卢宏建 赵永双 高 锋 李嘉慧

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009)

矿床在开采过程中，由于没有及时处理采空区，使大量滞留采空区给矿山后期生产造成重大安全隐患。滞留的空区随着时间的增加会引起覆岩塌陷，导致地表移动，最终影响到地表建构筑的稳定，给附近居民造成灾难性的后果，严重威胁人民生命财产安全，影响社会和谐稳定。因此，滞留采空区的治理工作对保证矿山持续发展有重要意义［1-4］。近年来，研究者对滞留采空区探测与治理、采空区稳定性分析与评价等方面较为重视，取得了一些研究成果［5-10］。目前采空区治理多采用充填法，其治理顺序的优化，对治理效果极为重要，但在这方面的研究尚不多见［11-13］。本研究以河北某矿山为例，基于有限元理论，在分析滞留采空区的应力场和地表变形规律的基础上，对采空区的危险等级进行了划分，最终确定了滞留采空区的充填滞留顺序。

1 工程背景

某典型地表复杂矿山，目前已开采346 m、323 m和303 m 3个中段，采矿方法属空场法，运输巷道布置在脉内，采高15 m左右，顶柱高10 m左右，空区现状详见表1与图1。

表1 空区现状调查统计Table 1 Investigation of current situation of goaf

图1 矿山空区现状、方位与计算坐标系Fig.1 Current situation，orientation and calculation coordinate system of mine goaf

虽然矿山没有出现采空区垮落现象，但随着采空区暴露时间的增加，地压活动也会逐渐增强，逐渐威胁各个井筒和地表建筑物的安全，因此采空区充填治理工作亟待进行。

2 滞留采空区治理优化顺序分析模型

采用大型有限元模拟软件对矿区开采过程采空区与地表沉降过程进行了三维仿真模拟。模拟步骤为，首先进行了原岩应力计算，其次为分步开挖形成地下采空区，计算时共分3步开挖形成现状空区。模拟计算根据地质详查报告选取，力学参数见表2。

表2 力学参数Table 2 Mechanical parameters

3 滞留采空区应力场分布与地表变形规律

3.1 滞留采空区应力场分布规律

采场空间和方位分布及计算位移方向如图1所示，应力场模拟结果如图2所示，图2中数据“+”号代表拉应力，“－”号代表压应力。

图2 采空区最大主应力分布云图Fig.2 Maximum main stress distribution nephogram of the goaf

第一水平采空区应力场分布规律。第一水平采空区最大主应力σ1中，西侧采空区以拉应力为主，最大拉应力为0.26 MPa，东侧采空区以压应力为主，最大压应力为0.19 MPa，主要分布在空区底板。空区边帮最大主应力以压应力为主，在0.3 MPa左右。

第二水平采空区应力场分布规律。第二水平采空区最大主应力σ1中，东侧采空区以拉应力为主，最大拉应力为0.29 MPa，西侧采空区以压应力为主，最大压应力为0.13 MPa，主要分布在空区底板。空区边帮最大主应力以压应力为主，在0.5 MPa左右。

第三水平采空区应力场分布规律。第三水平采空区最大主应力σ1中，以压应力为主，北侧采空区最大压应力为0.56 MPa，南侧采空区以压应力为主，最大压应力为0.72 MPa，主要分布在空区底板。空区边帮最大主应力以压应力为主，在0.68 MPa左右。

3.2 地表变形规律

(1)第一水平采空区对地表变形影响分析，如图3所示。

根据第一水平开挖后地表水平X方向位移变形云图得出:西侧采空区对地表影响范围较大，西侧采空区东西两侧向采空区中部产生了移动，西侧位移范围在10.2～30.5 mm，东侧位移范围在10.7～40.1 mm。东侧采空区因曝露面积较小，位移变形未影响到地表。

根据第一水平开挖后地表水平Y方向位移变形云图得出:西侧采空区对地表影响范围较大，西侧采空区南北两侧向采空区中部产生了移动，南侧位移范围在10.6～39.3 mm，北侧位移范围在12.9～43.3 mm。东侧采空区对地表影响范围较小，规律和西侧相同，南侧位移范围在8.2～12.4 mm，北侧位移范围在9.2～13.8 mm。

