复杂采空区影响下后续矿体开采稳定性分析

李谢平，童志鹏

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在矿山开采过程，房柱法、全面法、底盘漏斗空场法等空场类采矿方法的应用，通常会形成大量的地下采空区。特别是，无秩序、无规划的乱采滥挖在开采区域或其周边留下了大量的采空区，致使矿山开采条件恶化，既严重影响矿山生产和安全，又极大地破坏和浪费了宝贵的资源。因此，采空区的稳定研究显得尤为重要，其稳定性分析与评价是非常复杂的过程，应用数值模拟的方法可有效分析采空区周边岩石的应力分布规律及其变形趋势。

为此，针对某铜矿地下开采所形成的复杂采空区，依据其赋存条件、矿岩特性、后续开采区分布等已知条件，建立三维数值模拟计算模型，分步骤分析采空区未充填、充填后以及后续开采时，围岩及顶底板的应力和塑性区分布规律、位移变形趋势，来为矿山后续的安全生产提供保障。

1 工程概况

某铜矿地表山势陡峭，地下开采范围较大，自22#至43#勘探线范围，开采区域南北长700 m，东西宽300 m，开采标高3 050～3 300 m。矿体为上、下两层缓倾斜分布，前期采用空场法进行开采，采空区赋存状态复杂、数量多、体积大，前期开采共产生218个采空区，采空区总体积280.1 万m3，典型的剖面分布见图1。

图1 采空区、后续开采矿体空间分布示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial distribution of mined-out areas and subsequent mining bodies

因前期的开采顺序混乱、近地表盘区被先期开采，在采空区的周边尚保有大量的矿体资源未进行开采。后续矿体开采时，拟采用空场嗣后充填采矿法进行开采，主要的采矿方法及参数如下。底盘漏斗空场充填法：用于开采厚度大于8 m的矿体，盘区长度36 m，盘区间柱宽度5 m，中段矿柱宽5 m。

房柱采矿法：用于开采厚度4～8 m的矿体，盘区长度36 m，盘区间柱宽度3 m，中段矿柱宽3 m，点柱尺寸3×2.5 m。

全面采矿法：用于开采厚度小于4 m的矿体，盘区长度36 m，盘区间柱宽度3 m，中段矿柱宽3 m。

受采空区制约，后续矿体的开采存在较大安全隐患，需评价当前采空区的整体稳定性，并分析后续矿体的开采安全性，提出合理的安全保障措施。

2 计算模型的建立

2.1 矿岩物理力学参数

矿岩物理力学参数是计算结果可靠性的主要影响因素，岩体可视为岩块和结构面组成的地质体。因尺寸效应和不连续面的影响，岩体的强度往往小于岩块的强度，在岩体工程研究中，应采用岩体强度指标，而不能使用岩块强度指标。

依据试样加工与矿岩各项物理力学参数的测试试验，综合工程地质调查、岩体质量评价、现场实际采场围岩揭露情况，利用Hoek-Brown准则进行岩石物理力学参数的折减处理，所选用的岩体物理力学参数结果见表1。

表1 岩体物理力学参数选用表Tab.1 Selection table of physical and mechanical parameters of rock mass

2.2 计算模型的建立

该次计算采用的几何模型y方向为矿体走向方向，长度620 m；模型x方向垂直矿体走向方向，长度1 300 m；模型z方向为竖直方向，模型底部标高2 950 m，顶部最高标高3 420 m，模型最高高度470 m。采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型。模型共划分841 152个单元体，870 765个节点，最终生成的网格和建好的模型见图2。

图2 建立的三维数值计算模型Fig.2 3D numerical calculation model

2.3 计算步骤的选取

为了再现当初矿体被开采以后采空区周边围岩的破坏状态，该次计算步骤分如下阶段，用FLAC3D来模拟围岩在已确定材料特性作用下的变形与应力状态发展趋势。该次计算采用与现场矿体开采基本一致的顺序进行模拟：

