采场空区稳定性数值模拟分析

维普资讯
第 ３卷 第 ６期 ２０ ０７年 １ ２月
中 国 安 全 生 产 科 学 技 术
Ｊｕ ｌｏ ａｅｙＳ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｍａ ｆＳ ｆｔ ｃｅ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ
Ｖ０ ． Ｎ ． １３ ｏ６ Ｄ ｃ ０ｒ ｅ ．２ Ｏ ７
ｓｍ ｍｎ ｏａｓ ｅ ａ ｔ ｐｔ ｕ ｇ ｅｓ ｂｌ ｆ ｎ ｅ ｒ ｎ ｎ ｇａｅ ． ｉｉ ｉｏ ，ｄｍ ｇ ｆ ａ ｕ ｉ ｉ ｃｌ ｐｅｆ ｌ Ｗ ｓ ｄ ｅｔ ｔ ｉｔ ｏ ｄｒ ｏ ｄｍ ｉ ｒａ Ｍ ｎｎ ｈｓ ｒ ａ ａｅｏ ｗ ｌ ｅ ｎ ｌ ｉ ｄ ｓ ｅ ｕ ｏｊ ｈ ａ ｉ ｙ ｕ ｇｕ ｉ ｎ ｇ ｔｙ ｌ
ｅ ． ｈ ｅｕｔ ａ ｉｅａｒｆｒｎ ｅｆｒ ｅｒｓｏ ｓ ｉｔ ｏ ｆ ｍａｉｎ ｎ ｄｍａ ｅｉ ｐ ｓｉｌ ｏａｏｄ ｓｍ ｉ ｌｒａｃ— １ Ｔ ｅｒｓ ｌ Ｃ ｇ ｅ ｃ ｐ ｎ ｉ ｌ ｃｎ ｒ ｔ ，ａ ｋ ｔ ｓ ｅｔ ｖｉ ｏ ｅ ｓ ａ ｃｉ ｓ ｎ ｖ ｅ ｅ ｏｔ ｅ ｈ ｂｉ ｙ ｉ ｏ ｏ ｂ ｉ ｍ
型， 反演了该采区的开采 历史 和围岩破坏 、 围岩应 力分布 、 地表 沉陷 、 监测 点位移变化 等情 况， 从力 学 角度 阐述本次事故发生发展 的过程 ， 对地 下采场 的安全稳定 性给 出了客 观的评价 。为事故处理 责任 的认定 和避免 同类事故 的发生提 出了参考性意见。
关键词 ： 石膏矿 ； 采场稳定性 ； 数值分析 ； 陷 坍
ＭＡ ｉｔｏ Ｈａ—ａ
（ ｈｎ ｃｄｍ ｆ ａ ｔ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈｏ ｇ，Ｂ ｎ １０ ２ 。Ｃ ｉ ） Ｃ ｉ Ａ ａｅ ｙ ｆｙ ｃ ｎｅ ｄＴｃｎｌ ｙ ｅｉ ａ ｏ Ｓｅ ｅ Ａ ｏ ｇ ００ ９ ｈ ａ ｎ

应力图中正值表示受拉, 负值表示受压。
图 2 拉应力等值线 (M Pa )
从图 2~ 3中可见: 绝大多数顶板单元所受的拉 应力不超过 2. 75M Pa, 压应力不超过 12. 56 M Pa, 远
图 4 位移等值线 (m )
为了准确评价采空区的危险性, 确保安全生产, 建立计算模型时, 假设 + 85 m 水平以上采空区的水 平宽度为 20 m, + 85~ + 62 m 水平之间采空区的水 平宽度为 80 m, + 62~ + 20 m 水平之间采空区的 水平宽度为 40 m, 除了分布有几个点柱外, 采空区 沿水平方向和倾斜方向都连续分布。计算假设的采 空区宽度比实际情况略偏大, 计算假设的矿柱分布 也比实际情况少, 采空区的连续性也比实际情况强, 因此, 计算的应力、位移值可能比实际情况偏大。总 之, ANSYS 分析表明: 该采空区引起的地压显现不 明显, 不会引起顶板失稳, 不会导致地表发生明显的 岩体移动, 不会引起地表塌陷或007, 27( 1)
悬顶高度过大, 矿柱尺寸偏小, 且顶板跨度太大, 将 是该处可 能发生 顶板冒 落、矿柱 片帮 事故的 主要 原因。
3 矿柱强度校核
根据李俊平等于 2002年和 2003年提出的设计 方法 [ 2, 3] , 建议该矿开采缓倾斜以下的矿体时, 按表
2 布 置矿 柱。
某矿采空区分布在 - 2~ 305 m 高程之间, 倾角 变化较大, 从 0b~ 70b都有分布。垂 直剖面线的采 空区宽度一般不超过 20 m, 局部达到 80 m。顶板跨 度一 般不 超 过 20 m, 局部 达 到 35 m。从 地 表至 - 200m 水平主要有白云岩、砂岩、灰岩和铅锌矿等 4种岩体, 其中铅锌矿赋存在灰岩中。岩体力学参 数见表 1。