根据第一水平开挖后地表水平Z方向位移变形云图得出:西侧采空区对地表影响范围大于东侧，采空区顶板位置对应的地表变形值最大，西侧位移范围在12～134 mm，东侧位移范围在8.5～25 mm。

(2)第二水平采空区对地表变形影响分析，如图4所示。

根据第二水平开挖后地表水平X方向位移变形云图得出:西侧采空区位于第一水平采空区正下方，其对地表位移影响范围变化影响不大，但位移值增加了，西侧采空区西侧位移范围在16.5～46.5 mm，东侧位移范围在13.1～40.6 mm。东侧第二水平采空区面积大于第一水平，其开挖后，位移变形影响到地表，东侧采空区西侧位移范围在13.8～37.7 mm，东侧位移范围在10.2～36.1 mm。

图3 第一水平开挖后地表位移变形云图Fig.3 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 1

根据第二水平开挖后地表水平Y方向位移变形云图得出:西侧采空区位于第一水平采空区正下方，其对地表位移影响范围变化影响不大，但位移值增加了，东侧第二水平采空区面积大于第一水平，其开挖后，位移变形发展到地表，影响范围扩大。且在两层采空区影响下东西采空区对地表影响范围耦合在一起，采空区南北两侧位移值范围相差不大。采空区南侧位移范围在11.2～46.3 mm，北侧位移范围在10.7～51.8 mm。

图4 第二水平开挖后地表位移变形云图Fig.4 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 2

根据第二水平开挖后地表水平Z方向位移变形云图得出:在第二水平矿体开挖后，西侧采空区位于第一水平采空区正下方，其对地表位移影响范围变化不大，但位移值增加了，东侧第二水平采空区面积大于第一水平，其开挖后地表影响范围扩大。且2层采空区对地表影响范围耦合在一起，面积大于西侧采空区范围，但最大位移值小于西侧采空区，西侧位移范围在10.5～159 mm，东侧位移范围在10.5～124 mm。

(3)第三水平采空区对地表变形影响分析，如图5所示。

图5 第三水平开挖后地表位移变形云图Fig.5 Surface displacement and deformation nephogram after excavation of level 3

根据第三水平开挖后地表3方向位移变形云图得出:在第3水平矿体开挖后，地表3方向的位移影响范围没有扩大，只是变形值增加了。在X方向上，西侧采空区西侧位移范围在16.8～48.9 mm，东侧位移范围在14.8～42.5 mm。东侧采空区西侧位移范围在14.8～38.7 mm，东侧位移范围在11.2～38.1 mm。在Y方向上，采空区南侧位移范围在12.2～46.8 mm，北侧位移范围在11.7～53.8 mm。在Z方向上，西侧位移范围在11.3～162 mm，东侧位移范围在10.5～128 mm。

4 滞留采空区充填顺序优化

地下采空区的危险度分为4级，对应的危险状态等级评定如下:Ⅰ级特大危险性、Ⅱ级重大危险性、Ⅲ级较大危险性和Ⅳ级一般危险性。基于采空区围岩应力分布规律和采空区对地表影响程度对其进行危险度分级。分级情况如表3所示。

表3 各水平采空区危险等级Table 3 Danger grade list of goafs on each sublevel

在确定地下采空区充填顺序时，先充填危险度最大的采空区，其次充填危险度较小的采空区。对于危险度相同的采空区，则先充填下中段采空区，再充填上中段采空区。根据上述原则，可确定矿山采空区的治理顺序如表3所示。

5 结论

(1)基于构建的滞留采空区充填治理顺序优化数值模型，在系统分析采空区围岩的应力分布规律和采空区对地表影响影响程度的基础上，确定了空区治理顺序。

(2)提出的铁矿床滞留采空区治理顺序优化方法，对矿山地下滞留采空区的治理、矿柱回采、深部开采方案的制定及安全生产具有重要的指导意义。

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