(1)现状阶段，已开采形成的空区对地表及上覆岩层的稳定性影响分析；

(2)后续阶段，对已形成的采空区进行充填后，地表及上覆岩层的稳定性影响分析；

(3)后续阶段，分别分析后续矿体开采及充填后，采场、开采区域整体的稳定性分析。

3 采空区条件下后续开采的稳定性数值模拟及结果分析

矿体被开采后，形成一定的采场空间，岩体中的原岩应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，一些部位应力集中，另一些部位应力降低。维护采场稳定性主要是依靠围岩、充填体及矿柱自身强度来支撑采场空间结构。

3.1 现状阶段已形成采空区对地表及上覆岩层的稳定性影响分析

为了分析已形成的采空区对地表及上覆岩层稳定性影响，在前述数值模型的基础上，从岩体位移变形、岩体应力状态、塑性区分布等角度出发，进行稳定性分析。

3.1.1 岩体位移变形分布

现状阶段采空区形成以后，近地表边坡最大下沉位移值为35 cm，见图3。说明山体受地下开采扰动，下沉变形很大，随着时间推移，近地表采场围岩强度将因风化和雨水侵蚀逐渐降低，加上边坡受大型结构面的切割作用下，近地表采场顶板岩层可能会沿着大型结构面滑移，失稳垮塌，并逐渐冒落贯通至地表。因此，上层矿体上部的山体边坡处于不稳定状态。

图3 现状阶段地表边坡下沉位移变形云图Fig.3 Cloud diagram of displacement and deformation of the surface slope in the current stage

已开采采场顶板最大下沉变形位移为44 cm，见图4。下沉变形很大，说明现有未充填处理空区的存在，加上多个采场连采，将会造成顶板岩层存在开裂冒落的风险。后续矿体开采时，周边原有的空区需提前进行充填处理并接顶，后续盘区回采结束后及时充填；最优的地压控制方式是跳采，其次为隔一采二，要避免同水平相邻多盘区连续回采，避免相邻多盘区采后形成的空区同时暴露，控制好整个开采区域的跨度。

图4 现状阶段各剖面顶板和边坡下沉位移变形云图Fig.4 Cloud diagram of displacement and deformation of the roof and slope of each section in the current stage

3.1.2 岩体应力状态分布

(1)最大压应力分布

采场顶板、矿柱及围岩最大压应力分布云图见图5。可以看出现状阶段采空区形成后，原岩中存在的应力平衡状态受到扰动，在空区周围引起应力和位移的重新分布，采场矿柱出现了一定的应力集中，矿柱所承受的最大压应力为40 MPa左右，采场顶板所承受的最大压应力为20 MPa左右，处于较高应力屈服状态。

备注：“+”表示应力为拉应力；“-”表示应力为压应力图5 现状阶段各剖面采场矿柱及围岩最大压应力分布云图Fig.5 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

(2)最大拉应力分布

最大拉应力分布云图见图6。可以看出矿体被开采后，采场矿柱未出现拉应力，采场矿柱整体上将不会发生拉伸破坏；而采场顶底板却出现了拉应力，拉应力值为1～1.8 MPa，超过了顶板的抗拉强度值，顶板将会出现拉伸破坏，说明现有大量未充填处理空区的存在，以及采场跨度偏大，顶板和围岩不稳定，后续开采会不安全，需对已形成的空区进行充填处理，同时减小采场跨度。

图6 现状阶段各剖面采场矿柱及围岩最大拉应力分布云图Fig.6 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

3.2 后续阶段采空区充填后对采场顶板稳定性的影响分析

在前述稳定性分析的基础上，建议在后续矿体开采前，对已有采空区进行充填。因此，需模拟已有采空区进行充填后，分析采场顶板应力状态，为后续的开采安全性提供评判依据。

3.2.1 最大压应力分布

采场顶板、矿柱及围岩最大压应力分布云图见图7。可以看出后续阶段空区充填接顶后，采场矿柱还是出现了一定的应力集中，矿柱所承受的最大压应力为27 MPa左右，比未充填之前矿柱所承受的最大压应力40 MPa要降低了很多；充填后采场顶板所承受的最大压应力为15 MPa左右，比未充填之前顶板所承受的最大压应力20 MPa也降低了一定数值，说明充填体也承担了一部分来自于顶板的压力，同时还有充填体提供的围压，使得采场矿柱处于三向应力状态，大大提高了采场顶板及矿柱的强度。

