摘 要

上横山矿段的五个主要矿体为错落分布的多层缓倾斜薄矿体，矿体之间围岩较薄。矿体开挖后，将形成典型的叠跨采空区。该分布状况下的采空区应力及位移分布较为复杂，若不能妥善处理，将影响井下安全生产并对环境产生破坏，进而造成人员伤亡与财产损失。故上横山矿区采空区的稳定性研究具有十分重要的意义。

本文利用FLAC3D模拟了在不设置矿柱、设置重叠矿柱和设置错落矿柱三种情况下的开采；分析了最小主应力云图、位移云图和塑性区分布图；对比三种开采情况下采空区顶板、底板和矿柱的应力、位移分布情况。得出矿柱重叠时，应力通过矿柱得到有效传递，此时采空区稳定性最佳；v5采空区的稳定性较其他采空区相比更差，且v4采空区的形成会对v5采空区稳定性造成较大影响；矿柱重叠时采空区上部围岩的沉降值小于错落矿柱下的沉降值。

关键词：数值模拟；采空区稳定；重叠矿柱；错落矿柱

Abstract

The five main orebodies in the Shanghengshan section are multi-layered gently inclined thin orebodies with Superimposed distribution, and the surrounding rocks between orebodies are relatively thin. After the ore body is excavated, a typical superimposed goaf will be formed. The stress and displacement distribution of goaf under this distribution is complex, and if not properly handled, it will affect underground safety production and damage the environment, thus causing casualties and property losses. Therefore, it is of great significance to study the stability of goaf in Shanghengshan mining area.

In this paper, FLAC3D was used to simulate the mining under three conditions of no pillar setting, overlapping pillar setting and staggered pillar setting. The minimum principal stress nephogram, displacement nephogram and plastic differentiation nephogram are analyzed. The stress and displacement distribution of goaf roof, floor and pillar are compared under three mining conditions. It is concluded that the stress under the overlapping pillar can be effectively transferred through the pillar and the goaf stability is the best. The stability of v5 goaf is worse than that of other goafs, and the formation of v4 goaf will greatly affect the stability of v5 goaf. When the pillars overlap, the settlement value of the upper wall rock in the goaf is smaller than that under the staggered pillars.

Key Words：Numerical simulation；Goaf stability；Overlapping pillar；Superimposed pillar

目 录

第1章 绪论 1

第2章 矿区地质 3

2.1矿体赋存条件 3

2.2工程地质 6

第3章 数值模拟方案选择 7

第4章 围岩沉降、应力以及塑性区分析 10

4.1无矿柱依次开采 10

4.1.1最小主应力 10

4.1.2塑性区 12

4.1.3竖向位移 14

4.2重叠矿柱依次开采 17

4.2.1试模拟结果分析 17

4.2.2最小主应力 19

4.2.3塑性区 21

4.2.4竖向位移 22

4.3错落矿柱依次开采 25

4.3.1最小主应力 25

4.3.2塑性区 29

4.3.3竖向位移 31

第5章 结论 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

由于爆破、开挖作业后围岩应力状态发生变化，导致采空区极易产生失稳破坏。一方面采空区的变形、破坏、坍塌威胁到井下作业人员的安全，并增加采矿作业的难度；另一方面会导致地表沉降，造成环境破坏与财产损失，难以治理。故对于采空区稳定性的分析具有十分重要的意义。

上横山矿区共圈定12个缓倾斜薄-中厚矿体，空间上呈错落分布。这导致矿石采出后的采空区为叠落采空区，应力分布状态较单层或多层（重叠）采空区更为复杂。上横山矿段的五个主要矿体形状呈现微弱的拱形，对于应力拱的形成有一定得促进作用。应力拱能对于采空区的稳定性有一定的帮助，而根据Corkum的相关研究理论，应力拱的失稳将有可能引起大规模顶板坍塌^[1]。而目前国内外对于采空区稳定性的研究主要集中在单层或多层采空区，而叠落采空区少有涉及。若能够分析得出上横山矿区叠跨采空区的的稳定性特征及破坏形式，就能提出较为精准的保护建议，为安全生产提供保障，为同类型矿山生产提供指导。