孔学伟（1985—），男，主任，工程师，661000云南省个旧市。

某铁矿采空区稳定性的数值模拟分析孔学伟1徐培良1杨八九2者亚雷2（1.云南锡业股份有限公司；2.云南亚融矿业科技有限公司）摘要某铁矿I 号铜矿带浅部采用浅孔房柱法开采，经过近7a 的开采，从800m 分段至880m分段共形成145个采空区，采空区内存在大量尺寸不等的间柱、点柱、顶、底柱，部分采空区已贯通，空实比约为3∶1，采空区体积之和约为95.2万m 3。

为探讨该采空区的稳定性，在现场调查、室内岩石力学实验及矿岩体质量分级的基础上，采用FLAC 3D 有限差分法，对矿体开采至不同中段时采空区、矿柱等的稳定性及采空区对地表充填制备站的影响进行研究。

结果表明：145个采空区中有18个采空区顶板存在明显的拉应力，且位移量也相对较大，如不及时处理，随着矿柱荷载的不断增加，会导致矿柱失稳破坏，最终引发一系列的地压问题。

研究成果为矿山采空区的治理提供了理论依据。

关键词采空区点柱有限差分应力集中荷载失稳破坏DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.03.062Numerical Simulation Analysis on Goaf Stability of an Iron Mine KONG Xuewei 1XU Peiliang 1YANG Bajiu 2ZHE YaLei 2（1.Yunnan Tin Co.，Ltd.；2.Yunnan Yarong Mining Technical Co.Ltd.）AbstractThe shallow part of No.1copper belt of an iron mine is mined by shallow hole room and pil⁃lar method.After nearly seven years of mining ，145goafs have been formed from 800m to 880m.There are a large number of pillars ，point pillars ，top and bottom pillars in the goafs.Some of the goafs have been connected ，the ratio of air to solid is about 3∶1，and the total volume of mined out areas is about 952000m 3.In order to explore the stability of the goaf ，on the basis of field investigation ，indoor rock mechanics ex⁃periment and rock mass quality classification ，FLAC 3D finite difference method is used to study the stabilityof goaf and pillar when the ore body is mined to different middle sections and the influence of goaf on sur⁃face filling preparation station.The results show that:there are obvious tensile stress in the roof of 18goafs in 145goafs ，and the displacement is relatively large.If not handled in time ，with the increasing of pillar load ，it will lead to pillar instability and failure ，and eventually lead to a series of ground pressure prob⁃lems.The research results provide a theoretical basis for the treatment of mined out areas.Keywordsgoaf ，point column ，finite difference ，stress concentration ，load ，instability failure总第623期2021年3月第3期现代矿业MODERN MININGSerial No.623March .2021矿体在开采条件下引起的应力二次分布以及矿岩移动变形规律都非常复杂，仅仅从理论方面对其进行计算分析，很难客观而全面地反映研究对象的变化过程，必须借助理论计算之外的其它研究手段［1-3］。

02
实验研究方 法的发展： 提高实验数 据的准确性 和可靠性
03
智能监测技 术的应用： 实现实时监 测和预警
04
多学科交叉 技术的应用： 提高分析问 题的深度和 广度
政策法规支持
01
政府出台相关政策， 支持采空区稳定性可
靠度的研究与开发
04
鼓励企业加大投入， 提高采空区稳定性 可靠度的技术水平 和应用范围
工程实践
03
某金矿采空区 稳定性可靠度
工程实践
04
某铜矿采空区 稳定性可靠度
工程实践
稳定性可靠度的控制措施
01
02
03
04
加强采空区监测： 实时监测采空区变 形、位移等情况，
及时采取措施
优化采矿工艺：采 用先进的采矿工艺， 降低采空区稳定性
风险
加强支护设计：合 理设计支护结构， 提高采空区稳定性
加强安全管理：建 立健全安全管理制 度，提高采空区安
地下水：地下水的存在和 运动对采空区稳定性有很 大影响
采空区充填：采空区充填 材料的选择和充填质量对 采空区稳定性有很大影响
采空区监测：采空区监测 技术的选择和监测结果对 采空区稳定性有很大影响
采空区稳定性的评估方法
数值模拟法：通过建立数值模型，模拟采空区的 应力、变形和破坏过程，评估其稳定性。
现场监测法：通过在采空区布置监测点，实时监 测采空区的变形、应力等参数，评估其稳定性。
经验公式法：根据已有的经验和数据，建立经验 公式，评估采空区的稳定性。
综合评估法：综合运用多种方法，对采空区的稳 定性进行因素的识别
01
地质条件：地层结构、岩性、地下水等
02 采矿工艺：采矿方法、采矿设备、采矿参数等

