采场空区稳定性数值模拟分析
“11.6”特别重大坍塌事故矿区采场稳定性三维数值模拟分析
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
采空区稳定性的三维有限元模拟_田显高
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。
某铁矿采空区稳定性的数值模拟分析
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］。
采空区稳定性可靠度及其影响因素敏感性分析
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
矿山开采过程中的岩体稳定数值模拟与分析
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
地下采场稳定性数值模拟研究及结构参数优化
（ 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
某矿复杂采空区群稳定性数值模拟研究
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 ）
煤矿采空区稳定性分析与研究
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）。
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•
为研究采场空区的稳定性，在前期现场调查现场原 岩应力测定室内试验及岩体力学参数工程处理的研究 基础上
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• 应用现代仿真技术与计算机数值模拟技术，利用ANSYS
对
的。
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谢谢！
• 数值模拟结果表明，采空区顶板发生向下位移，采空区
顶板处出现明显的竖直应力集中和水平应力集中。
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• 数值模拟结果表明，采空区顶板发生向下位移，采空 区顶板处出现明显的竖直应力集中和水平应力集中
• 但是没有超过顶板的极限拉应力，因此顶板仍然是稳定