佛子矿104号矿体复杂多层采空区处理技术研究

叶 鹏 王文杰 钱 立 龚韩林 潘春艳

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

佛子矿104号矿体复杂多层采空区处理技术研究

叶 鹏 王文杰 钱 立 龚韩林 潘春艳

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

佛子矿104号矿体经过多年浅孔留矿法开采，在矿体上部遗留了大量的采空区及矿柱；由于前期的无序处理，形成了复杂的空区赋存现状，对下部矿体的安全开采带来了严重威胁。为了科学地制定空区处理措施并回收矿柱，通过数值计算结合理论公式法对104矿柱稳定性进行对比分析，确定了各空区残留矿柱的安全系数；结合矿山现有技术条件，在综合考虑采空区安全处理及矿柱有效回采的基础上，提出了崩落充填相结合的处理方案；采用FLAC3D软件对拟定方案进行了数值模拟分析。计算结果表明：崩落充填相结合的处理方案通过强制崩落法与充填法相结合，使上部应力集中区围岩得到充分移动垮落，下部空区得到充实，达到崩柱放顶卸压、控制岩移的目的，能有效地消除空区隐患并回收矿柱，为矿山安全、经济、合理地处理采空区提供了指导。

矿柱稳定性 采空区处理 数值模拟

地下开采是人类获取矿产资源的重要手段之一，由于近些年我国经济的快速发展的需要，金属矿山地下开采强度也日益加剧。空场法在我国现阶段金属矿山的地下开采中占有重要地位，而应用空场法采矿必然会形成采空区。采空区一旦形成，破坏了岩体的静态平衡，使空区周围的岩体应力产生变化，并为建立平衡而重新分布，当达到临界变形以后，就会发生围岩破坏和移动。随着矿床开采范围不断扩展，变形进一步发展，导致岩体发生崩落[1]，从而给矿山的安全生产带来严重威胁。统计资料显示，采空区已成为影响矿山安全生产最主要的危害源之一，也是安全生产中的两大重大隐患之一。按照《矿山安全规程》规定，存在采空区的地下开采矿山，必须定期对采空区的稳定性进行安全评价，或者实施采空区处理[2]。

佛子矿104号矿体上部遗留了数10个大小不等、延深100余m的采空区。超高采空区的存在，给下部后续矿体的安全回采带来了威胁，同时空区中大量顶柱及间柱造成大量资源损失浪费，十分不利于佛子矿可持续发展。因此，有必要对现存的采空区进行安全、经济、合理的处理，及时回收矿柱资源，同时为下部矿体后续生产的安全进行创造良好条件。

1 采空区现状

104号矿体采用平底结构浅孔留矿法进行回采，矿块沿走向布置，长40～60 m，阶段高度40 m，采场两端均设有人行天井(或顺路天井)，采场采高36 m。一般留3.5～4 m顶柱，连续布置采场，留间柱8 m，底柱为废石。目前已经回采到60 m中段。180 m中段空区、100 m中段空区暂未处理(其中180 m中段013～104线斜井处发生塌方，空区被废石部分充填)，138 m中段空区已进行废石充填。之前利用声发射仪对其进行近1 a的监测，监测数据分析及现场调查结果表明采空区目前总体稳定性较好，大部分采场空区处于稳定至过渡阶段，但局部空区处于相对不稳定状态[3]。104号矿体采空区现状如图1所示。

图1 104号矿体采空区现状

2 矿柱稳定性分析

104号矿体采用的浅孔留矿法作为传统的两步骤采矿法，先期留有大量间柱及顶底柱、形成大面积的空场，后期进行矿柱回收和空区处理。在采空区群环境下，空区中的顶板和间柱结构犹如房屋的框架，其力学稳定性直接决定着整个采空区群的整体稳定性。故研究采空区关键性支撑岩体的稳定性，对于分析整个采空区群的稳定性状况及处理方案的制定均具有重要意义。本文采用经验公式法与强度储备法相结合的方法对矿柱安全系数进行计算分析，从而评价104号矿体空区矿柱稳定性状况。

2.1 经验公式法

目前国内外空场法矿山开采设计中，矿柱安全系数普遍采用下式计算：

(1)

