某石膏礦采空區(qū)坍塌影響數(shù)值模擬研究

張勝光 ，卿自強(qiáng) ，戴軍 ，徐超 ，王淇萱

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

房柱法是地下石膏礦產(chǎn)資源的主要采礦方法，房柱法開采形成了大面積的懸頂采空區(qū)群[1]。大采空區(qū)隨時間推移在風(fēng)化、流變等因素作用下會使采空區(qū)產(chǎn)生大規(guī)模坍塌[2-3]，造成巨大損失，因大面積采空區(qū)失穩(wěn)而導(dǎo)致的地壓災(zāi)害，其后果往往是極其嚴(yán)重的，會造成重大財產(chǎn)損失或人員傷亡。2005年11月6日，河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區(qū)發(fā)生特別重大坍塌事故，造成33人死亡，38人受傷，井下4人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失774萬元[4]。2015年12月25日，山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)坍塌事故，造成1人死亡，13人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失4133.9萬元[5]。

目前，國內(nèi)一些學(xué)者對采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬開展了相關(guān)研究工作。郝勇浙等[6]為了解內(nèi)蒙古某金礦豎井的穩(wěn)定情況，采用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模方法對內(nèi)蒙古某金礦地表、礦體和采空區(qū)進(jìn)行建模，對豎井周圍的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等方面進(jìn)行了分析，并提出了治理措施。楊勇等[7]以紅嶺多金屬礦復(fù)雜采空區(qū)為例，通過數(shù)值模擬及K.B.魯別涅依他公式法分別研究了空區(qū)間柱、頂板和上下盤圍巖的穩(wěn)定性，并與現(xiàn)場實際情況做對比分析，得到復(fù)雜采空區(qū)的穩(wěn)定性情況以及潛在破壞區(qū)域。容宇[8]以某銅礦采空區(qū)為例，采用 ANSYS軟件建立采空區(qū)、地層、斷層和巷道單元模型，再利用FLAC3D軟件進(jìn)行計算，分析了采場開挖后-120 m中段及各縱剖面的沉降和彈塑性區(qū)域分布，分析結(jié)果可為后續(xù)采空區(qū)周邊巷道開挖提供指導(dǎo)。

本研究以某石膏礦為例，利用二維數(shù)值模擬有限元軟件Phase2，建立了相關(guān)地下采場分析數(shù)值模型，對-150 m水平上部采空區(qū)坍塌后巖層移動和應(yīng)力重新分布趨勢進(jìn)行了模擬計算，計算結(jié)果可為礦山企業(yè)下一步的采空區(qū)治理方案提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某石膏礦礦體傾向西南，淺部礦體傾角為25°～40°，深部礦體傾角為 19°～40°，礦體平均傾角為25°～30°，總的趨勢為由東向西逐漸變陡，淺部及斷層附近常出現(xiàn)次級褶皺，礦區(qū)范圍內(nèi)由上至下共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4層礦體，主要開采Ⅱ、Ⅲ號礦體。礦山采用斜井開拓，建有主副兩條斜井，采用房柱法開采，前進(jìn)式回采，留設(shè)條形礦柱支撐頂板。為了減少矸石提升、排棄量，利用井下矸石對采空區(qū)進(jìn)行部分充填。

-50 m、-83 m、-116 m、-150 m中段已經(jīng)回采結(jié)束并部分區(qū)域垮塌，-183 m中段已開采完畢并部分密閉，-216 m、-248 m中段已回采Ⅱ、Ⅲ號膏層部分礦體，Ⅱ、Ⅲ號礦體采空區(qū)部分重疊。大量采空區(qū)垮塌致使礦山開采條件惡化，會對地表、下部中段及井筒產(chǎn)生擾動影響，給礦山生產(chǎn)和安全管理帶來嚴(yán)重影響。因此，對采空區(qū)坍塌后巖層移動和應(yīng)力重分布趨勢進(jìn)行研究分析是非常必要的，對保障礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型建立

數(shù)值模擬計算方法不僅可以分析礦山采空區(qū)坍塌圍巖應(yīng)力、位移的變化趨勢，還能直觀地展現(xiàn)礦山回采對構(gòu)筑物的影響機(jī)理和規(guī)律。本次數(shù)值計算模擬了-150 m水平上部采空區(qū)坍塌后巖層移動和應(yīng)力重新分布的趨勢，分析了礦山采空區(qū)坍塌對地表、下部中段及井筒的影響。

