某铁矿采空区稳定性及处理数值模拟

程立年 叶振华

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;

3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

某铁矿采空区稳定性及处理数值模拟

程立年1,2,3叶振华1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;

3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

基于某铁矿Ⅱ#矿带采空区现状，首先采用FLAC3D软件进行稳定性模拟，然后根据FLAC3D软件计算结果以及安全因素设计出合理的采空区处理方案，最后模拟出采空区处理后的期望结果。结果表明，基于FLAC3D软件模拟采空区处理过程能够为设计采空区治理方案提供较为可靠的依据，在一定程度上具有优化采空区治理方案的作用。

采空区 稳定性 数值模拟 FLAC3D

某铁矿正处于露天转地下开采的过渡期，Ⅱ#矿带104 m水平以上已形成长约400 m、宽约20 m、高50～75 m、体积50余万m3的采空区；104～56 m的8#～14#采场现已回采完毕，采空区体积约15万m3，目前采空区总体积为65万m3。至44 m水平以上生产结束时，将形成一个高100～120 m、体积约120万m3的巨大采空区，该采空区的地表北部为标高210～277 m的山头，长200 m；南部标高209 m，长200 m，且坡下有废石堆和已废弃的露天采场，废石堆积和采场的实际坑底资料不详。初步勘查原露天采场的最低水平约为180 m，地下采空区的原采矿顶板标高为174 m，如果原露天采场的最低位置正好处于采空区上部，那么采空区的最小顶板厚度约6 m。为防止采空区破坏以突然崩塌的形式出现，有必要对采空区的现状进行调查分析，获取必要的数据，在此基础上采用相应的方法对其稳定性进行分析和评价并提出处理方案，以确保生产安全。

1 FLAC3D软件简介

FLAC3D自美国ITASCA咨询集团公司推出后，已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法，是二维的有限差分程序FLAC的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其他材料体力学特性，尤其是达到屈服极限的塑性流变特性[1-3]。

2 采空区稳定性及处理方案数值模拟

2.1 建 模

由于采空区对围岩的影响范围大致为采空区面积的 3～5倍，采空区高约56 m、宽约30 m，因此计算模型的几何尺寸应取 280 m×260 m×140 m。该模型地貌较复杂，且空区顶板距离地表较浅，无法忽略地表形态对空区受力分析的影响，因此在建模时应参照实测的地表等高线图来建立模型。

2.2 矿岩物理力学参数

矿岩物理力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

2.3 边界条件及屈服条件确定

考虑到采空区对围岩的影响范围，在设置边界约束条件时，模型前后2个边界面主要约束Y方向位移，左右2个边界面主要约束X方向位移，底面主要约束Z方向位移。强度准则采用摩尔-库伦准则和弹塑性本构关系。屈服条件如下

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ,

式中，fs为屈服强度，MPa；σ1、σ3分别为最大和最小主应力，MPa；c为岩体的黏接力，MPa；φ为摩擦角，(°)。

当fs<0时，岩体将发生剪切破坏；当材料达到屈服极限后，在稳定的应力水平下产生塑性变形；在拉应力状态下，若拉应力超过岩体的抗拉强度，岩体将发生拉伸破坏。

2.4 采空区现状模拟

由于矿区之前没有进行过地应力的原位测试，因而，此次计算初始地应力场仅按岩体自重应力场来考虑，垂直应力按岩体及以上覆岩层总重力计算。由于采空区是在采矿过程中逐步形成的，因此根据以上建立的网格模型和设定的边界条件，模拟计算首先按模型所在的深度向模型施加自重荷载，让模型在自重应力的作用下趋于稳定，建立背景初始应力场；然后清除初始应力作用造成的位移，按照实际开采的顺序，每一循环模拟一次开采步骤。为了节省时间，在计算过程中，模拟开采是对采空区的一次性开挖，求解开采后的应力场。模拟结果见图1。