模型建立
根据矿区实际情况，建立三维模型，包括矿体 、围岩和节理裂隙等
边界条件
根据工程实际情况，设置模型的边界条件，包括 位移约束和应力边界条件
初始条件
根据地质勘察资料，设置模型的初始应力场和位移 场
模拟过程
进行开挖模拟，分析不同开挖阶段的岩体变形和 应力分布情况
结果分析
对模拟结果进行分析，包括位移场、应力场、塑性区分 布等，评估岩体的稳定性
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩体的位移、应力、应变等参数，及 时发现失稳征兆。
数值分析预测
通过数值模拟分析，预测岩体的应力分布和变形趋势，提前预警可 能发生的失稳。
经验判断法
根据地质勘察和工程实践经验，判断岩体失稳的可能性，采取相应的 预防措施。
岩体稳定性控制措施
锚杆支护
采用锚杆对岩体进行加 固，提高岩体的整体稳
研究不足与展望
目前数值模拟在矿山开采过 程中对岩体稳定性的分析仍 存在一定的局限性，如模型 简化、边界条件设定、参数 选取等方面存在不确定性， 需要进一步完善和改进模拟 方法。
采场顶板和采空区处理是矿 山开采过程中的重要问题， 但目前数值模拟在解决这些 问题时仍存在一些挑战，如 大变形、非线性、多场耦合 等问题的处理需要进一步研 究和探索。
02
矿山开采基本原理与技 术
矿山开采方法
01
02

03
露天开采
将矿体周围的岩体剥离， 将矿石运出。
地下开采
通过矿井进入矿体，将矿 石运出。
特殊开采方法
如溶浸法、原地破碎法等 。
岩体工程地质性质
岩体的物理性质
01
如密度、孔隙率、含水率等。
岩体的力学性质

董 凯程 ， 辉 ， 曹 解联 库
（ 京矿 冶研 究总 院 ， 京 １ ０ ６ ） 北 北 ０ １ ０
摘 要 ： 场 回采 顺 序 及 结 构 参 数 对 提 高 采 场 回采 安 全 性 ， 低 回采 损 失 、 化 率 ， 高 回采 效 率 有 重 要 意 义 。 采 降 贫 提
利 用 Ｆ Ａ 数 值 分 析 软件 ， 不 同结 构 参 数 采 场 稳 定 性 进 行 数 值 模 拟 分 析 。通 过 对 矿 柱 及 围岩 的应 力 、 变 及 破 Ｌ Ｃ 对 应
２ ｏ
有 色 金 属 （ 矿山部分） 及 网格划分 如 图 ｌ 所示 。
第 ６ 卷 ４
移 ， 面为 竖 向应 力边 界条件 ， 顶 由上覆岩 土体 自重换 算 得 出 ， 型 内部矿 房 及 矿柱 分 布 情 况 和计 算模 型 模
（ 计算模型简图及其尺寸 ａ ）
（） 型网格 划分图 ｂ模
Ａｂｓ ｒ ｃ ： Ｓｔ ｐｅ ｍ ｉ ｎｇ ｓ ｑ ｎ ｅ ｄ ｔｕｃ ｕ ａ ｐａ ａ ｅ ｅ ｓ ａ ｅ ｍ ｐ ｔ ｔ ｔ ｉ ｐｒ ｖｅ ｍ ｉ ｉ ｇ ａ ｅｙ， ｒ ｄｕｃ ｔａ ｔ ｏ ｎｉ ｅ ｕｅ ｃ ｓ ａｎ ｓ ｒ ｔ ｒ ｌ ｒ ｍ ｔ ｒ ｒ ｉ ｏｒａｎ ｏ ｍ ｏ ｎ ｎ ｓ ｆ ｔ ｅ ｅ
采 场 回采 过程 中第 一 步骤 、 二 步骤 应 力变 化 第
不 明显 ， 主要 分析第 三 、 四步骤 开采 过程 中的应 力变 化 情况 。图 ２表示 采 场宽 度 为 １ Ｉ ５Ｉ 条件 下 的采 区 Ｔ 水 平 中截面 及其 下面部 分岩 体 的竖 向应 力分 布 。从 图 中可 以看 出， 房开 采初 期 ， 区周 围竖 向应力较 矿 空
较 小 ， 填体位 移 变形 量 大 也 意 味着 内部 吸 收能 量 充

摘 要： 某矿采空区具有规模大 、 数量多 、 空间关系复杂等特点 ， 急需开展复杂采空区群稳定性 课题
的研究 。在对采空 区群及 其开采环境现场调研 的基础 上 ， 进行 了现场点荷 载试 验与室 内单轴抗 拉 、 抗压强度实验 ， 获得岩体力学参数 。采用 三维 有限元方 法对该 矿进行 数值模 拟 ， 模 拟结 果表 明 ： 该 矿采空 区稳定性偏低 ， 部分空 区顶板 出现 拉应 力集 中 ， 有 可能 出现顶板 冒落 。根 据分析 结果 ， 提出 了相应安全对策 ， 为矿 山的安全生产起 到指导作用 。 关键词 ： 矿； 采 空区群 ； 稳定性 ； 有限元数值模拟
塌陷， 造成生命财产的损失 ， 并会导致下一步矿山不 能正 常生 产 ， 造 成 巨 大 间接 经 济损 失 。采 空 区 的存
在对 矿 山生 产 安 全 、 资 源 合 理 开 采 和 环 境 保 护 造 成
了严 重 的潜在 危 害 。
对 于采 空 区稳 定 性 的研 究 ， 目前 应 用 较 多 的 主 要 有 经典 唯 象 学 方 法 、 力学方 法和数 值分析 方法。 经 典 唯象 学方 法 中根据 随机 介 质 理论 而 提 出 的概率 积 分 法 在 采 空 区 稳 定 性 分 析 与 评 价 中 广 泛 应
第２ ９卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ４月
湖 南有 色金属
ＨＵＮＡＮ Ｎ０Ｎ Ｆ ＥＲＲＯ ＵＳ ＭＥ Ｔ ＡＬ Ｓ
・
采
选 ・
某矿复杂采空 区群稳定性数值模拟研究
曾嫒 媛 ， 任 青 云 ， 刘 泽洲
（ １ ．厦 门紫金 工程设计有限公 司， 福建 厦门 ３ ６ １ ０ ０ ６ ； ２ ．湖 南有 色金属研 究院， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ５ ）

