矿柱回采时空区稳定性预测

邢兆超 吕会元

(山东金岭矿业股份有限公司)

山东金岭矿业股份有限公司辛庄矿床处于生产末期，为了稳定产量，提高资源回收率，需要对遗留矿柱进行回收。501矿柱两侧的空区形成时间较长，且在两侧矿房回采过程中，501矿柱曾发生局部垮塌，因此，必须采取措施，确保该矿柱的安全回采。

1 501矿柱周边开采现状

辛庄矿床为矽卡岩型磁铁矿，－340～－460 m水平为厚大矿体，矿体倾角在80°以上，局部有倒倾现象，最大厚度达到55 m，矿体上、下盘围岩分别为石灰岩和闪长岩。设计有501矿房、501矿柱和502矿房3部分。501矿房矿体从－360 m水平一直延伸到－460 m水平，共有9个分段水平，－420～－460 m水平的矿石未回采;502矿房从－360 m水平一直延伸到－420 m，设有5个水平，已回采完毕;501矿柱从360 m水平延伸到－460 m水平，矿柱垮落前矿量23．3万 t，垮落后矿量18．3万 t。

2 501矿柱回采方案

根据矿体的赋存条件，结合501矿柱两侧采矿现状，采用周边空区不充填抢采501矿柱、回采强度高的中深孔落矿方案［1］，争取在空区围岩大面积变形前完成出矿作业，最后进行胶结充填。

此方案的优点是改变生产方式，回采时利用两侧空区做自由面，矿石崩落到501和502矿房内，可实现－460、－420 m 2个地点出矿，采矿强度高。缺点是随着回采的进行，空区暴露面积逐渐增大，501、502空区和501矿柱连成一片，空区上下盘和顶板暴露面积达到2 500 m2，易发生顶板大面积垮落，造成人员伤害和设备损坏事故。

因此，回采方案实施的关键是要了解501矿柱周边空区的稳定性，并根据空区围岩稳定性的变化，有预见性地提前采取撤离人员、设备、进行下盘岩体加固等措施。

3 501矿柱周边空区动态稳定性研究

3．1 建立模型

通过对矿山开采技术、矿山地质条件的分析，对开采前后的空区分布进行调查，利用－360、－372、－384、－396、－408、－420、－433、－446、－460 m平面图的矿体轮廓线，采用SURPAC三维矿山设计软件模型构建技术，建立了精确的501矿柱局部垮落后、501空区、502空区三维实体模型。

3．2 501矿柱周边空区围岩三维模拟计算

利用SURPAC软件建立三维地质模型，把三维地质模型导入到FLAC3D软件中进行仿真计算。本方案综合了SURPAC软件在三维建模方面的优势和FLAC3D软件在数值计算方面的优势，使数值模拟更符合实际，提高了模拟的可靠性［2］。

模拟计算了不同开挖阶段501矿柱局部垮落后、开挖501房下部、开挖501矿柱后、501矿柱周边空区围岩各水平应力、位移及塑性区情况。数值计算采用的岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

3．3 不同开挖阶段501矿柱空区围岩各水平应力、位移及塑性区综合分析

通过数值模拟计算分析，得到不同开挖阶段501矿柱周边空区围岩应力、位移及塑性区分布情 况，见表2。

表2 不同开挖阶段501矿柱周边空区围岩应力、位移及塑性区分布

综合表2数据分析可知，从最大主应力(压应力)看，随开挖推进，在下步501矿房开采后，－372、－384、－396 m水平压力呈增大趋势，－408、－420 m水平变化不大。位移也有类似趋势，但－408、－420 m位移有增大趋势。从塑性区面积看，－372、－384 m随开采进行有增大趋势，－384～－396 m水平分布较大，是相对危险区域。

3．4 501矿柱周边空区围岩应力远程监测系统

3．4．1 应力监测系统

监测系统使用的是KD-2型无线巡检系统，并采用与其配套的振弦传感器，用于微机自动监测多点多种物理量。采用ZLGH-20型钻孔测力计，测量煤矿或金属矿预留柱应力的变化。

监测系统使用的数学计算模型为

式中，A为传感器自身测定的出厂参数;f为实际安装后测得频率值;f0为初频;F为压力值。

监测装置放在井下，数据通过电缆传输到地表监控电脑上，设置每2 h采集1次数据，并设定警示功能，一旦监测点数据发生突变超过安全数值，将自动提示。

3．4．2 监测点布置

根据表2综合分析确定的危险区域，在501矿柱周边选取了18个监测点，－372 m水平4个，－384 m水平2个，－396 m水平4个，－408 m水平4个，－420 m水平2个。其中－372 m水平作为顶板稳定性监测，－396 m和－408 m作为最危险区域监测，－384 m和－420 m作为发展中危险区域监测。

4 监测结果分析

2011年6月辛庄矿床完成了应力监测系统的安装调试工作，并投入使用。同时501矿房底部也开始进行回采，2011年8月底回采完毕，随后回采501矿柱。表3为回采期间各水平501柱周边空区围岩应力监测部分数据。

表3 各水平501矿柱周边空区围岩部分应力监测相对值

由表3可以看出，各水平应力监测数据随着501矿柱开采的不断往下延伸呈现逐步增大趋势。2012年3季度，501矿柱回采至－396 m水平时，各水平压力增速变快，表明围岩应力状态出现恶化，下一步围岩应力会进一步增加，有可能能发生围岩顶板的冒落和局部坍塌。因此，要对可能发生冒落的区域进行观察，并加快501矿柱回采进度，回采完毕后及时对空区进行胶结充填，以确保空区的稳定性。

5 结论

通过对矿柱回采时空区稳定性的分析预测，实现了对矿柱回采过程中周边空区围岩稳固性监测，并对回采中的人身及设备安全提供预警，确保矿柱回采全过程的安全，该技术也可为其他矿山矿柱的安全回采提供参考。

［1］ 解士俊，周德元，宋晓天，等．采矿设计手册:第四卷［M］．北京:冶金工业出版社，1990．

［2］ 张迎晖，王在泉，杨莹辉，等．基于SURPAC的矿山开采稳定性FLAC3D模型与模拟［J］．地下空间与工程学报，2011(2):306-310．