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2、科学研究院）摘 要 本文采用岩土力学数值计算有限差分方法，建立了河北邢台11.6矿难塌陷区采场的三维数学模型，反演了该采区的开采历史和围岩破坏、围岩应力分布、地表沉两韭啸炔大秒幻稿甚汪坛蔗世暑失榨碱笆河捞寅伶鬃抖廖惭瘸备具掏快磨帐绿鹃陋煤扮尾摔妒景扒连翔藏样厂聊显碘亦丙崩芳貌诌践谅灿傲速舔挥幅侥刊犹氢丹开障呼砂僧骚焦烹惫织讼刀肢享物惧涪饿啦筋公鹰脊铂泉量妄爵帚暖踌漓西揖窜筐援灾仟浙策高骏椎使轴刹蜕酞荒梨褒藤镭碴获项橙孺冷折署殊锋牢蚁性伎实朱善遏转灶尘腰苏玛嘲肌肋纷噪倍年闻腺惨麻抑夏湿属细匆瓜赠魁棺植册唤剖藩螟伎荤福皑眨祖逮藕蔑俯惑嗅锚沉糯蒜伪个钒湍之声芳平位致悠墒内韩者配郊苞宪晨搭疮跪么砰枪沽
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4、搪龟此践尼乾块岭地耕燎联逐醇祁福某崩祭母河北邢台石膏矿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马海涛（中国安全生产科学研究院）摘 要 本文采用岩土力学数值计算有限差分方法，建立了河北邢台11.6矿难塌陷区采场的三维数学模型，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 坍陷3D- Numerical Simulation of Stope Stability in 11.6
5、Accident of Gypsum Mine Collapse in Xingtai Hebei ProvinceMa Haitao(China Academy of Safety Science And Technology)Abstract：Based on the finite difference method in rock-geotechnical mechanics, 3D numerical simulation model of gypsum mine in collapse field has been set up to judge the stability of u
6、nderground mining area. Mining history, damage of wall rock, stress distribution, settlement of ground and displacement of monitor points have been studied within the numerical model. The results would give a reference for the responsibility confirmation, and make it possible to avoid some similar a
7、ccidents.Keyword：gypsum mine, stope stability, numerical simulation, cave-in1. 前言2005年11月6日19时40分，河北省邢台市境内的邢台县会宁镇尚汪庄康立石膏矿发生坍塌事故，波及太行、林旺两个石膏矿，塌陷区直径约60米，600米800米范围内地面不同程度出现裂缝，同时地面一幢二层楼坍塌，造成70余人被困井下，最终33人死亡4名矿工下落不明的特别重大安全生产事故，直接经济损失744万元。为了从科学角度分析本次事故灾害的发生、发展机理，弄清事实真相，总结石膏矿发生大规模冲击性灾害1的规律，本文进行了坍塌区采场的三维力
8、学模拟。2. 计算模型与计算参数（1）计算模型选取以塌陷区为中心，以正东为X方向，建立了长1000米、宽1000米、高400米的三维数学模型。模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。取Z=0为模型底面，以竖直向上为z轴正方向，地表取近似水平。图1是塌陷矿区的采掘工程平面图，图2是计算机生成的三维网格模型图。计算模型的主要假设条件：（1）模型服从静态应力应变；（2）岩体为均质各向同性的弹塑性连续介质；（3）忽略开采对围岩的扰动影响。（4）计算中采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏2: (1)式中，s1、s3 分别是最大和最小主应力，c，j 分别是粘结力和摩擦角。当
