邓 飞，程秋亭，陈艳红，夏弋江

(江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州市 341000)

陶锡坑钨矿采空区稳定性分析

邓 飞，程秋亭，陈艳红，夏弋江

(江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州市 341000)

针对陶锡坑钨矿156 m中段和106 m中段采空区的问题，对采空区充填前后的稳定性进行了FLAC3D数值模拟，分析计算结果表明采用非胶结体充填的方法处理采空区后，采场的地压有明显的改善，表明了空区处理方案的选择是恰当的，最终达到有效控制地压的目的。

数值模拟；空区处理；稳定性分析

随着矿山开采的深入，采空区暴露出来的问题越来越明显，采空区一旦失稳，将会引起地表沉陷以及空区垮塌,严重危及井下工作人员的生命安全，因此采空区的稳定性监测和采空区及时处理措施直接影响到矿山安全问题。

根据陶锡坑钨矿矿山对156 m中段、106 m中段采空区现状的应力监测工作得知,156 m中段、106 m中段的空区矿柱有部分发生破坏，因此应尽早选用相对应的空区处理方法，避免了处理方法的不适用带来的灾害，采空区得到及时恰当的加固，保证矿山地压的得到有效控制。

1 工程概述

本矿区采用的采矿方法为浅孔留矿法和分段空场法，由于大部分矿区采用留矿法，使各中段矿房间留下大量的矿柱并形成大量采空区。同时伴随着矿山的继续开采，空区隐患会对生产作业人员、机械设备等造成不可预见的威胁。所以必须对其采空区进行检测和必要的处理以保证开采的继续进行。

2 FLAC3D数值模拟

2.1 实体模型的建立

以AUTOCAD辅助软件，根据矿山技术部门提供的地质平面图和矿体剖面图，对156 m、106 m矿段开采后形成的空区建立三维模型。首先利用AUTOCAD地质平面图中的地表边界的形态用闭合曲线描好，导入ANSYS软件中生成地表，再由ANSYS建立围岩，进行网格划分。本次数值模拟离散后的模型六面体单元数为1677159个,节点数282526个。建立的几何模型如图1所示。

图1 矿区山体ANSYS模型

2.2 计算参数

由于岩体本身地质结构比较复杂，在岩层中存在断裂带、节理面、爆破震动等因素的影响，经过折减处理后的试验基本岩石力学参数见表1。

表1 模型计算参数

2.3 数值模拟采空区形成过程

此次数值模拟采用按矿山实践开采顺序从上部中段156 m到106 m中段向下分步进行回采，而且先从上盘开始开采在采下盘，模型建立了2个中段，分别为156 m、106 m中段，以这两个中段采空区主应力、正应力、塑性区、位移作为研究对象。由之前做过的采空区各层围岩稳定性分析以及矿山现场检测调查所以我们这里就具体的分析156 m、106 m中段的主、正应力特征。

图2 156 m中段σ3主应力

图3 156 m中段σ1主应力

图4 106 m中段σ3主应力

图5 106 m中段σ1主应力

2.4 模拟结果的分析

从图2～图9采空区处理前效果应力云图分析可得：由主应力分析可知，随着各阶段矿体回采，空区各间柱及顶底板出现σz应力集中区。各阶段空区间柱、顶底板、空区两侧围岩显现出压应力集中区，随着向下各阶段的逐一回采后，其正压应力极限值从12 MPa递增到21.5 MPa，而间柱从上部中段开挖到最后一个中段，则正压应力变化值为7.5～24.21 MPa。这表明开挖的深度越深，空区各正应力越集中，从云图读取数据可以得到体现，矿山实践开采应力变化与数值模拟计算结果相呼应。所以矿山从安全角度出发，这就要求技术人员要对空区时时监测，如果空区有地压突出问题可以及时处理。

图6 156 m中段σ3正应力

图7 156 m中段σ1正应力

图8 106 m中段σ3正应力

图9 106 m中段正主应力

3 采空区处理及分析

从该矿区现场实际调查可知该铁矿106 m中段水平面以上的空区基本没有充填，且部分空区有明显的垮塌现象，表明156 m、106 m空区处理迫在眉睫。根据矿山实际给出的采空区处理措施，采用非胶结体充填的方法处理空采后区，应用FLAC3D模拟分析采矿区处理后的采空区的稳定情况。

图10 156 m中段σ3主应力云图

图11 156 m中段σ1主应力云图

图12 106 m中段σ3主应力云图

图13 106 m中段σ1主应力云图

图10～图17采空区处理后效果应力云图相对比可知，尾砂回填后156 m、106 m中段最大压应力为6.37 MPa、6.97 MPa，而空区没有进行充填时最大压应力为9.45 MPa、10.44 MPa，数据表明充填改善了应力分布，减小了应力集中的情况，运用这一方法可以让矿山地压得到有效地控制。所以利用数值模拟可以宏观的表示空区回填后的应力分布，与实际充填有一定必然的联系。

图14 156 m中段σ3正应力云图

图15 156 m中段σ1正应力云图

图16 106 m中段σ3正应力云图

图17 106 m中段σ1正应力云图

4 结 论

(1) 从上述采空区处理前后的效果应力云图分析可知，空区上盘围岩移动位移要比下盘更大，这说明上盘岩层受的应力比下盘集中，且移动指向空区中心以及空区呈挤压状态，在空区两帮岩层的压应力的作用下，空区两帮、顶板以及矿柱交会的角隅处呈现剪切破坏状态，开采深度的延伸，空区数量增多，体积不断的变大，以及空区各交接出现岩层破坏区。由云图可知在深部156 m中段、106 m中段的空区矿柱有部分可以发生破坏，应尽早开展对矿柱位移和应力的监测工作，及时对其进行一些支护和加固工作，保持矿柱强度，但当矿柱无支撑强度时，可以用人工矿柱代替，最终达到控制地压的目的；

(2) 通过使用FLAC3D软件计算，综合分析空区的主应力、正应力、位移、塑性区的分布规律，大致了解分步开挖后采空区的稳定状况，并通过空区进行充填后的结果相对比，以及矿山空区实际情况相结合，以此为依据，提出采空区最佳治理方案，保证空区处理的有效性。

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2014-06-26)

邓 飞，(1966-)，男，副教授，主要从事采矿工程、控制爆破、岩土工程等方面的研究，Email: dengfei_jxust@163.com。