中:K为
；W为采空区顶板的跨度,单
位m;H为采空区
，
m。
2）载荷 条与
。
上载荷化为一
30。-35。的
，与 与
对，
在
，为
以
上 载荷及岩石自 ，
是
的
为：
中：！为 散，6_32° ;b为采空区跨度，单
为 m; H 为采空区
，
m
3理
的 是采空区在生
自
， 上部岩体及 载荷 部
，
采空区要 成自 力 为了 成自 力 ，采
发
，
采空 ， 成
， 主要在
间，
发
后， 发 不完
，主要
其
，
发 量变
，成
，主要
为
主，
，
发
，但没有塌
，
没有发根
，其
点为
，范围
，范围。
媒矿#代化
2019 &' 6 (
)* 153 (
2采空区稳定性分析与评价
2.1米空区稳定性影响因素 影响采空区稳定性四大因素为*6+7]：地质因素、水
文因素、环境因素和工程因素,造成采空区塌落的原 因是上述因素的随机共同作用结果。其中地质因素主
空区上
要有
的稳定岩层，本
中
取稳定岩层厚度等 力
：
H _ F+hxtan（45-"/2）
（3）
中:Hy为压力
，
为m;P为内摩擦
角，取"_36.5° ;h为采空区最大高度，取h_15m;b
为采空区
，
为6；f为 岩层强度
数;（f_熹，叽为单轴抗拉强度,单位为MPa）。

在 矿产 资源 开采 过 程 中 ， 房柱法 、 全 面 法 及 留 矿
法等空场类采矿方法开采形成大量采空区。其原 岩
应 力平 衡状 态遭 到人 为破坏 ， 因此会产 生 次生应 力场
２ 边界条件及模拟方案
模拟 的采 空 区埋 深 较浅 ， 选用 弹性求 解法 来生 成
来引起岩体中的应力重新分布以达到平衡 ， 而且在此 过程 中伴随一系列的矿压显现。对于产生的采空 区
２ ０ １ ３年 第 ３期／ 第３ ４卷
黄
金
Ｇ ｏ ＬＤ
巨 耍［
基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ ｐ数 值 模 拟 的 采 空 区稳 定 性 分 析
张 海 波 ， 宋卫 东
（ １ ． 河北联合 大学矿业工程学 院 ； ２ ． 北京科技大学土木与环境工程学 院）
摘要 ： 采 空 区规模 的不 断扩 大 ， 给 矿 山安 全 生产 带 来 了极 大的威 胁 。应 用数 值模 拟 方 法 ， 能 够 系统地 分析 采空 区周 围岩体 的应 力分 布规律 和 变形趋 势 ， 鉴 于拉 格 朗 日算 法的 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ程 序 适合 于求解岩 土 力学 工程 中非线 性 的大 变形 问题 。 以石人 沟铁 矿 为工程 背景 ， 运用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ对 采 空 区 的稳 定性 进行 了数 值模拟 分析 ， 并得 到 空 区 围岩 的应 力应 变分布 规律 ， 对 空 区的稳 定性进 行 了科 学 分析 与评 价 ， 提 出 了应及 时 处理采 空 区的建议 。
１围岩 内部 应力状态重新分
布， 模 拟应使 问题 得 以简化 而又 不至 于失 真 。本 文 在
研 究过 程 中 ， 对模 进 行 了如下 简化 ：

采矿工程中数值模拟技术探讨在采矿工程中，不仅仅要重视其开采问题，同时还应该重视围岩稳定性以及岩层的控制，因在开采过程中，其围岩自身具有很多不明确因素，以往所采用的传统分析方法在解决这些问题的时候，容易出现很多的弊端。

文章就针对这些问题，就采矿工程中数值模拟技术进行详细地探讨，结合采矿工程的特点，对数值模拟技术进行分析。

随着信息技术的不断发展，在采矿工程中开始逐渐应用数值模拟技术，这在很大程度上推动了我国采矿工程事业的发展。

数值模拟技术不仅可以模拟岩体结构特性与复杂力学，同时还便于对各种边值问题的分析以及施工过程对巷道围岩稳定性的影响进行分析，预测工程岩体的稳定性。

目前，随着这种数值模拟技术的大力发展，已经逐渐成为了解决采矿工程问题以及其他岩土工程问题的主要研究手段之一。

下面文章就采矿工程模拟技术来进行探讨。

一、采矿工程中存在的问题在采矿工程中，因涉及到的内容非常的广泛，导致其存在着很多的问题，其中尤为突出的就是岩土工程问题。

不管是采场顶板垮落、深部开采的地温与地压，还是覆岩移动以及采动所引起的高应力软岩巷道围岩的控制均需要进一步进行研究。

在采矿工程中，其存在的问题主要分为以下两种：(一)采场围岩控制采场围岩控制问题的表现主要如下：岩体结构是怎样被破断的，破断以后的岩块是否处于一种稳定状态以及结构失稳以后其形态的变化等。