3.2.2 最大拉应力分布

最大拉应力分布云图见图8。可以看出后续阶段空区充填接顶后，采场矿柱未出现拉应力，采场矿柱整体上将不会发生拉伸破坏；而采场顶底板还是出现了拉应力，拉应力最大值为0.67 MPa，比未充填之前顶板所承受的最大拉应力1.8 MPa要降低了很多，充填接顶后基本未超过顶板的抗拉强度值，顶板不会出现大规模的拉伸破坏现象。

备注：“+”表示应力为拉应力；“-”表示应力为压应力图7 后续阶段空区充填后，各剖面采场矿柱及围岩最大压应力分布云图Fig.7 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope after the mined-out area is filled in the subsequent stage

图8 后续阶段空区充填后，各剖面采场矿柱及围岩最大拉应力分布云图Fig.8 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rock of each section after the mined-out area is filled in the subsequent stage

3.3 后续深部矿体开采稳定性分析

(1)后续矿体开采后塑性扰动区分布云图见图9。可以看出在周边采空区充填接顶后，后续矿体开采时，大部分采场的顶、底板和地表边坡产生了少量分散的塑性扰动区，只是在7#剖面附近的采场顶板和底板产生了一定厚度的塑性扰动区，顶板塑性区高度为15 m左右，因此后续开采区域在当前的采场结构参数情况下，采场顶板有一定的自稳能力，顶板不会发生大面积的垮塌冒落，采场顶板岩层整体上处于基本稳定状态。

(2)从图9中可以看出后续开采产生的采空区胶结充填接顶后，采场顶板、矿柱及地表边坡基本未出现塑性扰动区，说明胶结充填后，在很大程度上改善了采场围岩的应力状态，大幅度减少了塑性区的出现，所以采空区充填后，大大改善了围岩受力状态，不会引发地表边坡破坏，及时充填后采场顶板及围岩会长久稳定。

备注：黑色表示弹性区；白色表示剪切塑性区。图9 后续矿体开采及充填后，各剖面塑性扰动区分布云图Fig.9 Cloud diagram of the distribution of plastic disturbance zones in each section after subsequent mining and filling of the ore body

因此，在后续阶段已形成采空区充填接顶的条件下，后续矿体的开采，顶板产生的塑性扰动区范围非常有限，采场顶板在前述的采场结构参数情况下有一定的自稳能力，顶板岩层不会发生大面积的垮塌冒落，且地表边坡未出现大量连片的塑性扰动区，不会引起地表边坡发生垮塌伤害。

4 结 语

针对已形成复杂采空区对开采的制约，后续矿体开采时，顶板及上覆岩层的稳定性问题，建立了莫尔-库伦Mohr-Coulomb)弹塑性本构数值模型，分步骤分析了当前采空区的稳定性、采空区充填后的稳定性、以及后续开采时的采场稳定性。

(1)现状阶段采空区形成后，近地表边坡下沉变形很大，山体受开采扰动很大；采场矿柱未出现拉应力，采场矿柱整体上不会发生拉伸破坏；但采场顶底板却出现了拉应力，拉应力值为1～1.8 MPa，超过了顶板的抗拉强度值，顶板将会发生拉伸破坏。

(2)后续阶段采空区胶结充填接顶后，在很大程度上改善了采场围岩的应力状态；采场围岩所承受的最大压应力和最大拉应力要比未充填之前围岩所承受的应力降低很多，说明充填体承担了一部分来自于顶板的压力；同时充填体提供的围压，使采场矿柱处于三向应力状态，大大提高了采场顶板及矿柱的强度；空区充填后上覆岩层整体是稳定的，后续矿体的开采，安全是有保障的。

(3)在周边空区充填接顶的条件下，后续矿体开始时，塑性扰动区范围非常有限，顶板岩层不会发生大面积的垮塌冒落，且地表边坡未出现大量连片的塑性扰动区，不会引起地表边坡发生垮塌伤害。

(4)同时为防止后续开采的采场顶板及周边围岩出现连片塑性区，建议采场之间采用“跳采”方式或“隔一采二”方式回采，缩短同时开采的空区跨度，有利于采场地压管理，实现矿体安全回采。