张胜光 ，卿自强 ，戴军 ，徐超 ，王淇萱

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

房柱法是地下石膏矿产资源的主要采矿方法，房柱法开采形成了大面积的悬顶采空区群[1]。大采空区随时间推移在风化、流变等因素作用下会使采空区产生大规模坍塌[2-3]，造成巨大损失，因大面积采空区失稳而导致的地压灾害，其后果往往是极其严重的，会造成重大财产损失或人员伤亡。2005年11月6日，河北省邢台县尚汪庄石膏矿区发生特别重大坍塌事故，造成33人死亡，38人受伤，井下4人失踪，直接经济损失774万元[4]。2015年12月25日，山东省临沂市平邑县万庄石膏矿区发生采空区坍塌事故，造成1人死亡，13人失踪，直接经济损失4133.9万元[5]。

目前，国内一些学者对采空区稳定性数值模拟开展了相关研究工作。郝勇浙等[6]为了解内蒙古某金矿竖井的稳定情况，采用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模方法对内蒙古某金矿地表、矿体和采空区进行建模，对竖井周围的应力、位移、塑性区等方面进行了分析，并提出了治理措施。杨勇等[7]以红岭多金属矿复杂采空区为例，通过数值模拟及K.B.鲁别涅依他公式法分别研究了空区间柱、顶板和上下盘围岩的稳定性，并与现场实际情况做对比分析，得到复杂采空区的稳定性情况以及潜在破坏区域。容宇[8]以某铜矿采空区为例，采用 ANSYS软件建立采空区、地层、断层和巷道单元模型，再利用FLAC3D软件进行计算，分析了采场开挖后-120 m中段及各纵剖面的沉降和弹塑性区域分布，分析结果可为后续采空区周边巷道开挖提供指导。

本研究以某石膏矿为例，利用二维数值模拟有限元软件Phase2，建立了相关地下采场分析数值模型，对-150 m水平上部采空区坍塌后岩层移动和应力重新分布趋势进行了模拟计算，计算结果可为矿山企业下一步的采空区治理方案提供参考依据。

1 工程概况

某石膏矿矿体倾向西南，浅部矿体倾角为25°～40°，深部矿体倾角为 19°～40°，矿体平均倾角为25°～30°，总的趋势为由东向西逐渐变陡，浅部及断层附近常出现次级褶皱，矿区范围内由上至下共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4层矿体，主要开采Ⅱ、Ⅲ号矿体。矿山采用斜井开拓，建有主副两条斜井，采用房柱法开采，前进式回采，留设条形矿柱支撑顶板。为了减少矸石提升、排弃量，利用井下矸石对采空区进行部分充填。

-50 m、-83 m、-116 m、-150 m中段已经回采结束并部分区域垮塌，-183 m中段已开采完毕并部分密闭，-216 m、-248 m中段已回采Ⅱ、Ⅲ号膏层部分矿体，Ⅱ、Ⅲ号矿体采空区部分重叠。大量采空区垮塌致使矿山开采条件恶化，会对地表、下部中段及井筒产生扰动影响，给矿山生产和安全管理带来严重影响。因此，对采空区坍塌后岩层移动和应力重分布趋势进行研究分析是非常必要的，对保障矿山安全生产具有重要意义。

2 数值模拟

2.1 数值计算模型建立

数值模拟计算方法不仅可以分析矿山采空区坍塌围岩应力、位移的变化趋势，还能直观地展现矿山回采对构筑物的影响机理和规律。本次数值计算模拟了-150 m水平上部采空区坍塌后岩层移动和应力重新分布的趋势，分析了矿山采空区坍塌对地表、下部中段及井筒的影响。

沿主井做垂直剖面，如图1所示，此剖面与矿体、岩层走向垂直，两侧矿体长度均超过200 m，符合平面应变问题前提条件，可采用二维数值模拟有限元软件Phase2计算分析。

以图1所示剖面为平面模型，建立数值计算网格图，如图2所示。

图1 沿主井垂直矿体走向剖面

图2 数值计算网络模型

2.2 岩石力学参数的选取

根据数值模拟计算分析所需要的基本数据，在矿山开采现场选取了矿石及围岩岩样，主要进行了矿岩容重、单轴压缩条件下矿、岩的力学特性、劈裂抗拉试验4项实验室试验。并根据岩体结构特征（见图3）、分级指标及室内岩石力学试验结果，运用Roclab软件计算分析得出了岩体的力学参数，计算结果见表1。

图3 单轴压缩破坏事件

表1 矿岩力学参数试验结果汇总

3 数值模拟计算结果分析

3.1 位移计算结果分析

-150 m水平上部采空区坍塌后，在-150 m水平上部采空区地表形成下沉盆地，岩移最大点位于采空区上方，产生的最大地表沉降为 0.3 m。采空区被围岩塌落岩石充填，沿-150 m水平以上坍塌采场至地表岩层位移量逐渐减小，岩层变形量由空区顶板的3.6 m逐渐减小至地表的0.3 m。岩层移动主要发生在坍塌采空区上部，下部中段采场围岩位移量在8 mm以内，影响微弱。主井及副井位于矿体底板，-150 m水平上部采空区坍塌产生的岩层移动对主、副井无影响。-150 m水平以上采空区坍塌计算位移结果如图4所示。

图4 -150 m水平以上采空区坍塌计算位移结果

3.2 应力计算结果分析

-150 m水平上部采空区正上方是覆岩的应力释放区，覆岩剪应力、拉应力破坏区均位于坍塌采空区顶板。上部水平采空区坍塌造成的-150 m以下矿体围岩应力变化为：最小主应力变化范围在±0.1 MPa；最大主应力变化范围在1.5 MPa以内，在已回采结束的-183 m水平变化最大。因此，-150 m水平上部采空区坍塌只对-183 m水平产生较弱的影响，对目前-216 m、-248 m生产水平及下部-283 m开拓水平无影响。主井、副井在-150 m标高以下，-150 m以上采空区的坍塌不会对主井、副井造成影响。-150 m以上采空区坍塌计算应力结果如图5所示。

图5 -150 m水平以上采空区坍塌应力计算结果

4 结论

（1）石膏矿-150 m水平上部采空区坍塌后，岩层移动主要发生在坍塌采空区上部，下部中段采场围岩位移量在8 mm以内，影响微弱，主井及副井位于矿体底板，-150 m水平上部采空区坍塌对主、副井无影响。

（2）石膏矿-150 m水平上部采空区正上方是覆岩的应力释放区，覆岩剪应力、拉应力破坏区均位于坍塌采空区顶板，-150 m水平上部采空区坍塌对-183 m水平产生较弱的影响，对目前-216 m、-248 m生产水平及下部-283 m开拓水平无影响。

（3）石膏矿主井、副井在-150 m标高以下，-150 m以上采空区的坍塌不会对主井、副井造成影响。

（4）矿山应加强对-183 m水平采空区的监测，以提前采取空区失稳阶治措施。