由图1(a)可知，采空区顶板所受最大拉应力为0.102 MPa，基本达到围岩拉应力值；由图1(b)可知，围岩最大压应力出现在空区顶板角部，压应力值为8.523 MPa，超过围岩的压应力值。因此，采空区顶板将在中间出现局部受拉破坏，在角部出现受压破坏，形成塌落拱，这与现场探查所得的空区形态基本一致。空区上、下盘的最大拉应力和压应力均小于围岩所能承受的最大拉、压应力值。由图1(c)可知，采空区顶板没有太大的位移，可以推测出目前采空区比较稳定。164巷道壁的围岩基本处于受压状态，而最大压应力也小于围岩所能承受的最大压应力值，因此该巷道也相当稳定。综合判断可知，目前采空区南部区域整体比较稳定，不会出现大的顶板塌陷危险，若要处理采空区，需要对采空区顶板进行扰动或爆破。另外，164巷道比较稳定，通过该巷道进行工程爆破作业是安全可靠的。

2.5 Ⅱ#矿带采空区顶板崩落处理方案

图1 采空区现状模拟结果

为了防止突然垮冒对地下作业人员、设施的巨大冲击，选择已经形成的薄弱处开拓一个具有卸压能力的窗口，作为采空区处置的应急措施，即开天窗工程。

爆破区域主要设在采空区顶板靠近下盘，如图2所示。由于模拟过程应该是在开挖天窗后再在顶板上施加一个爆破震动，这样的模拟比较接近实际过程。但真实的爆破震动仅能通过爆破后的仪器测得，因此将开天窗处理的过程简化为仅考虑顶板开挖的影响，省略了受到爆破震动波的影响。相关模拟结果见图3。

由图3(a)、图3(b)可知，顶板开挖后Y=70 m(开挖部分)的应力云图与开挖前的云图差异较大，最大拉应力出现在悬臂的右下部，超过围岩所能承受的最大拉应力值，因此该处会发生受拉破坏；最大压应力值出现在悬臂根底部，超过围岩所能承受的最大压应力值，并且整个悬臂根部的压应力值也超过围岩所能承受的最大压应力值，因此在悬臂根部会发生受压破坏。可以预测，开天窗爆破发生后，开挖部分截面会形成悬臂梁结构，由于应力的重新分布，悬臂根部的压应力超过围岩所能承受的最大压应力，悬臂端部的拉应力也超过围岩所能承受的最大拉应力，整个悬臂结构将会破坏坍塌，从而使天窗口的范围扩展至整个跨度区域。

图2 开天窗爆破示意

由图3(c)、图3(d)可知，Y=30 m(非开挖部分)截面Z方向位移较小，开天窗爆破后，非开挖部分的应力没有发生明显变化，围岩仍处于稳定状态。顶板开挖后天窗上部覆土层产生了较大位移，远远超过一般围岩的最大变形值，因此，顶板开挖后，天窗上部覆土层会沿着爆破口往下冒落塌陷。

由图3(e)可知，采空区顶板断层处的大部分均发生过剪切屈服现象，特别是天窗口的北部边界与断层之间的区域在整个计算过程中均呈现出剪切屈服破坏，可以推测，断层对顶板的受剪切破坏有较大影响，会使天窗口北部边界与断层之间的区域发生剪切破坏而塌陷，从而使得天窗口的范围在沿采空区纵向进一步扩大。

3 结 语

采用FLAC3D软件分别对某铁矿采空区现状以及该矿Ⅱ#矿带采空区顶板崩落处理方案进行了模拟，对于采空区的安全处理具有一定的参考价值。

图3 Ⅱ#矿带采空区模拟结果

[1] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 闫长斌，徐国元，李夕兵，等.爆破振动对采空区稳定性影响的FlAC3D分析[J].岩石力学与工程学报，2005(6)：2894-2898.

[3] 孙国权，李 娟，胡杏保.基于FLAC3D程序的采空区稳定性分析[J].金属矿山，2007(2)：29-32.

2015-01-07)

程立年(1987—)，男，助理工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。