充填體支護(hù)性能對(duì)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力應(yīng)變影響機(jī)理

梅啟雙，張電吉，周春梅，孟慶筱，梅婷婷

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071)

0 引 言

近20年來國內(nèi)外在開采地下有色金屬礦體資源時(shí)，充填采礦法的使用比重日益增加[1].就充填體對(duì)采場(chǎng)圍巖的作用機(jī)理研究，胡飛宇[2]總結(jié)了膠結(jié)充填體作用機(jī)理幾方面的認(rèn)識(shí)，并開展了某大型采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性研究.王劼[3]就充填體的力學(xué)特征、充填體的支護(hù)作用機(jī)理以及充填體對(duì)圍巖變形的控制作用進(jìn)行了分析探討.但是，目前對(duì)充填體支護(hù)采場(chǎng)圍巖的影響機(jī)理研究尚不深入，主要原因有以下幾點(diǎn)[4-5]：a.礦體開采和采空區(qū)充填時(shí)，圍巖和充填體產(chǎn)生復(fù)雜變形，同時(shí)本構(gòu)關(guān)系也在不斷變化，增加了理論分析和試驗(yàn)室模擬難度；b.現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)非常困難；c.數(shù)值分析方法的理論和算法本身存在局限性，決定了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度.

本文基于對(duì)充填體作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)阿希金礦采場(chǎng)充填過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過分析充填接頂情況、充填體材料參數(shù)和充填方法對(duì)采場(chǎng)圍巖和充填體應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的影響，研究充填體支護(hù)性能對(duì)采場(chǎng)圍巖的影響機(jī)理，為礦山的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 充填體對(duì)采場(chǎng)圍巖的作用機(jī)理

充填體的作用機(jī)理概括為以下三種[2,6]：

a.力學(xué)作用機(jī)理：充填體在支護(hù)采場(chǎng)圍巖時(shí)，采場(chǎng)單軸或雙軸的應(yīng)力狀態(tài)改變成三軸應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)了圍巖的支撐能力，從而限制其變形與位移的發(fā)展；

b.結(jié)構(gòu)作用機(jī)理：巖體中存在斷層、節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，并與之共同形成了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)?shù)叵碌V體開挖時(shí)，破壞了之前的結(jié)構(gòu)體系，導(dǎo)致了圍巖的漸進(jìn)破壞.充填體充填后，可以起到原巖體的作用，維護(hù)圍巖的結(jié)構(gòu)作用，從而使圍巖維持穩(wěn)定；

c.讓壓作用機(jī)理：充填體一般作為散體介質(zhì)，剛度相對(duì)原巖要小，變形卻要大很多.因此，充填體在維護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，緩慢受壓.在延緩了圍巖能量釋放速度的同時(shí)，也施加給了圍巖被動(dòng)的壓力，起到柔性支護(hù)作用.

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 工程背景

阿希金礦38～56線深部采礦方法為盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，中段高度為50 m，上部水平為1 385 m，下部底部結(jié)構(gòu)為1 335 m，盤區(qū)寬為30～50 m.0～38線的采礦方法為小空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，中段高度為50 m，上部回風(fēng)充填水平為1 385 m，下部6 m為底部結(jié)構(gòu)，出礦水平為1 341 m.礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，向北北東傾斜的單斜構(gòu)造阿恰勒河組，傾角為10°～20°，分布于礦區(qū)北部，主要由凝灰質(zhì)巖屑砂巖、長石石英砂巖及巖屑砂巖組成.大哈拉軍山組廣泛分布于礦區(qū)，為一套中酸性火山巖構(gòu)造，斷層較發(fā)育，以張性斷裂為主，分為近南北向、近東西向和北西向三組.礦區(qū)范圍內(nèi)僅見F2斷層，為阿希金礦礦區(qū)主礦體的控礦斷層.走向近南北，傾向東，傾角上陡下緩，近地表為80°左右，局部直立或反傾，深部一般在65°～70°.斷裂破碎帶寬50 m左右，延深360 m.

2.2 屈服準(zhǔn)則

本文模擬采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，它是描述巖土工程材料最常用的準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則的控制方程為：

f=(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(1)

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則屈服函數(shù)為：

f-1=σ3-σ1

(2)

式(1)、(2)中c為材料的粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ為抗拉強(qiáng)度；σ1、σ3則分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力.

2.3 力學(xué)參數(shù)

選擇正確力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際的重要保證，同時(shí)力學(xué)參數(shù)的確定也涉及到計(jì)算區(qū)域內(nèi)巖體介質(zhì)類型的簡化[8].文中采用阿希金礦深部崩落法轉(zhuǎn)充填采礦法試驗(yàn)研究報(bào)告和新疆伊寧縣阿希金礦北露天采礦場(chǎng)閉坑地質(zhì)報(bào)告中巖石力學(xué)參數(shù)(地質(zhì)勘查所得)，按現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行折減并綜合取值后得到巖體力學(xué)參數(shù)如表1.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.4 充填方案

根據(jù)研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)以下四種充填方案：

a.采用灰砂比為1∶4的充填體進(jìn)行充填，充填不接頂，假設(shè)空隙高度為0.2 m(下同)；

b.采用灰砂比為1∶4的充填體進(jìn)行充填，充填接頂；

c.采用灰砂比為1∶6的充填體進(jìn)行充填，充填不接頂；

d.開挖后，當(dāng)圍巖變形未穩(wěn)定時(shí)(在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1受開挖作用向上變形13 mm時(shí)充填，此時(shí)與a方案對(duì)比差異明顯)采用灰砂比為1∶4的充填體進(jìn)行充填，充填不接頂.