式中，Fp为安全系数；Qp为矿柱强度，MPa；σp为矿柱的平均轴向应力，MPa。

(1)矿柱强度计算。采用应用较为广泛的Bieniawski矿柱强度公式[4]：

(2)

式中，α为常数，当矿柱的宽高比(W/h)大于5时，α=1.4；而当矿柱的宽高比小于5时，α=1.0。

(2)矿柱平均轴向应力计算。采用应用较为广泛的面积承载理论，其中连续条带式矿柱所承受平均荷载公式[5]为

(3)

式中，P为矿柱承担的平均荷载，MPa；γ为上覆岩层的容重，MN/m3；H为埋藏深度，m；WO、WP分别为矿房宽度和矿柱宽度，m。

(3)矿柱安全系数计算。将上述计算得到的矿柱强度值与矿柱平均应力值代入式(1)，便得到矿柱的安全系数：

(4)

2.2 强度储备法

强度储备法认为岩体抗剪强度参数c、f值具有一定的安全储备，将其下浮ks倍，岩体内最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态，则ks即为其强度储备安全系数。工程实践证明，受地下水、爆破动载等复杂因素影响，岩体强度降低是可能的，实际上矿柱的破坏也多是由剪切破坏所引起的[6]。因此，在数值模拟软件中引入强度储备法来计算矿柱的稳定系数是比较符合实际情况的。

(1)计算模型的建立。根据已有矿山资料数据，确定本模型在长度Y方向上取1 600 m，宽度X方向上取1 100 m，高度Z方向上至地表，空区尺寸按实地调查数据确定，最终生成的模型如图2所示。

图2 矿区及矿体开采模型

模型边界条件采用位移约束，即左右X方向、前后Y方向位移均固定为0，Z方向为自由沉降；底面为全约束，地表作为自由面。施加的载荷为岩体自重应力场及侧向原岩应力场，岩体力学参数见表1。

表1 佛子矿矿岩力学参数

(2)开挖计算。①进行初始化平衡，生成采空区的初始应力场环境；②数值计算采用Mohr-Coulomb模型，从上至下分步开挖采空区；③将FLAC3D计算结果导入Tecplot软件进行后处理便得到采空区周围岩体点强度储备系数分布图，如图3所示。

2.3 矿柱安全系数计算结果分析

通过对104号矿体采空区进行实地调查，对各采场空区、矿柱的参数进行了统计与整理，结合室内力学实验数据，最终得到2种分析方法下矿柱安全系数如表2所示。

图3 采空区矿柱点强度储备系数分布

表2 各采空区矿柱尺寸参数及安全系数计算结果

从以上计算结果可以看出，采用强度储备法与经验公式法得出的矿柱安全系数在绝对值上具有一定的差异性，但在矿柱整体稳定性的相对变化趋势上具有较好的一致性，基本上能正确地反映矿柱现阶段的稳定性状态。从数值上来看，104号矿体各采空区留设间柱的安全系数均大于1，绝大多数在1.5以上，最小值为1.2。按照矿山一般矿柱稳定许用安全系数为1.3～1.5的要求，目前104号矿体各中段采空区留设间柱的整体稳定性良好；但100 m中段局部采空区间柱的安全性略为保守，在不受到新的外界扰动情况下，现有矿柱基本能维持采空区的稳定。但是，随着时间的推移及外界爆破扰动等影响，矿柱失稳的概率会逐渐增大，故应尽早对采空区作出妥善处理。

3 采空区处理方案拟定

根据矿柱的稳定性计算结果，结合采空区留存现状可作出如下分析：104号矿体采空区由多个上下重叠、紧密联系的小空区聚合形成，由于部分空区已进行废石充填，使得矿柱赋存环境变得较为复杂，且各中段空区中矿柱的稳定性状况有所差异，故应结合各空区的具体特点分别采用不同的措施进行处理。