采动应力场主要是指矿体被采出以后，围岩内应力场的重新分布，它是岩体变形破裂运动的源泉，但是因原岩应力自身的状态以及其在开采以后，难以测定应力场，再加上其现场测定与相关的理论描述都不是很成熟，因受采动应力场的影响，其采动岩体就会发生一定的变形，一直到破裂，这些破裂后的块状围岩体就会形成一种堆砌结构，由于其自身失稳导致岩体运动，一直到再形成稳定的块状堆砌结构为止。

(二)巷道围岩控制巷道围岩控制问题是指开采以后覆岩的移动、变形以及破坏导致围岩应力场发生变化，即开采对于工程附近巷道围岩自身稳定性的影响，以及在采动影响下，巷道围岩的控制机理与技术。

象， 大规模 破 坏也 可能产 生 ； 、 ２ ３号 空 区 顶板 最 大 沉
陆 刚
（ 西金 河矿 业股 份有 限公 司拉 么锌 矿 ， 广 西 河 池 市 广 ５ ７０ ） ４ ０ ０
摘 要 ： 研 究 西 部 某 矿 山 井 下 采 空 区 围 岩 稳 定 性 ， 合 现 场 Ｃ Ｓ 空 区 探 测 数 据 及 为 结 Ｍ
Ｆ ＡＣ软 件 ， 立 了空 区赋 存地 质模 型 ， 析 了采 空 区 围岩稳 定 性 ， 结合 岩 体 破 坏判 据 Ｌ 建 分 并
Ｃ ＭＳ三 维 空 区 探 测 数 据 及 地 表 地 层 数 据 ， 用 运
束 ， 拟 主要 载荷 为岩体 自重 应力 。 模
矿体、 围岩 的计算 力学 参数见 表 １ 。
３ ＭＩ Ｄ ＮＥ矿 业工 程软 件及 Ｆ ＡＣ 。 结 合 的方 式对 Ｌ 。相
空 区形 成 过程及 稳 定 性 进 行 模 拟计 算 分 析 ， 矿 山 为
数 值计 算模 型 总体尺 寸为 ３ ０ｍ×１ ０Ｉ ×１ Ｏ ０ ５ ｎ ５
ｒ， ｎ 由于空 区埋 深较 浅 ， 中段距 地 表 仅 有 ５ ｎ， 一 ＯＩ 因
此模 型 上边 界取 至 地 表 ， 四周 及 下边 界 按 开 采 的影
图 ２ 计 算 区域 的地 质 网格 模 型
表 １ 矿 岩 和 围 岩 主 要 物 理 力 学 参 数
关键 词 ： 空 区； 定性 分析 ； 采 稳 数值 模 拟 ； ＭＳ Ｃ
我 国西 部 某矿 山 以铜 矿 体 为 主 ， 矿 方 法 主要 采
用浅孔 留矿法 ， 分采用 中深孔 落矿 ， 部 回采 后 未对 空
响 范 围确定 。 网格 划分 时 ， 为使模 拟结 果更 加准 确 ， 将采 空 区及周 边 围 岩 附近 尺 寸 划 分得 较 小 ， 围 网 外 格尺 寸较 大 。采用 位移 约束 的边 界条件 约束 模 型边

ｔ ｎ ｌ ｓ ｏ ｏ ｆ ｇ ｏ ｐ） ｆｅｅ ｃｅ ｔ ｉ ａｉ ｆｒｐｌ ｒ ｏ ｂｎ ｎ ｏ ｆｔ ａｍｅ ｔ ａｔｃ ｎｃ ｌ ｕ — ｙ ａ ａｙ ｉ ｆｒ ａｓ（ ｒ ｕ ，ｏｆｒｄａｓ ｉｎｉ ｃｂ ｓｓ ｏ ｉａ ｂ ｉｇａ ｄ ｇ ａ ｅｔ ｎ ， ｈ ｉａ ｐ ｓ ｇ ｆ ｌ ｒ ｒ ｅ ｓ
我 国重点 铁 矿资 源 ８ ％ 以上 为露 天生 产 ， ５ 大都 是倾 斜和 急倾 斜 矿 床 ， 矿体 延 伸 大 ， 短 而深 矿 床 。 属
目前 多 数 矿 山 有 几 十 年 的 开 采 历 史 ， 的 矿 山 已 经 有
进入 到 中晚期 ， 但露 天矿深 部矿 体大 约有 ２ ０亿 ～ ０ ３
总 第 ２ ０ 期 ０
２１ ０ ２年 第 ８期
河 北冶全
Ｈ ＥＢＥＩ Ｍ ＥＴＡＬＬＵ Ｒ ＧＹ
‘、 ’
Ｔｏ ａ Ｏ ０ ｔｌＮ ２ ０ ２ １ ， ｕ ｂ ｒ８ ０ ２ Ｎ ｍ ｅ
， ＋
”＋
“＋
”＋
“＋
“＋
｛试 验研 究 ：
＋ ．＋ ． ．＋ ． ．＋ ． ．＋ ． ．＋ ． 一
得应力发 生转移并重新分 布 ， 继而导致岩体不 同程 度
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２ ２１ ４— ６
确定性 以及 回采 过程 中空区群 对露 天边 坡 稳 定 的影 响等。采空 区的稳 定性 和 处理 是石 人 沟铁 矿顺 利 进
行 露天转地下安全开采 的重要技 术 问题 。因此 ， 用 应
河 北钢铁 集 团 石人 沟铁 矿 于 １ ７ ９ ５年 ７月 建 成 投产 ， 计规 模 １ ０万 ｔａ 矿 山最 终 产 品 为 单 一 铁 设 ５ ／，

