某铁矿采空区稳定性分析及模拟填充处理方案

张逢义，王 明

（山东乾舜矿冶科技股份有限公司，山东 济南 250014）

铁矿开采在我国国民经济建设中占有极为重要的地位。作为世界第一钢铁产量大国，我国目前的铁矿石主要依赖进口，因此，国民经济发展对铁矿石的需求越来越大。国内铁矿在开采过程中也滋生了滥采滥挖，违法开采等问题，尤其是早期铁矿开采时，由于技术和设备比较落后，导致铁矿开采后遗留了大量采空区，这不仅造成了地表塌陷和人员伤亡，也导致了在进一步回采过程中开采难度的增加[1]。

2015年12月25日，山东省临沂市平邑石膏矿区发生采空区塌陷事件，29名矿工被困，有19名涉事人员被处分。据事故调查报告显示，塌陷区域东西长约1220m，南北宽约660m，面积约为0.61平方公里。事故发生的直接原因在于石膏矿采空区经过多年风化，采空区上部石灰岩垮塌并诱发矿震，导致相邻玉荣石膏矿顶部石灰岩塌落，巷道坍塌，因此，采空区稳定性分析是矿区开采的一个重点问题。本文旨在结合某铁矿采空区具体案例，提出铁矿采空区稳定分析方法和采空区处理方案，为铁矿采空区的治理和矿山的进一步开采提供相关方案，并充分结合铁矿开采区矿柱稳定性情况，采用区域地压监测方案，保证铁矿后期能够安全的可持续性开采。

1 室内岩体力学试验

1.1 室内岩石物理力学试验

铁矿矿体主要由岩石组成，通过岩石力学试验获取岩石的密度、弹性模量、抗拉强度、抗压强度和泊松比等必要的物理力学参数，从而获取对矿床计算分析的基本数据。部分试验数据如下表所示。（1）岩石密度测量的基本方法。岩石样本密度检测通常用量积法。量测岩石样本的两端和中间总共三个断面上相互垂直的两个边，取平均值计算岩石的截面积，量测端面周边对称四点和中心点的总共5个不同的高度，取平均值算出最终高度，将岩石样本置于专用烘箱中，在105℃～110℃的恒温下烘24h，然后放入干燥器内冷却至室内通常温度，称取试件质量。岩石块体干密度按下式计算：

表1 岩土室内试验结果

式中：?d----岩石块体干密度（g/cm3）。ms----烘干试件质量（g）。A----试件截面积（cm3）。H----试件高度（cm）。

（2）岩石抗压、抗拉强度测量的基本方法。利用电液伺服控制材料试验机来对岩石进行抗压和抗拉强度的试验，单轴抗压强度试验应将应变片安装于径向和轴向指定位置，根据应力应变片的指示得出应力-应变关系曲线，从而算出岩石样本的弹性模量和泊松比。

在进行岩石抗拉强度试验时，很少采用直接拉伸岩石样本的做法，岩石样本不同于金属材料，因此常采用间接的劈裂拉伸法。岩石抗拉强度按下式计算：

式中：σt ----岩石抗拉强度（MPa）。P----试件破坏荷载（N）。D----为试件直径(mm)。H----试件厚度（mm）。

2 矿区地质特征及岩体质量评价

2.1 矿区地质特征

（1）工程地质条件。矿区整体属于丘陵地貌，地形有利于自然排水[2]。随着铁矿开采深度加大，井下涌水量不断变大，当采用井下坑道式开采时，铁矿顶板应预留防水保安矿柱，这样可以保证砂岩的裂隙水不会直接涌进坑道，起到显著的防水作用。按照岩石强度等级划分，铁矿石可划分为坚硬岩石，铁矿整体稳定性好，没有软弱节理面，工程地质相对简单，易于开采。

（2）环境地质条件。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010、2016年版）有关规定，该矿区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。

区域内无大型污染厂矿企业，矿山废弃矿石亦妥善处理安置，矿区工程地质条件良好。

2.2 工程岩体分级

工程岩体分级的目的是通过分级确定岩体质量的好坏，进而预测可能出现的岩土力学和施工中的问题，为矿山的开采和设计提供必要的参数和依据。目前比较流行的四种分类方法如下：RQD值法、RMR法、Q系统法、BQ系统法。

表2 岩石质量指标RQD值法

表3 岩石质量指标BQ分类方法

3 采空区及矿柱三维数值模拟及稳定性分析

3.1 FLAC3D软件

FLAC3D软件的特别适合进行土质、岩质和其他材料的三维结构受力特性模拟分析和塑形变形分析。FLAC3D软件在模拟地下巷道开挖问题上可信度高，其模拟结果已经被大量工程证实。

