谢金亮，李永辉

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038;2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

0 前言

某矿建矿有20多年的历史，已对1号、70号、2号、22号矿体进行了开采。矿山开采过程中未对空区进行处理，矿体回采后留下了大量的采空区，给井下安全生产造成极大威胁。目前，随着技改扩建项目即将投产，生产规模进一步扩大，空区隐患日益严重，对正常生产形成了重大安全隐患。对现有空区现状进行全局调研，并在此基础上建立空区的三维数字模型，可为以后的空区处理和今后的安全生产提供可靠的依据。

1 采空区的分布情况

本次空区探测对1304中段以下的大部分浅孔回采采场和中深孔回采采场进行了实地测量。部分空区由于巷道跨落，测量安全条件差，找不到适合的测量基点，根据采矿设计图纸建立其三维模型。1304以上空区由于年代久远，空区及巷道塌落严重，对此部分空区进行了资料调查和部分空区的现场踏勘。为便于确定空区模型的相对位置，对地表及井下主要工程进行了三维数字化建模。

空区整体分布图如图1所示，主要大空区分布在J23线和J33线之间，并集中在1304～1390 m标高，空区总体积为1293673 m3。因为建模时，部分空区中的间柱及点柱的资料不详，未能单独建模，建模时把这部分作为空区处理，因此实际空区量比之要小。

图1 空区及工程和地表总模型

2 矿柱回采及处理技术

2.1 空区下矿柱回采技术

影响采矿方法最终开采效果的因素众多，且采矿活动对人员和周围环境的影响也是多方面的，为此，需综合各因素来选择采矿方法。由于采矿方法的优与劣本身就是一个模糊概念，鉴于模糊综合评判方法的强大功能与独特优势，本研究采用该方法对该矿区软弱破碎矿体的采矿方法进行优化选择，推荐采用盘区分段扇形中深孔侧向崩矿嗣后放顶采矿法。采用空场回采嗣后崩落组合方法，回采这一部分矿柱矿体，先采用空场法回收采场矿体，嗣后强制崩落顶板处理空区。

2.2 采空区处理技术

根据国内外现有的采空区处理方法，再结合该矿70号脉的水文地质条件、开采现状及空区现状与稳定性等实际情况，选择适合该矿的采空区处理方案，或提出合理的采空区处理意见。

1304中段以上采场回采采幅一般在几米，并且矿体基本上回采完毕，形成的采空区部分冒落，可采用隔绝封闭法处理其空区。

1304中段的1#～3#空区，空区间留有顶、底柱及间柱，部分间柱已回采，采空区已贯通，由于空区距地表高差大，且离主矿体较远，可视现场空区稳定情况回采部分矿柱，然后采用隔绝封闭法处理其空区。1304中段沿矿脉分枝共形成了9个采空区，采幅一般在几米，且较为分散，可以采用隔绝封闭法处理其空区，即在通往采空区的巷道中，砌筑一定厚度的隔离墙，阻隔由采空区中围岩垮落所产生的冲击波、冲击气浪及飞石。1264中段的矿体厚15～18 m，属于中厚矿体。该中段的空区间留有几米宽的间柱，目前空区处于稳定状态，该区域地表属于矿区工业广场，为提高资源利用率，尽可能回收矿柱和底柱。采用胶结充填处理空区，然后回采矿柱和底柱。

1264中段其10 m宽的矿房采用分段中深孔回采且已基本回采完毕，留下20 m宽的矿柱未回采，目前空区处于较稳定状态，随着矿柱的回采，采空区暴露面积及空区体积将越来越大，安全隐患也较多，因此采用全尾砂胶结充填处理空区。

1264中段以南为规模不等的5～6条分枝薄矿脉，矿脉厚度不一，分枝一般长约100 m，常急速尖灭，上下中段很难对应，且矿脉相距较远。这些薄脉状矿体需根据今后采场布置及回采情况才能确定相关的空区处理措施。

对1264中段以下矿体采用空场嗣后充填采矿法开采，一步骤的空区采用全尾砂胶结充填处理，二步骤采场空区采用全尾砂充填处理。

3 矿柱回采及空区处理的模拟分析

本数值模拟研究对象为该矿70号脉1304～1224 m三个中段厚大矿体部分，模拟矿柱回采及空区处理过程中采空区周围岩体的应力分布规律、塑性破坏区及位移变化情况，采用隔一采一矿柱空场回采嗣后放顶处理空区的方案。