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１３Ｍａｙ２０２０现　代　矿　业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６１３期２０２０年５月第５期 张忠政（１９８９—），男，主任，工程师，辽宁省沈阳市和平区。

弓长岭露天铁矿浅层采空区稳定性数值模拟张忠政１　王雷鸣２（１．鞍钢集团矿业公司弓长岭有限公司露采分公司；２．中国瑞林工程技术股份有限公司） 摘　要　由于历史原因，弓长岭露天铁矿周边地方小矿点不规范乱采乱挖，导致在独木采区形成了大量的浅层采空区，迫于生产需求，需要对独木采区小北沟空区进行爆破处理。

为了保障牙轮钻设备及人员安全，需要对空区的稳定性进行评价。

考虑到弓长岭露天矿采空区地质赋存条件和围岩稳固性等特征，运用ＦＬＡＣ３Ｄ数值计算，开展了小北沟空区静力学计算和空区上方承载牙轮钻机的计算分析。

研究表明：采空区形成后，在顶板处产生的最大压应力值为２ＭＰａ，在顶板处产生的最大拉应力值为０．２５ＭＰａ，产生的压应力和拉应力均不是很大；地表１２个监测点显示，地表最大垂直位移值不超过１０ｍｍ；在地表危险区域１施加牙轮钻机等效载荷，产生最大的垂直位移约为０．５６ｍｍ，在地表危险区域２施加牙轮钻机等效载荷，产生最大的垂直位移约为０．４８ｍｍ，牙轮钻机不会对地表沉降产生明显影响。

关键词　采空区　露天铁矿　数值模拟　地表沉降ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４ ６０８２．２０２０．０５．０２４ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＳｈａｌｌｏｗＧｏａｆｉｎＧｏｎｇｃｈａｎｇｌｉｎｇＯｐｅｎＰｉｔＩｒｏｎＭｉｎｅＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｚｈｅｎｇ１　ＷａｎｇＬｅｉｍｉｎｇ２（１．ＥｘｐｏｓｅｄＢｒａｎｃｈ，ＧｏｎｇｃｈａｎｇｌｉｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＭｉｎｉｎｇＣｏｍｐａｎｙｏｆＡｎｓｔｅｅｌＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ；２．ＣｈｉｎａＮｅｒｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｕｅｔｏｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｒｅａｓｏｎｓ，ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｒｒｅｇｕｌａｒｍｉｎｉｎｇａｎｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎｏｆｓｍａｌｌｍｉｎｉｎｇｓｉｔｅｓａ ｒｏｕｎｄｔｈｅＧｏｎｇｃｈａｎｇｌｉｎｇＯｐｅｎ ｐｉｔＩｒｏｎＭｉｎｅｈａｖｅｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｈａｌｌｏｗｇｏａｆｓｉｎｔｈｅＤｕｍｕｍｉｎｉｎｇａｒｅａ．Ｄｕｅｔｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓ，ＸｉａｏｂｅｉｇｏｕｉｎｔｈｅＤｕｍｕｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｅｍｐｔｙａｒｅａｉｓｂｌａｓｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｒｏｌｌｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｐｅｒｓｏｎｎｅｌ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉ ｔｙｏｆｔｈｅｅｍｐｔｙａｒｅａｎｅｅｄｓｔｏｂｅｅｖａｌｕａｔｅｄ．ＴａｋｉｎｇｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｉｎｔｈｅｇｏａｆｏｆＧｏｎｇｃｈａｎｇｌｉｎｇＯｐｅｎ ｐｉｔＭｉｎｅ，ＦＬＡＣ３ＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｓｔａｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＸｉａｏｂｅｉｇｏｕｅｍｐｔｙａｒｅａａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａ ｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｃｏｎｅｒｉｇａｂｏｖｅｔｈｅｅｍｐｔｙａｒｅａ．Ｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅａｔｔｈｅｒｏｏｆａｆｔｅｒｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｏａｆｉｓ２ＭＰａ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅａｔｔｈｅｒｏｏｆｉｓ０．２５ＭＰａ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｅｓｇｅｎｅｒａｔｅｄａｒｅｎｏｔｖｅｒｙｌａｒｇｅ；Ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｏｅｓｎｏｔｅｘｃｅｅｄ１０ｍｍ；ｗｈｅｎｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｌｏａｄｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｃｏｎｅｒｉｇｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄａｎｇｅｒｚｏｎｅ１，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓａｂｏｕｔ０．５６ｍｍ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓａｂｏｕｔ０．４８ｍｍ，ａｎｄｔｈｅｒｏｌｌｅｒｒｉｇｗｉｌｌｎｏｔｈａｖｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍ ｐａｃｔｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｇｏａｆ，Ｏｐｅｎｐｉｔｉｒｏｎｍｉｎｅ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 在我国多空区矿山的露天开采过程中，随着台阶开采的不断推进，露天开采境界内各台阶与地下空区群的隔离层厚度越来越薄，随时有可能发生采空区顶板坍塌事故，从而危及采场工作人员和大型采掘及运输设备的安全。