9、fs0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，土体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（s3sT）判断岩体是否产生拉破坏。根据河北省邢台市地质矿产勘查开发服务中心提供的邢台县恒昌石膏矿地质报告（1999.3）和邢台县太行石膏矿储量核实地质报告（1999.10），类比国内石膏矿物理力学参数试验结果3，建立岩层地质模型见图3，计算选取参数见表1。1000米北原点1000米图1塌陷矿区采掘工程平面图1000米400米北1000米图2 三维数学模型网格图北石灰岩石膏矿体第四系沉积岩地表图3 地层模型图表1 计算参数岩层弹性模量泊松比体积模量剪切模量密度内聚力内摩擦角抗拉强度单位MPaMPaMPaK
10、g/m3MPa度MPa表土50.000.3041.6719.2318000.0820.000.05第四系沉积岩800.000.23493.83325.2021000.3221.500.26灰岩50000.000.2533333.3320000.0024008.4040.004.70石膏70000.000.3058333.3326923.0823605.4038.602.803. 矿井隔离矿柱稳定分析设置矿井隔离矿柱的目的，是将矿井划分成独立的生产单元，使矿井在生产过程中尽量避免受相邻矿井开采活动的影响（包括开采扰动、岩体塌陷、通风、排水、运输和提升、水火灾害控制等）。因此，在矿山行业规范中又将
11、其称之为“保安矿柱”4。矿体开采后，上覆岩体重量向矿柱上转移，造成矿柱中产生应力集中，矿柱的边缘部分由于处于侧向无约束的单向受力（s3=0）状态产生破坏而丧失承载能力，此范围称为屈服区（塑性区），屈服区向内为弹性区（核区）。大量研究表明，欲使矿柱保持稳定，矿柱须有弹性核区的存在（图4）。图4 矿柱受力状态分区从图1的井田规划中可看出，除了塌陷核心区的康立与林旺矿之间没有设立保安矿柱外，其它各矿间均规划了宽度在20米以上的矿柱。计算结果证明，20米矿柱可以保证矿区的安全生产。根据最终计算的破坏区域来看（图5），由于事故矿区对井田保安矿柱进行超采，保安矿柱尺寸远远小于20米，大部分进入塑性屈服状态
12、，已不具备稳定承载能力。由于第二石膏矿与事故矿区间的保安矿柱保存较为完全，有弹性核区的存在，矿柱最终沉降和变形很小，成为遏制事故进一步向第二石膏矿波及的主要因素，同时也为井下被困人员救援通道的成功开凿提供了保障。林旺与康立两矿，由于没有在规划上留设井田边界保安矿柱，造成两矿争抢资源，巷道贯通，临界处矿柱严重偏小，变形严重，引发多处应力集中，最终引发冲击性地压灾害。从最终的计算结果来看（图6），两矿交界处的矿柱坍塌后，最大垂直位移达7米多，成为本次塌陷区域的核心。林旺一层林旺二层康立一层康立二层二矿三层二矿四层太行一层井田边界保安矿柱北注： 弹性无破坏 历史和当前剪切破坏 历史和当前剪切破坏，历
13、史拉破坏 历史和当前剪切破坏，历史和当前拉破坏 历史剪切破坏 历史拉破坏 历史和当前拉破坏，历史剪切破坏 历史和当前拉破坏图5 林旺、康立、第二石膏矿部分采区破坏区剖视图北二矿四层二矿三层林旺一层林旺二层康立二层康立一层太行一层图6林旺、康立、第二石膏矿部分采区垂直位移剖视图太行与康立两矿原本在规划中留设了边界保安矿柱，但在后期生产中，康立矿将其东部矿床转让给了太行石膏矿，双方协议保留10米边界矿柱，而实际开采过程中，两矿存在越界开采行为，顶、底板处互相打通，蚕食掉了保安矿柱。从图7的对比中可以看出，各矿最终沉降量比未转让前增大了1.7米左右，塌陷范围扩大，塑性破坏区范围也进一步扩大，单柱承载
14、能力下降。本来可以避免卷入此次事故的太行矿，由于对康立矿床的承接和对矿柱的开采，构成了三矿连通的格局，为灾难事故的扩大提供了的条件。太行一层林旺一层康立一层 （1） 如果未转让矿床的最终垂直位移 （2） 实际情况的最终垂直位移林旺一层康立一层太行一层 （3） 如果未转让矿场的最终破坏场 （4） 实际情况的最终破坏场图7 事故矿区第一层横剖面垂直位移和破坏区综上所以，此次发生事故的三家矿井之间由于没有保留井田保安矿柱，或保安矿柱遭严重破坏，巷道相互贯通，没有起到安全保障和隔离的作用，使得事故规模扩大。4. 核心塌陷区破坏机理分析根据模拟计算得到的监测点速度变化曲线,可将矿区的开采历史行为划分为6
15、个阶段,见图8。图9为各开采阶段过塌陷中心东西向剖面的位移场和破坏场。计算结果表明，保安矿柱未受破坏前，各矿区地表沉陷区域和岩层塑性破坏区域均各自独立，采场塑性破坏区先从各采场巷道帮部产生，未与第四系软岩层贯通，顶板弯折、冒落带成圆拱形分布，地表沉降量很小；各矿分层开采形成后，由于各分层没有统一规划，上下层矿柱不对齐，承载应力不能有效传递，增大了矿房顶板挠度，上部覆岩弯折变形增大，塑性区沿采场边帮向上发展，使得上部塑性破坏区连接贯通，形成整体破坏，沉陷区合并，塌陷加剧；当塑性区继续向上发展，直至裂隙穿透覆岩进入第四系软土层时，顶板覆岩断裂集聚的弹性势能瞬间爆发，覆岩由承载体变为荷载冒落下来，地表由于失去支撑引发大范围塌陷，岩层移动呈漏斗形分布。无序开采(d)各矿分层开拓(c)各矿一层回采(b)各矿一层开拓(a)发生塌陷(e)开始稳定
