表1可知，各治理方案均具備其特定的適用條件，且在不同應用場景下各具優劣。

針對該鋅礦采空區的治理措施，具體分析如下。

表1采空區治理方法分析比較表

該礦區最大單體采空區位于500中段0號礦體的 4^# 區域，體積達 258599.50m³ ，目前已采用廢石回填方式進行處理。經勘查發現，暴露面積超過 2000m² 的采空區共計24處，總體積達 1760308.05m³ ，其中最大單體暴露面積達 28094.45m² ，位于530中段0號礦體的 4^# 區域，該區域原開采高度僅為 3.50m 。通過實地勘查表明，礦區采空區主要源于0號礦體的開采作業，集中分布于籠箱蓋礦段（涵蓋籠箱蓋與六里溝礦段），其體積占比達到總采空區的 65% 。鑒于地表保護要求嚴格禁止塌陷，工程設計方案采用廢石與尾砂混合充填工藝進行治理，通過洗礦廠尾砂與開采廢石的協同利用，實現對采空區的有效充填。

為確保井下安全生產，防范采空區突發性垮塌風險，建議建立采空區穩定性實時監測系統，通過數據采集與分析，及時預警潛在安全隱患，有效預防安全事故的發生。

5結論

本研究以某鋅礦為研究對象，基于采空區地質特征與生產現狀，運用Phase數值模擬軟件進行穩定性評估，結合礦山實際生產條件，創新性地提出了廢石-尾砂協同充填治理方案。該方案的實施不僅有效消除了采空區安全隱患，優化了礦山生產與生活環境，同時為礦山安全運營與可持續發展提供了有力保障，取得了顯著的經濟效益與社會效益。研究成果可為具有類似地質條件的礦山提供可靠的技術參考與工程借鑒。

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