沿主井做垂直剖面，如圖1所示，此剖面與礦體、巖層走向垂直，兩側(cè)礦體長度均超過200 m，符合平面應(yīng)變問題前提條件，可采用二維數(shù)值模擬有限元軟件Phase2計算分析。

以圖1所示剖面為平面模型，建立數(shù)值計算網(wǎng)格圖，如圖2所示。

圖1 沿主井垂直礦體走向剖面

圖2 數(shù)值計算網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)數(shù)值模擬計算分析所需要的基本數(shù)據(jù)，在礦山開采現(xiàn)場選取了礦石及圍巖巖樣，主要進(jìn)行了礦巖容重、單軸壓縮條件下礦、巖的力學(xué)特性、劈裂抗拉試驗4項實驗室試驗。并根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征（見圖3）、分級指標(biāo)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗結(jié)果，運用Roclab軟件計算分析得出了巖體的力學(xué)參數(shù)，計算結(jié)果見表1。

圖3 單軸壓縮破壞事件

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果匯總

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.1 位移計算結(jié)果分析

-150 m水平上部采空區(qū)坍塌后，在-150 m水平上部采空區(qū)地表形成下沉盆地，巖移最大點位于采空區(qū)上方，產(chǎn)生的最大地表沉降為 0.3 m。采空區(qū)被圍巖塌落巖石充填，沿-150 m水平以上坍塌采場至地表巖層位移量逐漸減小，巖層變形量由空區(qū)頂板的3.6 m逐漸減小至地表的0.3 m。巖層移動主要發(fā)生在坍塌采空區(qū)上部，下部中段采場圍巖位移量在8 mm以內(nèi)，影響微弱。主井及副井位于礦體底板，-150 m水平上部采空區(qū)坍塌產(chǎn)生的巖層移動對主、副井無影響。-150 m水平以上采空區(qū)坍塌計算位移結(jié)果如圖4所示。

圖4 -150 m水平以上采空區(qū)坍塌計算位移結(jié)果

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果分析

-150 m水平上部采空區(qū)正上方是覆巖的應(yīng)力釋放區(qū)，覆巖剪應(yīng)力、拉應(yīng)力破壞區(qū)均位于坍塌采空區(qū)頂板。上部水平采空區(qū)坍塌造成的-150 m以下礦體圍巖應(yīng)力變化為：最小主應(yīng)力變化范圍在±0.1 MPa；最大主應(yīng)力變化范圍在1.5 MPa以內(nèi)，在已回采結(jié)束的-183 m水平變化最大。因此，-150 m水平上部采空區(qū)坍塌只對-183 m水平產(chǎn)生較弱的影響，對目前-216 m、-248 m生產(chǎn)水平及下部-283 m開拓水平無影響。主井、副井在-150 m標(biāo)高以下，-150 m以上采空區(qū)的坍塌不會對主井、副井造成影響。-150 m以上采空區(qū)坍塌計算應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 -150 m水平以上采空區(qū)坍塌應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）石膏礦-150 m水平上部采空區(qū)坍塌后，巖層移動主要發(fā)生在坍塌采空區(qū)上部，下部中段采場圍巖位移量在8 mm以內(nèi)，影響微弱，主井及副井位于礦體底板，-150 m水平上部采空區(qū)坍塌對主、副井無影響。

（2）石膏礦-150 m水平上部采空區(qū)正上方是覆巖的應(yīng)力釋放區(qū)，覆巖剪應(yīng)力、拉應(yīng)力破壞區(qū)均位于坍塌采空區(qū)頂板，-150 m水平上部采空區(qū)坍塌對-183 m水平產(chǎn)生較弱的影響，對目前-216 m、-248 m生產(chǎn)水平及下部-283 m開拓水平無影響。

（3）石膏礦主井、副井在-150 m標(biāo)高以下，-150 m以上采空區(qū)的坍塌不會對主井、副井造成影響。

（4）礦山應(yīng)加強(qiáng)對-183 m水平采空區(qū)的監(jiān)測，以提前采取空區(qū)失穩(wěn)階治措施。