空区处理与隐患资源开采协同技术研究与应用

张 伟，倪 彬，刘晓明

(1.西安有色冶金设计研究院， 陕西 西安 710001；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

空区处理与隐患资源开采协同技术研究与应用

张 伟1，倪 彬1，刘晓明2

(1.西安有色冶金设计研究院， 陕西 西安 710001；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

采用phase2数值模拟软件分别建立了某矿山4575 m中段平面和7#勘探线剖面两个数值分析模型，对采场开采过程中围岩应力、位移及塑性区分布情况进行数值模拟分析。在此基础上引入协同理论，开展隐患资源开采与空区处理的协同技术研究，根据不同的矿体产状、围岩受力性质,选择不同的采场回采与空区处理方案。研究表明，数值分析与协同技术的综合利用，可为类似矿山进行高效、安全开采提供指导。

空区处理；隐患资源；数值模拟；协同技术

随着全球矿产资源争夺的进一步升级，占到我国有色金属资源的1/3的采空区隐患资源日益受到世人关注，已成为我国矿业发展的重要接替资源[1]。而以往人们将空区处理和采空区处理看作是一对矛盾，通常分别进行独立设计、施工。随着科学技术的发展，人们逐渐认识到采空区的利用价值，并将空区处理和隐患资源的开采结合起来进行研究，引入了协同理论，在处理空区的同时考虑空区的再利用以及隐患资源的回收[2]。

本文通过对某矿山空区处理方案的选择研究，引入了空区处理与隐患资源开采协同技术，在采用数值模拟技术对空区稳定性进行分析的基础上，根据空区位置、类型、稳定程度提出了采空区处理方案。

1 矿山概况

该矿为一铅锌多金属矿床，主要赋存于下侏罗统日当组第四岩性段含碳钙质板岩夹褐黄色钙质砂岩中，矿体的产出严格地受控于构造破碎带。矿体呈层状、似层状或透镜状产出，局部有膨缩变化，矿体产状与构造破碎带产状基本一致，倾向西，倾角在45°～70°之间变化。走向长度约1200 m，倾向方向延深约800 m。矿体平均真厚度10.22 m，厚度变化系数71.09%，属于较稳定型。矿体Pb平均品位为1.85%，品位变化系数为216.80%，Zn平均品位为3.11%，品位变化系数为153.34%，属矿化较均匀型。

矿体均赋存于构造破碎带内，矿体两侧围岩均为下侏罗统日当组第四岩性段(J1r4)的灰黑色页岩和钙质板岩，局部有少量凝灰岩。围岩地层产状为倾向25°～30°，倾角20°左右，矿体斜切围岩地层产出。

该矿山前期采用浅孔留矿法回采，顶柱高4～6 m，间柱8 m，4670 m中段为普通漏斗底部结构，底柱高6 m，其他中段为平底底部结构。

矿体产于板理化碳质板岩、页岩的构造破碎带中，虽然围岩存在较强的硅化，但范围有限，页岩、板岩属于软质岩石，其抗压强度在270～300 kPa，由于断层构造的破坏作用使得页岩、板岩节理、裂隙很发育，其力学性能变差，目前矿山采空区部分已坍塌。

矿山采空区情况详细见图1。

2 空区稳定性分析

目前可用于岩层移动与破裂研究的数值计算方法主要包括两类：一类是建立在连续介质力学基础上的数值计算方法，诸如有限单元法[3]、边界单元法等；另一类则是通常所说的非连续介质力学分析方法，其中最具代表性的当属离散元方法。对该矿山采用二维有限元计算模型并运用二维有限元软件Phase2来进行模拟分析[4]。

图1矿山采空区纵投影

2.1 建模与力学参数

本次计算模型的范围选取在最低开采中段4575 m和7号勘探线剖面，建立了两个数值计算模型，计算模型的参数见表1，数值模拟模型分别见图2和图3。

数值分析模型岩体力学参数见表2。

“张仲平一定不想让很多人知道我们之间的交易吧？要债的马上要来，我是一定会和他们拼命的，万一我们同归于尽了，你的钱包可就给张仲平惹祸了。你没想到这一点吗？”

表1 数值计算模型参数

图2 数值模拟模型1

图3 数值模拟模型2

介质容重/(MN/m3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)弹性模量/GPa泊松比碳质板岩2.6549.41.8606.160.28矿石3.3601.435100.2砂岩2.652514580.18

2.2 4575中段平面采场稳定性数值模拟分析

模拟4757中段自南向北逐采场进行开采后围岩的应力、位移及塑性区情况，截取部分分布云图见图4～图7。

图4 4575-8采场回采后最大主应力分布

图5 4575-8采场回采后最小主应力分布

图6 4575-8采场回采后位移分布

通过对该矿8个采场分步回采模拟分析，得出以下结论：

图7 4575-8采场回采后塑性区分布

(1) 最大主应力多集中在采场四周端角处，随着采场的回采，σ1也随着增加，最大值由7 MPa增加到72 MPa；

(2) 最小主应力在5 MPa左右，最大值16.1 MPa，顶底板局部地段出现了拉应力，最大值为-0.7 MPa。

(3) 采场顶底板位移随着采场回采不断增加，最大值为96 mm。

(4) 采场两端出现塑性区，随着采场的依次回采，塑性区逐步扩大，至回采4575-5采场后，塑性区发生急剧变化，部分采场塑性区已经连通或即将连通，局部地段岩石破坏，出现开裂，随着开采的继续向下，塑性区范围越来越大，采场上下盘破坏明显。