考虑到首阶段180 m中段间柱稳定性良好，138 m中段大部分空区已进行废石充填，可作为下部区域的安全隔离层，而100 m中段间柱稳定性略差，直接在间柱中凿岩爆破存在一定危险性。为减少空区处理成本同时尽量提高矿柱的回采率，拟对180 m中段、100 m中段分别采用崩柱放顶法、充填法进行处理。利用用崩落法强制崩落180 m中段采场间柱、顶板围岩充填采空区，理论上能在回收矿柱的同时消除采空区，而且可使顶板围岩应力集中得到充分缓解和释放；利用60 m生产中段掘进的废石对100 m中段采空区进行废石胶结充填处理，可大大提高矿柱的回采率，同时做到废石不出窟，降低废石提升运输成本。具体方案实施如图4所示。

4 采空区处理稳定性数值模拟

4.1 计算方案

在采空区处理方案实施前，为了全面、客观地反映104号矿体采空区处理的安全性及达到的效果，采用FLAC3D软件对崩落、充填联合处理方案进行模拟分析，以对后续的实践工作提供指导依据，计算方案如表3所示。

图4 104号矿体采空区处理方案示意

表3 104号矿体开挖计算方案

上述每个开挖步骤均在前一阶段计算基础上继续进行，从而客观地反映了矿体逐步开采过程中，围岩应力叠加、岩体变形延续与破坏逐渐发展的力学进程[7]，最后得出佛子矿104号上部矿体开挖及空区处理后的力学效应及变形情况。

4.2 模拟结果分析

选取104号矿体部分采空区初始及最终阶段应力及位移剖面图进行对比分析，如图5～图7所示。典型剖面选取空区最为厚大部分的垂直剖面，即理论上最易失稳的部位作为参考。

从图5～图7可以看出，104号矿体采空区处理前，空区上下盘围岩均为卸压区，局部区域表现出拉应力集中现象，最大拉应力值为2 MPa，拉应力的存在与扩展对采空区的稳定带来不利影响。而各中段阶段矿柱(即留设顶柱)均出现了不同程度的压应力集中，且应力值在空区边角处达到最大值36 MPa，表明阶段矿柱为主要承压区，在边角处容易发生压裂破坏。采空区围岩在矿体开采后产生了不同程度的位移，其中上下盘围岩的位移最明显，最大值为13 mm。

图5 采空区处理前后最大主应力对比

图6 采空区处理前后最小主应力对比

图7 采空区处理前后岩体位移对比

对104号矿体空区进行处理后，主要承压区及卸压区的分布基本未发生变化，但是应力集中值及位移值明显降低，最大拉应力降至0 MPa，最大压应力降至32 MPa，最大位移增至16 mm。180 m中段空区顶板围岩经过崩落处理后，围岩应力集中状况得到明显缓解，拉应力区域几乎消除，崩落区围岩位移控制在较小的范围内；100 m空区进行充填处理后，顶柱受力环境得到改善，应力集中值大大降低。本中段及138 m中段上下盘围岩的整体沉降继续发展，但增幅较小，表明充填体并不能阻止岩体的整体变形，却能有效地将岩移控制在安全范围内；60 m以下的生产中段采空区顶板最大主应力在26 MPa以内，远小于岩体的极限强度，能保证回采作业的安全进行。

以上分析结果表明，崩落顶板围岩及矿柱能缓解应力集中，阻断地压向下部传递，从而有效减少下部采场的应力集中状况；而空区充填后有利于围岩中的能量向充填体转移，使其单轴或双轴应力状态转变为三轴应力状态，围岩的整体受力环境得到了很大改善，从而提高了空区整体的稳定性。从数值模拟结果来看，崩落、充填结合方案总体处理效果较好，能较好地消除矿体上部空区围岩整体冒落的安全隐患。

5 结 论

(1)根据佛子矿104号矿体采空区残留现状，采用强度储备系数法及经验公式法得出了各空区中矿柱的安全系数。以矿柱稳定性状况为依据，结合现存采空区的特点，对其处理技术要点及影响因素进行分析，本着简单易行、经济有效的原则，制定了崩落充填相结合的处理方案。

(2)采用FLAC3D软件对制定方案进行数值模拟分析，结果显示强制崩落法与充填法的联合运用，达到了上部崩柱放顶卸压，下部充实控制岩移的目的。使上部应力集中区围岩得到充分移动垮落，下部空区得到充实，稳定性进一步增强。保证了空区中残留矿柱经济、有效回收，同时给后续矿体持续、安全地回采提供了保障。总体来看空区处理效果能较好得满足空区经济处理、矿柱安全回收的要求。