为便于分析，将各中段从西至东20 m宽的矿柱、采场依次编号为1#～7#，见图2。

根据矿区实际地形创建模型，各中段7#矿柱埋藏深度要比其余矿柱大，对回采及采空区处理后其应力分布进行重点对比分析，中部区域5#采空区应力分布也十分重要，因此，选取5#和7#矿柱采空区对其上盘围岩及顶底板应力分析。间隔回采矿柱后，4#和6#矿柱将产生岩体应力集中，矿柱稳定性分析中则将选取4#和6#矿柱进行分析比较。本次选取1304～1224 m中段采空区进行模拟分析，详见图3～6。

图2 各中段矿柱、采场分布示意

4 结论及建议

(1)受中段采场埋深影响，同一中段各采空区顶底板、上盘围岩体及矿柱的初始应力随埋深而不同，其主应力值随回采与空区处理过程而呈规律性变化。

(2)回采1304～1224 m三中段10 m矿房后，其端部两采空区上盘围岩体处分别形成30 m宽的应力集中带，其中1224 m中段7#矿房采空区上盘围岩体主应力最大，最大压应力值为－9.774 MPa，最小压应力值为－2.041 MPa;顶板主应力中，1304 m中段7#采空区顶板中部偏上盘处出现拉应力，最大值为 0.759 MPa。

(3)间隔回采3中段矿柱前，其采空区顶板受双向压应力，5#与7#空区顶板主应力值相差不大。从间隔回采到模拟过程结束，相应中段顶板中部偏(靠近)上盘处受单向拉应力，7#空区最大拉应力高于5#空区;顶板四周受双向压应力作用，5#空区最大压应力高于7#空区。可见，5#空区顶板进一步拉破坏的可能性较7#空区小，剪切破坏较7#空区大。在1224 m中段间柱采空区放顶后再回采1264 m中段2#、4#和 6#矿柱是合理的。

(4)各中段矿柱采空区随两步骤放顶其围岩充填体与中段顶柱的拐角处受单向拉应力作用，应力集中明显，3中段对应区域最大拉应力值分别1.840，1.313 MPa 和1.569 MPa;5#和7#采空区围岩充填体中部受双向压应力作用。由于围岩充填体较为松散，在较小拉应力和压应力作用下就会破坏其原有平衡状态。

(5)岩体进入塑性状态之后，其强度和承载能力将大大降低。因此，塑性区的大小也是判断采空区稳定性的一个重要标志。依据该方案模拟采空区顶底板及上盘围岩体最大压应力和最大拉应力值，

利用Mohr－Coulomb剪切破坏和拉破坏强度准则进 行计算分析，得出其塑性破坏区(剪切破坏和拉破坏)的变化情况。详见表1。

图3 1304－1224 m中段采空区顶板各模拟步骤最小主应力对比

图4 1304－1224 m中段采空区顶板各模拟步骤最大主应力对比

图5 1304－1224 m中段矿柱各模拟步骤最小主应力对比

图6 1304－1224 m中段矿柱各模拟步骤最大主应力对比

表1 采空区顶底板塑性破坏区变化情况

(6)在采空区顶底板及上盘围岩中，过大的垂直位移将导致采空区顶板冒落，严重时会引起地表沉陷，故垂直位移比水平位移重要，其位移分析中取Y方向位移值;过大的水平位移将导致矿柱失稳，因此，水平方向位移也十分重要。

［1］任建平，阳雨平，邓 亮，等.国内外倾斜中厚矿体的开采现状和发展趋势［J］.现代矿业，2009(6).

［2］李彦龙.不稳固倾斜中厚矿体开采方法探讨［J］.采矿技术，2011(2).

［3］刘思敏，吴沅声，李德峰，等.急倾斜中厚矿体采矿及采空区处理方法的探讨［J］.中国锰业，2010(4).

［4］李俊平，肖旭峰，冯长根，等.采空区处理方法研究进展［J］.中国锰业，2012(3).

［5］李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判［J］.采矿与安全工程学报，2006(1).