采空区顶板作为采空区相对薄弱的部分^[2]，许多学者对于采空区顶板进行了大量研究，如池秀文等基于弹性理论将采空区顶板分别简成弹性薄板模型^[3]与简支梁模型^[4]，前者推导出挠度与应力方程，总结出应力分布规律与破断特征；后者推导出顶板最大拉应力与其上方岩层厚度之间的关系式，据此得顶板岩层与其相邻的矿层厚度比对顶板稳定性的影响。针对矿柱，左国义等利用FLAC3D分析模拟了某钨矿的采场矿柱稳定性^[5]。国外许多学者也利用三维数值模拟分析地下矿山采空区的稳定性^[6][7]。由于采空区实际形态一般较为复杂，诸如FLAC3D之类的数值模拟软件难以建模，故一些学者会利用建模功能较为强大的软件（如Surpac、Gocad等）建立采空区模型后导入至数值模拟软件中^{[8][9][10][11]}。罗斌玉等在Mohr-Coulomb准则下提出倾斜矿柱稳定性的安全系数法也适用于上横山矿体开采时对于矿柱的指导设计。

而对于双层或多层采空区的稳定性，除岩石力学性质外，还与采空区厚跨比、隔离顶板厚度、矿柱重叠率、采空区倾角等因素相关。付建新等基于弹塑性理论将双层采空区简化为简支梁模型，分析了采空区重叠率对隔离顶柱稳定性的影响规律^[12]。熊立新等基于突变理论提出一种计算合理安全隔离矿柱厚度的方法，并通过数值模拟进行了验证^[13]。秦文静等利用ANSYS模拟分析了不同矿柱重叠率下采空区的最佳安全隔层厚度及受力状态[^14]。

针对上横山矿的采矿方法，许多学者也提出了一些可靠的方案。如林坤峰根据上横山含钒页岩矿的赋存条件，提出大盘区机械化分层充填沿倾向后退式开采和盘区房柱法为较为合适的两种采矿方法^[15]。胡倩等提出缓倾斜多层矿床矿层倾角小于30°，岩石移动角一般大于矿层倾角，只能采用由上到下的开采顺序，一般采用房柱法、分层充填法、长壁式崩落法等^[16]，而前进式回采顺序对于该类型矿体而言是较为科学合理的回采顺序^[17]。张鹤生提出了一种新型的缓倾斜多层矿体采矿技术^[18]，可在上横山矿区应用。叶义成等通过相似配比试验，确定了上横山含钒多层页岩矿可行有效的相似材料配比，为此类矿床开采提供了相似模拟研究基础^[19]。

这些研究是通过简化采空区模型，通过理论分析得出针对采空区稳定性的一般规律，故对于采空区稳定性具有普遍参考意义。但是对具体矿山而言，还应该根据该矿山矿体的实际赋存条件、地质条件等进行更加具有针对性的研究。

第2章 矿区地质

根据上横山矿区的地质详查报告可知，矿区位于扬子准地台之下扬子—钱塘台拗之湖口—彭泽凹褶断束。区域褶皱不强烈，主要为盖层褶皱，发育有瑞昌—彭泽复式向斜、大港围—老屋饶复向斜和花尖山—黄岭背斜，其展布方向以近东西向、北东向及北北东向为主；断裂较发育，以北东向及北北东向为主。岩浆活动较弱，以燕山早期的酸性花岗岩侵入为主。该地质环境蕴含了较为丰富的含钒页岩矿。

2.1矿体赋存条件

上横山矿段共圈定了12个钒矿体，矿体按自下而上、自西往东依次顺编为V1到V12，各矿体特征见表2.1。钒矿体主要分布在破窑垄—上横山一带，主要产于寒武系下统王音铺组底部，另在震旦系上统皮园村组顶部亦有钒矿体分布，赋矿标高从 92m到 245m，矿体多呈层状、似层状平行产出，少数呈透镜状产出，赋矿岩石主要为灰黑、黑色炭质页岩、硅质页岩和（含炭）页岩，次为硅质岩。矿体与区内地层产状近于一致，总体向南缓倾，倾向为150°到220°之间，倾角为5°到25°之间。矿体大部分长224到670m，最长952m，少数透镜状的矿体长75m；厚度大都为0.81到5.54m，最大厚度为7.27m，最小厚度为0.69m；沿倾斜方向尚未控制矿体边界，目前倾斜延深一般为87～204m，最大延深为223m，最小延深为50m。

其中主矿体共5个，即V3、V4、V5、V8和V11，主矿体呈层状产出，连续性较好，形态简单，倾向150°～220°，倾角5°～25°，产状缓而稳定。长度约615～952m，厚度约0.75～7.27m，厚度变化系数为37.07--64.59%，倾向延深为103～223m。为方便分析，现只取五个主要矿体作为研究对象。五个主要矿体具体情况介绍如下：

