群脉开采的采空区稳定性相互影响分析

赵子巍

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

脉状矿体赋存规模较小，采后形成的采空区亦较为狭小，当脉状矿体呈急倾斜展布时，其采空区侧帮几乎呈直立状，有利于保持结构稳定。且其顶板暴露面积有限，相对于大面积开采形成的采空区，通常自稳性也较好。

多条脉状矿体距离较近，形成群脉时，则开采面临的采空区问题要比单脉复杂得多。尤其是当群脉产状不一，形态变化不规则，矿脉间距时近时远时，各脉开采过程中应力发生大幅调整，采空区的稳定性不仅与其自稳性能密切相关，亦与其周边开采产生相互影响，进而可能在局部范围内造成围岩应力高度集中，岩体位移和变形剧烈，采空区稳定性下降，破坏失稳的风险大大增加[1-4]。

1 研究背景

某钨矿位于江南丘陵地区，武功山系西南端，区内褶皱、断裂发育，岩浆活动频繁，矿区属构造侵蚀中低山区，为中低山地貌，山势陡峻。出露的地层简单，仅有寒武系浅变质岩（变砂岩、板岩、千枚岩），泥盆系、二叠系浅海相的碳酸岩和碎屑岩，侏罗系陆相碎屑岩，分布于岩体东、东南的边部，面积较小，第四系主要为风化残坡积物，分布于山坡脚、低谷沟边地带，厚2～10 m。

矿床为一石英群脉，该群脉由十余条含钨石英脉列组成，其中具有开采价值的有6条矿脉。矿脉分布较为集中，间距较小。该石英群脉分布在矿区的中间区域，倾向北东，倾角为75°～85°，脉厚为0.4～1 m，一般厚0.6 m左右，矿脉延长500～1000 m，延深200～500 m，规模小至大型不等。

矿脉间距大小不一，总体上集中在工业广场下方相对狭小的区域内。按编号分主要有A脉、B脉、C脉、D脉、E脉和F脉等6条矿脉，间距多为10～30 m。部分矿脉间距较小，如A脉和B脉中部间距最小仅为5 m左右，如图1所示。

图1 各矿脉相对位置关系

各矿脉整体上呈直立状产出，总体平直稳定，局部有时呈大角度弯曲，产状变化较大。如A脉和E脉的中部、C脉下部先由急倾斜转向缓倾斜，然后又由缓倾斜再向急倾斜发展，在局部范围内出现波浪式大幅变化。

2 采空区稳定性分析

采用数值模拟方法分析采空区稳定性，对采后采空区位移与应力变化进行研究。为使数值模拟与现场实际相符，数值模拟顺序需由矿山开采实际顺序来确定。根据矿山开采特点，6条矿脉自5中段开始同时向下开采，采完一个中段再向下开采另一中段，直至10中段开采结束。

2.1 采后位移变化

采空区最大位移量发生在A脉、B脉之间的小范围区域，下向位移达10～12 cm，如图2所示。

图2 采后竖向位移云图

竖向位移最大值变化如图3所示。由图3可知，采空区的竖向位移随开采范围的扩大逐渐增大。5中段开采后，最大位移仅5～6 cm，位于A脉边缘，竖向位移几乎可以忽略不计；此后位移量逐渐增加，8中段开采结束后，最大位移量为9～10 cm；10中段开采结束后，最大位移量增至12 cm。

图3 竖向位移随开采深度增加的变化

2.2 应力分布

随着回采的进行，岩体原有的平衡状态遭到破坏，采场围岩应力场发生了重新分布，采空区应力不断发生变化。采后最小主应力（压应力）云图如图4所示。由图4可知，5中段和6中段矿体开采后，主要集中在矿体形态变化较大的A脉和B脉采空区上盘，压应力最大值为8～10 MPa。 8中段矿体开采后，应力发生转移，压应力大幅增加，但仍主要集中在各脉形态变化较大的区域，其中A脉在7中段矿体拐角处产生的压应力最大为18 MPa。10中段矿体开采后，采空区围岩应力集中现象更为明显，A脉和B脉采空区拐角区域压应力最大达25 MPa，比6中段采后增加了2倍多。可见，在采场侧帮的上下盘隅角易产生压应力集中现象。

图4 采后最小主应力云图

采后最大主应力（拉应力）云图如图5所示。由图5可知，开采的起始阶段，拉应力主要集中在采空区周围小范围区域，拉应力值约0.2 MPa。随着开采范围扩大，8中段开采后，拉应力集中区域相应增大，最大拉应力值约0.4 MPa；10中段开采后，拉应力集中区域进一步增大，最大拉应力值约0.5 MPa。在矿脉集中的核心区域均出现了大小不等的拉应力，这也说明过于集中开采使得各矿脉采空区的应力相互影响。

图5 采后最大主应力云图

3 采场地压控制措施

一般地，采用的采矿方法、工艺参数和回采顺序与地压显现有很大关系，从地压控制的角度看，这些因素的合理与否也直接影响开采过程中的围岩稳定与作业安全[5-7]。

对于开采后形成的采空区，处理方法则可分为崩、充、封、固四大类，各类方法使用的条件、技术难度和经济成本各不相同。在具体的采空区处理过程中，由于各个矿山存在的采空区数量、位置、形态特征不一样，必须针对各采空区的特点和条件，分别采取相应的处理方法。

（1）采后充填。充填法处理采空区是消除隐患的最直接方法。矿体开采后，及时充填采空区，抑制采空区围岩变形，可有效防止采空区发生冒落事故。脉状采空区本身采幅较小，充填相对容易实施，尤其是急倾斜矿体开采的采空区，借助其倾角较大这一特点，利用废石或尾砂作为充填材料，处理工艺更为简单。C脉采空区废石充填前后一定时间段的上盘围岩竖向位移变化情况如图6所示，由图6可知，充填体控制地压的作用非常明显，充填后的采空区的围岩变形量明显降低。

图6 采空区充填前后位移对比

（2）连续强化开采。采场暴露时间越长，围岩变形越显著，发生破坏的风险越大。急倾斜群脉开采，尤其是当矿脉距离较近且产状发生急剧变化时，往往易产生高度应力集中。在这些局部特殊区域采取连续强化开采，缩短暴露时间，减少回采周期，可大大降低作业安全风险。

（3）优化爆破工艺参数。实践证明，爆破振动是造成围岩破坏的主要因素之一。当围岩本身接近或已处于极限平衡状态时，爆破对围岩施加的动载荷可加速岩体破裂变形，直接导致岩体失稳。通过采取优化爆破参数、选择合理的起爆方式和起爆顺序等多种措施，可有效降低爆破振动，尽可能减小生产爆破对采空区围岩的不利影响，防止爆破形成振害，影响采空区的稳定。

5 结论

（1）急倾斜群脉开采，矿脉距离较近且产状变化较大区域易产生高度集中的应力和较大围岩变形，采空区自稳性能较为脆弱。

（2）矿体开采后，最大位移和最大应力均发生在A脉和B脉之间。随着开采的不断下移，采空区暴露面积不断增大，相应的位移与应力不断增加，采空区局部面临失稳风险。

（3）采用连续强化开采，优化爆破工艺参数，采后及时充填采空区，可有效减小围岩变形、控制地压活动，增强采空区稳定性，大大提高采场作业安全。