(3)对于目前正在回采的60 m中段及后续开采矿体，应做到及时对回采后的空区进行处理及矿柱回收，避免造成空区重叠、矿柱积压的不利局面。矿房、矿柱回采和采空区处理工程进度应按合理的顺序列入矿山开采规划和采掘计划，使矿房、矿柱回采和空区处理三者协调发展。

[1] 陈庆发，周科平.隐患资源开采与空区处理协同技术[M].长沙：中南大学出版社，2011. Chen Qingfa，Zhou Keping.Synergism of Hidden Danger Resources Mining and Goafs Treatment Technology[M].Changsha：Central South University Press，2011.

[2] 李俊平，赵永平，王二军.采空区处理的理论与实践[M].北京：冶金工业出版杜，2012. Li Junping，Zhao Yongping，Wang Erjun.Mined Out Area TreatmentTheory and Practice[M].Beijing：Metallurgical Industry Press，2012.

[3] 马雄忠，王文杰.佛子冲矿采空区群模糊聚类分级及综合治理[J].金属矿山，2013(11)：38-42. Ma Xiongzhong，Wang Wenjie.Study on fuzzy cluster classification and comprehensive control countermeasures of the goaf group in Fozichong Mine[J].Metal Mine，2013(11)：38-42.

[4] 郭汉燊.矿柱强度的若干影响因素[J].岩石力学与工程学报，1993(1)：38-45. Guo Hanshen.Some factors affecting pillar strength[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993(1)：38-45.

[5] 布雷迪B H G，布朗E T.地下采矿岩石力学[M].北京：煤炭工业出版社，1990. Brady B H G，Brown E T.Rock Mechanics For Underground Mining[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1990.

[6] 潘亨永，何江达，张 林.强度储备法在岩质高边坡稳定性分析中的应用[J].四川联合大学学报：工程科学版，1998，2(1)：12-18. Pan Hengyong，He Jiangda，Zhang Lin.Application of the velocity measuring methods and their instruments for the high dam aerial water jet nappe flow[J].Journal of Sichuan University：Engineering Science，1998，2(1)：12-18.

[7] 马雄忠，王文杰，马生辉.佛子矿间柱回收与空区稳定性数值模拟[J].金属矿山，2014(2)：22-25. Ma Xiongzhong，Wang Wenjie，Ma Shenghui.Study on spacer pillar stoping and goaf stability numerical simulation of Fozi Mine[J].Metal Mine，2014(2)：22-25.

(责任编辑 徐志宏)

Research on the Technology of Complex Multilayer Goaf Treatment for No.104 Ore-body in Fozi Mine

Ye Peng Wang Wenjie Qian Li Gong Hanlin Pan Chunyan

(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

After years of short-hole shrinkage mining at No.104 ore-body in Fozi Mine，a lot of goafs and pillars have been left behind at the upper ore-body.Due to the disorder treatment in the early stage，goaf with complex situations was formed，which seriously threatened the safety mining of the lower ore-body.In order to produce a scientific goaf treatment measure and realize pillar recovery，the pillars stability of No.104 ore-body is analyzed combining the numerical calculation with the theoretical method，and safety factors for remained pillars at each goaf are determined.On the basis of comprehensive analysis of goaf treatment and pillar stoping，and combining with the present technology，the integral scheme of caving and backfilling was proposed.Numerical simulation on the integral scheme by software FLAC3Dshows that this scheme makes upper surrounding rock at stress concentration zone fully remove and collapse，and makes goaf filled to achieve the pressure relief and rock movement controlling by pillar and roof caving.This scheme can effectively eliminate the hidden trouble of goaf，and provide a guidence for the treatment of goaf in a safe，economic and reasonable way.

Pillar stability，Goaf treatment，Numerical simulation

2015-03-01

湖北省自然科学基金项目(编号：2014CFB814)。

叶 鹏(1989—)，男，硕士研究生。

文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2015)-04-137-05