平行矿体采空区稳定性分析及处理方式研究

尹修平，郭忠林

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

1 概述

近几十年来，随着资源的不断匮乏，市场对资源量的需求不断增大，资源的开采工作也由浅部逐渐向深部发展。由于前期开采所遗留的采空区未经处理，其所存在安全隐患也随着时间的推移不断增大，这不仅会造成地表塌陷，还会对后续开采造成地质灾害隐患。本文以云南某铅锌矿采空区为对象，分析Ⅱ6、Ⅲ4号矿体采空区稳定性和对后续开采活动的影响。

2 采空区影响因素

2.1 采空区形态

根据现场踏勘收集的资料，矿山的采空区主要集中在Ⅱ6、Ⅲ4号矿体，也是矿山生产的主矿体。Ⅱ6矿体走向近东西向，倾向北，倾角60～80°，控制长212m，矿体厚0.75～5.62m，平均厚2.47m，厚度变化系数89.88%，属厚度较稳定型矿体。Ⅲ4矿体走向近东西向，倾向北，倾角60～80°，矿体控制长47m，厚1.02～8.69m，平均厚6.61m，厚度变化系数100.52%，属厚度较稳定型矿体。Ⅱ6、Ⅲ4号矿体属于相邻矿体开采，采用平硐开拓方式，早期开采主要集中在1700m以上，所以形成的采空区主要集中在1700、1740、1780m三个中段。

2.2 矿区地质概况

矿区内岩石均具程度不同的热变质作用，随远离酸性花岗岩体而变质程度递减，各类岩石均保留原岩的部分结构、构造，基本上为石英岩原岩砂岩、粉砂岩，角岩原岩为泥岩、砂泥岩，大理岩原岩为碳酸盐岩。矿山一带由南往北(由上往下)出露岩性为石英砂岩、石英岩→砂质板岩、砂岩→砂质角岩→角岩→大理岩与角岩互层→角岩，矿区主要含矿岩性为大理岩与角岩互层，以大理岩岩为主，走向近东西向，倾向北，倾角大于60°，不管是大理岩或是角岩，其钙质含量均较高。所以，矿体的围岩比较单一，由大理岩和角岩组成互层夹杂矿体。具体岩石力学参数如表1所示。

表1 岩石力学参数

2.3 采空区稳定性的数值模拟分析

根据岩体的破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏和张性破坏。采空区围岩主要产生的就是剪性破坏。地下的矿体被采出后，采场周围的原始应力平衡受到破坏，顶板围岩向下弯曲，上覆岩层也会沿着岩层层理的法线方向发生移动、弯曲，导致顶板因大跨度弯曲而断裂、离层，采空区周围的岩层就产生移动、变形、破坏[1-3]。对于实际的工程问题，由于问题存在的复杂性和影响因素众多等条件，在满足工程需要的前提下，采用数值模拟技术来近似模拟。通过FLAC3D数值模拟软件，对采空区围岩的位移、应力、塑性区等进行稳定性分析。本文主要分析空区围岩位移、应力和塑性区，见图1～图5。

图1 Z 方向位移

图2 X 方向位移

图3 最小主应力

图4 最大主应力

图5 塑性区

根据图1、2可知，采空区围岩在Z方向位移变化比X方向明显，采空区围岩从下到上位移逐步增大，在接近地表是位移最大。Ⅱ6号矿体上盘围岩位移在X和Z方向上变化明显，最大位移主要集中在矿体的上盘，越接近地表位移越大。Ⅲ4号矿体下盘围岩位移比上盘围岩位移大，位移主要集中在两个采空区之间。由于位移主要介于平行采空区之间，有可能造成两矿体之间整体垮落。

图3、4主要分析的是最小主应力和最大主应力，由图可知，采空区的应力主要集中在顶部和底部，Ⅱ6号矿体应力集中明显，主要集中在上盘顶部，靠近地表。Ⅲ4号矿体应力主要集中在顶板和地板，同时地表山谷离采空区最近也存在应力集中。

图5是分析的是塑性区，塑性区存在的是不可恢复的变形，也就是说产生围岩发生塑性变形，不能恢复原状，从而产生破坏塌落。由图可知，塑性区主要集中在采空区的上盘接近地表的地方，Ⅱ6号矿体上盘塑性区范围明显。

综上所述，围岩位移主要集中在两采空区之间，应力和塑性区主要集中空区上盘顶板接近地表出，当采空区上盘顶板围岩产生位移时，同时顶板围岩应力又比较集中，又存在塑性区，塑性区部分变形不可恢复，从而可能直接导致大范围的塌陷，对矿山的生产存在着重大的安全隐患，需要采取处理措施。