V3矿体赋矿标高为 110～ 243m，垂向上位于V2与V4矿体之间，与V2矿体的铅直距离为1～3.33m，呈层状产出，赋存于寒武系下统王音铺组底部黑色炭质页岩、（含炭）硅质页岩之中，地表长度约150m，深部控制长度约778m，倾斜延深95～160m，往深部尚未控制矿体边界。厚度为0.75～3.91m，沿走向自西往东厚度呈现薄→厚→薄→厚的变化，沿倾向往深部则逐渐增厚，厚度变化系数为47.19%，总体厚度变化小。矿体呈北东东向展布，倾向155～170°，倾角5～20°。围岩以炭质页岩和硅质页岩为主，局部有钒矿化，但品位不高，未达到边界品位要求，蚀变不发育。

表2.1上横山矿段钒矿体特征

V4矿体为上横山矿段内规模较大的钒矿体之一，赋矿标高为 112～ 244m，垂向上位于V3与V5矿体之间，与V3矿体的铅直距离为2.1～14.65m，呈层状产出，赋存于寒武系下统王音铺组底部黑色炭质页岩、（含炭）硅质页岩之中，地表控制长度约500m，深部控制长度约670m，倾斜延深100～204m，往深部尚有延伸。厚度为0.81～4.13m，沿走向自西往东厚度由厚变薄，沿倾向往深部于0～8线由薄变厚，其余地段无明显变化，厚度变化系数为52.39%，厚度变化中等。矿体呈北东东向展布，倾向160～175°，倾角5～25°。围岩以页岩和硅质页岩为主，局部有钒矿化，但品位不高，未达到边界品位要求，蚀变不发育。

V5矿体赋矿标高为 119～ 245m，垂向上位于V4与V6矿体之间，与V4矿体的铅直距离为2～7.26m，呈层状产出，赋存于寒武系下统王音铺组底部黑色炭质页岩、（含炭）硅质页岩之中，地表长度约150m，深部控制长度约952m，倾斜延深87～211m，往深部尚有延伸。厚度为0.91～2.35m，沿走向厚度变化无明显规律，沿倾向往深部有变厚趋势，厚度变化系数为37.07%，厚度变化小。矿体呈舒缓波状展布，倾向150～220°，倾角5～25°。围岩以页岩和硅质页岩为主，局部有钒矿化，但品位不高，未达到边界品位要求，蚀变不发育。

V8矿体为上横山矿段内规模最大的钒矿体，赋矿标高为 138～ 238m，垂向上位于V7与V9矿体之间，与V7矿体的铅直距离为1.2～5.91m，呈层状产出，赋存于寒武系下统王音铺组底部黑色炭质页岩、（含炭）硅质页岩之中，地表控制长度约150m，深部控制长度约818m，倾斜延深约50～223m，往深部尚有延伸。厚度为0.88～7.27m，沿走向自西往东厚度呈现薄→厚→薄的变化，中部0线至8线相对较厚，厚度变化范围为3.14～7.27m，往东西两端相对较薄，厚度变化范围为0.88～3.91m，沿倾向厚度无明显变化，总体厚度变化系数39.75%，厚度变化小。矿体倾向165～220°，倾角5～20°。围岩以页岩和硅质页岩为主，局部有钒矿化，但品位不高，未达到边界品位要求，蚀变不发育。

V11矿体赋矿标高为 149～ 221m，垂向上位于V10与V12矿体之间，与V10矿体的铅直距离为1.1～2m，呈层状产出，赋存于寒武系下统王音铺组底部黑色炭质页岩、（含炭）硅质页岩之中，深部控制长度约615m，倾斜延深约92～103m，往深部尚有延伸。厚度为0.98～5.54m，沿走向自西往东由薄变厚，沿倾向往深部总体变厚，仅0线变薄，厚度变化系数为64.59%，厚度变化中等。矿体倾向160～220°，倾角5～20°。围岩以炭质页岩和硅质页岩为主，局部有钒矿化，但品位不高，未达到边界品位要求，蚀变不发育。

2.2工程地质

矿体及围岩的岩性主要为炭质页岩、硅质页岩、（含炭）页岩、硅质岩等，层理、页理极发育，属软化岩石，岩体完整性较差，质量等级属劣级，未来坑道需普遍支护。根据上横山矿段岩石力学性质及断裂发育程度，矿区工程地质条件应属简单—中等类型。

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