采空矿区工业园稳定性数据分析摘要井陉矿区为石家庄西部地区重要的经济中心，按石家庄市发展布局要求，市规划设计院对矿区进行了总体规划布局，按城市区、工业区、商业区、商业物流区等分区进行建设。

为此矿区环保局委托石家庄金石地质勘测有限公司对该区域的地表稳定性进行了评价，并表示该矿区地表已基本稳定，建设规划是可行的。

关键词矿区；地层；开采深度；采出厚度；地表稳定性从建设循环经济工业园的目标出发，按照“功能明确、布局科学、资源共享、互相支撑”的原则，井陉矿区按石家庄市发展布局要求，将全区进行了整体规划布局，按城市区、工业区、商业区、商业物流区等分区进行建设。

为此矿区环保局委托石家庄金石地质勘测有限公司对该区域的地表稳定性进行了分析评价。

公司组织有关专家进行了专题论证、并达成共识。

通过对煤矿采掘图与规划的煤化工基地地形图对比，基地所处范围，部分在一矿、二矿、三矿采空区上方与影响带上。

1 矿井基本情况1.1 开采方法及简史井陉矿区多采用立井开拓、走向长臂，垮落式管理顶板的开采方法，由于水文地质条件较复杂，断层较多，工作面之间多被断层隔开，各井田进行了小面开采，一些块段和地质及水文地质报损，回采率较低。

一矿新井井田由1924年开采至1980年结束，已结束29年。

最大开采深度295米，最浅开采深度185米。

地表西高东低，标高315米至305米。

一矿贾庄井田由1974年开采，南部1992年结束，北部1996年结束，分别已结束17年和13年。

地表西高东低，标高340米至324米。

最大开采深度360米，最浅开采深度344米。

二矿北斜井由1975年开采，1987年结束，结束时间已达22年。

地表西高东低，标高310米至300米，最大开采深度200米，最浅开采深度100米。

三矿井田北部由1923年开采，1988年结束，结束时间已达21年之久。

地表西高东低，标高335至325米，最大开采深度365米，最浅开采深度355米。

1.2 煤层及顶底板结构一层煤：煤厚0.8～1.0米，顶板为黑色砂质页岩、底板为灰白色砂质页岩。

面 等 地 质 构 造 ， 因 而 得 到 国 内 外 广 泛 认 可 与 应
用 。
共 计 ２ 个 方案 。 ８
— —
研 究 中根据 矿 山空 区处 理 的各典 型 阶段 （ 未充
收稿 日期 ：２ ０ 一 Ｏ — １ ０９ ８ ３ 作 者 简 介 ：林 景 （ ９６ ，男 （ 族 ） １７ 一） 汉 ，福 建 龙 岩 人 ，福 建 省金 宇 工 程 建 设 有 限公 司行 洛坑 项 目部 副 经 理 ，采 矿 工 程 师 ， 二 级 建造 师 （ 山类） 矿 ，注 册 安 全 工 程 师 ，主 要 从 事 岩 土 工 程 、 爆 破 工 程 、 采 矿 工 程 等 方 面 的施 工 、设 计 及 研 究 。
系是 一组 复杂 的微分 方程 组 ，想 用解 析方 法计算 获
得 采 空 区 顶 板 的 安 全 厚 度 、矿 （ ） 柱 的 几 何 尺 岩
单 元 总数
５６ ７ １ ５２ １ ９ ５１ ０８
寸 、采 空 区的安 全 暴 露 面积 等 显 然 是 相 当 困难 ］ 。 而数值 模拟 法能够 从整 体上 分析 采空 区周 围岩石 的
矿 业 工 程
第８ 第１ 卷 期
３ 模 拟 结 果 分 析
为 研究采 空 区充填前 后稳定 性 的关 系 ，找 出合 理 的采 空 区处 理方 案 ，主要 对 ３ ｍ 矿 房跨 度 的采 ６ 空 区无 充填 、只充 填一个 空 区 、充填 两个空 区和空
１ ５ １４ ２ １ ９ Ｏ７ ６ １ ２ Ｏ４ ６
３ ０ ３ ３ ９ １
１ ８ ｌ ｌ Ｏ 一 】
１ ２ １ ５ １ — １
应 力分 布规律 及变 形趋 势 ，从 而 获得最 优 近似解 。