2.3 7号勘探线剖面采场稳定性数值模拟与分析

模拟7号勘探线，由高到低逐中段回采后围岩的应力、位移及塑性区情况，截取部分分布云图见图8～图11。

图8 4575-2采场回采后最大主应力分布

通过对该矿中段采场分步回采的模拟分析，得出以下结论：

(1) 最大主应力多集中在采场四周端角处，随着采场的回采，σ1也随着增加，最大值由10.8 MPa增加到46 MPa；

图9 4575-2采场回采后最小主应力分布

图10 4575-2采场回采后位移分布

图11 4575-2采场回采后塑性区分布

(2) 最小主应力在2 MPa左右，最大值9.9 MPa，顶底板局部地段出现了拉应力，最大值为-2 MPa，超过了围岩的抗拉强度，采场间柱发生破坏;

(3) 采场两帮位移随着采场回采不断增加，最大值为60 mm;

(4) 4575-2采场回采后采场上盘出现明显塑性区，局部地段岩石破坏，出现开裂，随着开采的继续向下，塑性区范围越来越大，采场上下盘破坏明显。

3 空区处理方案

根据现场地压测量以及数值模拟分析，同时引入隐患资源开采和空区处理协同技术，对该矿山的采空区提出了相应的处理措施。

采空区协同利用的基本模式包括：作为开采空间利用；作为转换空间利用；作为卸荷空间利用。对于该矿山来说，围岩最大主应力都集中在采场四周端角处，主应力最大值4757中段内为72 MPa，超过了围岩的抗压强度(炭质板岩49.4 MPa、砂岩25 MPa)，7号勘探线最大主应力为46 MPa，超过了砂岩的抗压强度。最小主应力超过了围岩的抗拉强度(炭质板岩-1.8 MPa、砂岩-1 MPa)，塑性区主要出现在空区端角，矿柱的临空面。可以看出应力主要集中在矿柱部位，由于矿体较破碎，矿柱在应力作用下出现了溃屈破坏，空区顶板处于极限平衡状态，极易发生矿柱破坏，顶板突然冒落的地压灾害发生[5]。

该矿山采空区的处理可以考虑回收矿柱后，诱发空区顶板自然冒落，达到卸荷并形成空区内废石垫层的目的[6]，同时距离地表较近的空区可以作为废石的地下堆场，采用目前矿山地表堆存的废石充填采空区，既起到了形成废石缓冲垫层，防止围岩大面积冒落造成灾害的发生，从而起到空区处理的作用，又消耗部分地表废石，减少废石压占地表造成土地资源的破坏，尽可能降低了矿山开采对环境的破坏。

该矿山最后采取的方案是：矿体较厚且矿柱较为完整的地段，采用回收矿柱诱发上盘围岩自然冒落充填空区形成缓冲垫层，部分上盘较稳固不能自然冒落的地段采取人工强制崩落上盘围岩的方法；矿体较薄且近地表的空区采取地表废石充填的方法处理[7]。

4 结 论

通过对该矿山采用phase2数值模拟软件分别建立了某矿山4575 m中段平面和7号勘探线剖面两个数值分析模型，对采场开采过程中围岩应力、位移及塑性区分布情况进行数值模拟分析，结合矿山地压监测情况提出了该矿山目前已形成采空区矿体较厚地段采用回收矿柱诱发上盘围岩自然冒落(部分上盘较稳固不能自然冒落的地段须采取人工强制崩落上盘围岩)充填空区形成缓冲垫层，矿体较薄且近地表的空区采取地表废石充填的处理方案。方案采用了空区处理和隐患资源开采协同处理技术，在处理空区的同时回收部分矿柱，并把采空区作为废石排弃场堆存了一部分地表废石；同时，在回收部分矿柱、堆存部分废石的同时处理了采空区。把空区作为卸荷空间以及转换空间来利用，使隐患资源开采和空区处理问题作为一个统一的目标得到了良好的解决。

[1] 邹国良.我国有色金属危机矿山发展对策[J].金属矿山,2007,12(1):22-23.

[2] 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,2011：1-166.

[3] 杨 柯，张立翔,李仲奎.地下洞室群有限元分析的地应力场计算方法[J].岩石力学与工程学报，2002,21(11):1639-1644．

[4] 刘晓明,罗周全，等.基于CMS的隐患空区三维特征信息获取[J].科技报,2011,29(05)：32-36.

[5] 蔡美峰.金属矿山采矿设计优化与地压控制理论与实践[M].北京：科学技术出版社,2001:16-52.

[6] 王御宇，李学锋，李向东.深部高应力区卸压开采研究[J].矿冶工程,2005,25(4):4-7.

2013-09-24)

张 伟(1981-),男,甘肃白银人，工程师,学士,主要从事采矿设计及采矿方法研究的工作,Email：36570219@qq.com。