3 采空区地质灾害分析

3.1 冒落塌陷

当形成采空区后，采空区岩层根据其破坏和移动的形式，自下而上分为“三带”：冒落带、断裂带、弯曲带[4]。当空区顶板冒落的高度大于空区顶板的高度时，就会形成地表塌陷；相反，地表则不会形成塌陷，地表稳定。由于采空区围岩主要为坚硬的大理岩为主，故选用的冒落高度计算公式为：

式中：H——冒落带高度；

m——采空区高度；

k——岩石的碎胀系数，硬岩一般在1.50～1.80，取1.60；

α——采空区倾角，取矿体倾角70°。

根据采空区的实际形态，选取三个标高进行计算，计算结果如表2。

3.2 冒落产生的气浪

冒落气浪是采空区上覆岩层大范围冒落，瞬间压缩采空区气体，形成气浪冲击，对矿上的运输巷道，通风等造成重大影响，同时对矿山的安全生产带来隐患，严重时威胁到生命安全。发生大面积冒落时通常也伴随着地表塌陷。冒落气浪主要两种模型：①一种是“绕流”模型；②另一种是“打气筒”模型。其中“绕流”模型空区内部气体受压产生的气浪，没有连通地表空气，而“打气筒”模型冒落到地表，压缩空气与地表连通。根据冒落带的计算和分析，该矿山为打气筒模式，根据能量守恒和恒温下的气体状态方程，“打气筒”模型计算公式如下[4-5]：

表2 Ⅱ6、Ⅲ4采空区冒落高度计算

式中：η——折减系数，介于0.6～0.9之间；

ρ——冒落体的密度；

A——出风口断面积；

P1——气浪发生前采空区的气压；

H——空区高度；

L1——冒落体的长；

L2——冒落体的宽；

H1——冒落体的高；

n——出风口个数。

通过现场观察可知，折减系数η取0.8；冒落体的密度ρ取1.47g/cm3；出风口断面积A为2m×2m；气浪发生前采空区的气压P1为标准大气压；现场测量冒落体的长宽高为3.2m×2.5m×1.8m；计算可以知道Ⅱ6、Ⅲ4矿体产生的冒落气浪速度分别为：11.05m/s、17.55m/s。其中Ⅲ4矿体的冒落气浪超过了矿山的安全速度12m/s，对矿山的生产安全造成影响，应采取应对措施处理采空区。

4 采空区的处理方式

现阶段，采空区处理的方法主要有三种：①基本方法主要包括崩落法、充填法、支撑法、封闭隔离法；②采空区处理的联合法主要有支撑充填法、崩落隔离法、矿房崩落充填法、支撑片落法；③现阶段采空区处理的新方法有切槽放顶法、切顶与矿柱崩落法、V形切槽上盘闭合法、硐室与深孔爆破法[5-10]。其中，采空区的基本法和联合法各方面都有局限性和特定的适应条件，且费用都比较高。新方法都能通过一种施工工艺达到多种基本方法的处理工艺，而且成本比较低，可以根据现场情况进行选择处理。

根据该矿山的具体情况、稳定性分析和技术经济比较，以及各种处理方式的适应条件，了解该矿山地表允许塌陷，初步选定处理方式为崩落部分围岩处理采空区。主要技术路线：通过数值模拟分析可知，采空区的围岩应力，位移和塑性区主要集中在上盘顶板处，选择采空区应力集中处进行崩落围岩，既可以降低成本，还能达到最好的效果，崩落部分围岩充填采空区，使其达到一定的厚度，与采空区底板共同形成阻波缓冲带，当缓冲带达到一定厚度，就能消除冒落气浪的影响，并且对矿山的后续开采不产生安全隐患。

5 结论

根据对采空区的现场形态和稳定性分析，并且对冒落高度和冒落气浪的计算，处理方式的分类与优缺点、技术优势，得到以下结论：

(1)根据采空区现场形态的考察和数值模拟分析可知采空区存在的安全隐患和不稳定因素。

(2)通过对冒落高度和冒落气浪的计算，确定了采空区的影响范围和矿山地质灾害发生的可能。

(3)分析采空区的处理方式，针对该矿山的具体情况，给出经济合理有效的处理方式，消除采空区对矿山安全的影响。

综上所述，本文通过理论分析与该矿山具体实际相结合，利用数值模拟技术进行分析，计算预测采空区存在的安全隐患，并提出合理先进的处理方式，对该矿山安全生产具有很大的实际意义。

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