值模拟 ， 旨在判断矿柱 回采对整个采空区稳定性 的 影响。 为矿柱安全 回采提供理论依据。
段高 ５ｍ， ０ 自下而上分为 １２ ３ ，， 三个分段 ， 数值模拟
中依据实际施工顺序进行开挖 ， 采用 中深孔凿岩， 第 分段高度 取 １ｍ， 它 两个 分 段 高 度 取 １ｍ， 房 ２ 其 ３ 矿 长 ４ｍ， ０ 矿柱宽 ８ 布置天井 的一侧 为 １ｍ）采 场宽 ｍ（ ０ ，
采过程设计 先采矿 房 。经过 现场 工程地 质调查 ， 整个 矿区 围岩稳 固 ， 氏系数 ｆ ８—１ ， 普 ＝ ２ 节理 裂隙不 发育 ，
岩体完整性和连续性较好 ， 水温地质简单。 ２ ２ 模型建 立 ．
本 次模 拟采 用 日本 软脑 株式 会社 开发 的有 限元 结 构应 力分 析 系统 ３ Ｄ一仃， 它是 支 持 土 木 工程 设 计 的数值 分析 系统 ， 主要 用 于 分 析 诸 如 地 下或 露 天 采 矿 、 坝 、 道及 斜 坡 等 的 力 学 状态 和特 性 ， 分 析 堤 隧 该 系统 能按输入 的宏 观 条 件 自动生 成各种 有 限元数 据
维普资讯
８
铜
业
工
程
２ ｏ №３ ０７
文章编 号 ：０ ９３４ （０７ ０ ． ０８ ０ １０ ．８２ ２０ ）３ ００ ． ３
矿柱 回采对 采空 区稳定性影响数值模拟研究
秦 艳华 ， 晓军 。 春晖 。 王 钟 赵 奎
（ 江西理 工大 学建 筑 与测绘 工程 学 院， 西 赣 州 ３ １０ ） 江 ４０ ０
导意义。 关 键 词 ： 值 模拟 ； 全率 ； 柱 回采 数 安 矿
中图 分类号 ：Ｄ ５ ．９ ． Ｔ ８３３ １ １

柱中部为稳定的弹性 区， 此时矿柱有可能出现部分的
收稿 日期 ：０ １— ９— ７ ２ １ ０ ０
基金项 目： 国家 自 然科学基金资助项 目（ １７ ０ ８ ５ １４ ８ ） 通信作者 ： 万文（ ９８一 ， ， １６ ） 男 湖南衡阳人 ， 博士， 教授 ， 研究方向 ： 岩石力学 ． ｍ ｉ ｗ ｎ ｅ ８ ６ ．ｏ Ｅ— ａ ： ａｗ ｎ ＠１３ （ｒ ｌ ６ ３ ｅ
由于矿体 的开 采 ， 力重 新分布 ， 应 矿柱 的支 承压力
形 式如 图 １ 示 ． 所
研 ’ Ｈ
Ｋｙ Ｈ Ｋ Ｈ ｖ
ｎ
响人们 的生活与生产活动 ； 区塌陷产生 的气浪会严 空
重影 响矿 山生产 甚至 造成人 员伤 亡 ． 于此 ， 鉴 采空 区稳
Ｋ Ｈ
７ ｔ
定性研 究 一直是 一 个重 点 ， 人 对 空 区稳 定 性 做 了很 前 多研究 ， 取得 了很 多成果 ， 张建 等 以力 学平衡 方法 也 如
与悬 空 的顶 板 之 间发生 相 对 剪 切 运 动 ， 而 导致 整 体 进 坍塌．
筒 冒型破坏 的成 因与整体坍塌型的类似 ， 同点 不 在于其发生在矿柱稳定性较好的条件 下， 采场覆岩沿
图 ５ 采 空 区分 布
Ｆ ｇ ５ Ｄｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ ｏ ｆ ｉ ． ｓ ｉ ｕ ｉ ｆｇ ａ ｓ ｒ ｏ
（） ｈ
图 ７ 各步开 采后塑性区分布
Ｆ ｇ ７ Ｄｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ ｌｓｉ ｏ ｅ ｔｒｅ ｃ ｖ ｔ ｎ ｉ ． ｓｒ ｕｉ ｆｐａ ｌ ｚ ｎ ｓ ａ ｅ ｘ ａ ａｉ ｓ ｉ ｏ ｃ ｆ ｏ
从 图 ７ Ｃ 得知 ， （） 中部矿 柱 已经 完全 形 成 ， 时 顶 此 板 的暴露 面积 为 ３ ０１ ， １ Ｉ 而矿 柱所 占面 积约 为 ６ ｌ， Ｔ ４Ｉ ｌ 矿柱 面 积 比为 ２ ． ％ ， ０ ６ 此值 表 明空 区有 可 能发 生 大 面 积 塌 陷． 从矿 柱 塑性 区分 布方 面分析 ， 由于大 面积 的暴