（1）用设计中常见的CAD软件建立三维实体模型，针对实体模型划分网格,通过对CAD图形进行处理，删除无用线条,对多个中段闭合的矿体水平投影线框赋上高程，将闭合多段线连接成三维实体的矿床模型。

（2）设置材料属性并控制数值计算模型的边界条件。

（3）初步计算求出初始应力条件。在开挖前状态下计算求解得到初始应力平衡，得到原始的未经开挖的铁矿初始状态。

（4）采空区模拟处理：按照实际开挖条件对模型进行开挖，对开挖后的条件进行模拟处理。

（5）模拟充填处理：对采空区进行材料回填处理，按照回填后的状态计算新的应力平衡。

3.2 模型的初始平衡设置

模型初始条件设置时，重力方向与Z轴正向相反。运用弹性求解可以算出矿体的各个岩层在自重作用下的应力分布状况，以此为初步应力分布基础，可以求出矿体在自重作用下的应力分布情况，这种初始应力分布情况用来作为下一步应力分析的基础，在进一步模拟实际矿井下的开采情况时，矿体各岩层在自重作用下处于平衡状态，并没有发生塑性变形，因此，为保持与实际应力状态相吻合，将自重应力计算过程中的位移和塑性变形作清零处理。

3.3 挖区域模拟示意

从图1可以看到，底板发生较大上升位移约68mm，同时采空区最大沉降约55mm。从图2中可以看到，矿体塑性区分布集中在采空区的顶板和矿柱，矿柱塑性变形明显，存在失稳垮塌风险。

图1 矿体竖向位移

图2 矿体塑性区分布

3.4 采空区在矿山充填前后的数值模拟结果对比示意

图3 采空区填充前塑性区分布

图4 采空区填充后塑性区分布

采空区在填充前后的塑性区分布有明显变化，采空区在填充后一定程度上减小了采空区应力位移变化量，改善了采空区的稳定性。根据分析结果，采空区在填充之后确实可以改善矿山的整体稳定性。

4 采空区的地压监测方案研究

在开采过程中，各矿层岩石会处于不稳定状态，采空区也往往不会及时回填，这会直接导致铁矿发生冒顶和矿柱失稳等灾害，为了铁矿安全生产，必须建立对采场进行稳定性的地压实时监测系统。

4.1 矿山监测方式

目前国内外有多种常见的矿山压力监测方式，如微震监测，多通道声发射监测和应力-位移监测等，实际应用中也可以采取多种方式相结合的方式。应力位移监测系统是传统的监测方式，成本低，监测结果直观，但是监测范围小，并且无法实时监测矿山压力变化动态，需要专业人员到监测器材采集数据，耗费人力物力，不能预判地压情况的整体趋势；微震监测系统系统建设成本高，后期维护投入大，操作不方便；多通道声发射监测，可实现对岩石开裂和冒顶的提前预测，投入较微震监测系统少，监测范围广，可实时监测。对比分析之下发现，多通道发声监测是性价比较高的一种方式，可以为矿山安全回采提供准确的预测预报。

4.2 监测方案总体思路

监测方案的基本思路为：制定现场监测方案-采购设备软硬件-建立预测监测网络-实时数据分析-预警调试。多通道声发射监测系统由数据采集器和传感器组成，传感器和信号处理器之间采用信号电缆连接，信号电缆的作用是将传感器捕捉的信号传递给数据处理站。传感器应当交错布置在矿体的上下盘，最终布设位置应结合矿山生产的具体情况。在地压监测系统安装之后，应当及时邀请专业技术人员开展现场手把手教学，尽快培养出合格的矿山监测系统人员，使得投入设备能够尽快做到自主分析与预警，并使设备长期处于安全稳定运行状态，从而降低系统的运行使用成本。

5 结论

采空区和矿柱稳定性分析必须有准确的岩石物理力学参数，因此必须进行室内岩石物理力学试验，为后续采空区矿柱稳定性分析提供基础数据。结合矿区实际情况，采用数值分析软件FLAC3D对矿区开采和填充情况进行分析模拟，及时发现矿区回采中存在的薄弱环节，对设计和施工提出指导措施。矿区开采应建立完整有效的地压监测系统，及时、有效、全面的反应出整个开采区和采空区的应力分布情况，有效促进铁矿的安全开采。