通過長沙礦山研究院試驗(yàn)研究，選用水泥、尾砂和碎石的混合物作為充填材料，水灰比為1∶4和1∶6兩種.為實(shí)現(xiàn)研究目的，對(duì)以上幾種方案進(jìn)行對(duì)比.

2.5 建立模型

選取阿希金礦40號(hào)剖面作為研究對(duì)象.模型底部標(biāo)高為1 200 m，上部以地表為界，寬度為500 m.剖面標(biāo)高1 400 m以上為塌落體范圍，上盤塌落角65°，下盤塌落范圍以斷層上盤為界，斷層取平均寬度15 m，1 400 m～1 385 m之間礦體為安全隔離層，1 385 m～1 335 m為礦體的開挖、充填范圍，高度為50 m.

模型網(wǎng)格剖分有18 302個(gè)節(jié)點(diǎn)，54 875個(gè)單元.計(jì)算過程中，分別在開挖洞室底板、右?guī)蛧鷰r和頂板處選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3，記錄開挖和充填產(chǎn)生的位移變化值之和，模型網(wǎng)格剖分及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示.模型邊界約束條件為：x軸上兩邊界x方向位移約束，底邊x、y方向位移約束，上表面自由約束.邊界荷載：只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響.

圖1 網(wǎng)格剖分及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 充填是否接頂?shù)那闆r

a方案中充填體頂部與隔離層無接觸，充填后位移最大值出現(xiàn)在充填體中上部，為39.2 mm，如圖2所示；b方案中充填體頂部與隔離層完全接觸，充填產(chǎn)生的最大位移在充填體中心處，達(dá)到22.5 mm，如圖3所示.

在開挖和充填后，記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化值之和，a方案為26.92 mm、-9.60 mm(水平位移)、-45.84 mm，b方案為27.32 mm、-9.93 mm(水平位移)、-49.71 mm.數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，b方案比a方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化絕對(duì)值均要大.充填體向下變形時(shí)，對(duì)頂板和側(cè)壁圍巖有拖拽作用，同時(shí)充填體對(duì)底板的壓力減少，導(dǎo)致了兩種方案位移變化值的差異.對(duì)比兩方案塑性區(qū)分布，可知b方案中分布范圍更大.可見，充填是否接頂對(duì)圍巖應(yīng)變和塑性區(qū)分布影響作用明顯.

圖2 a方案充填后最大位移矢量圖

圖3 b方案充填后最大位移矢量圖

3.2 不同材料參數(shù)的充填體

選用不同充填材料充填后，c方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化值分別為：27.38 mm、-9.68 mm、-45.70 mm，均比a方案大，最大差值達(dá)到0.46 mm，出現(xiàn)在礦房底板處.充填導(dǎo)致最大位移變化出現(xiàn)在充填體中上部，為10.72 mm，如圖4所示.可見，c方案中充填材料剛性弱，抵御圍巖進(jìn)一步變形能力弱.對(duì)比a、c方案塑性區(qū)分布，c方案左側(cè)塌落帶增加了少量拉伸破壞區(qū)域.因此，不同材料參數(shù)的充填體充填后位移變化值和塑性區(qū)域分布大小有差異，且充填材料剛性越強(qiáng)(材料參數(shù)主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和彈性模量)，支護(hù)圍巖的能力越強(qiáng).

圖4 c方案充填后最大位移矢量圖

3.3 不同的充填方法

d方案中圍巖受開挖作用變形未穩(wěn)定時(shí)即充填，此時(shí)受開挖變形余量和充填體共同作用.d方案中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化值分別為：24.07 mm、-7.88 mm、-42.41 mm，相比a方案均要小.監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位移變化曲線如圖5和圖6所示，d方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處受開挖未釋放完的圍巖應(yīng)變能和充填體共同作用，穩(wěn)定后垂直位移發(fā)生向上的變化.而a方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1在充填后向下變形，且充填體對(duì)開挖后洞室閉合變形的支撐作用不甚明顯.同時(shí)，兩種充填方法下應(yīng)力分布規(guī)律無明顯差異.因此，通過對(duì)開挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的控制，可以得到不同充填方法下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律.當(dāng)采用不同充填方法時(shí)，充填時(shí)間越早，洞室圍巖變形量越小.

圖5 a方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)1垂直位移曲線圖

圖6 d方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)1垂直位移曲線圖

4 結(jié) 語

a.運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件能對(duì)礦山地下洞室充填后力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行有效地模擬計(jì)算，并能反映不同充填情況下圍巖體位移值和塑性區(qū)分布范圍，因此運(yùn)用本軟件對(duì)充填體支護(hù)采場(chǎng)圍巖的影響機(jī)理研究具有可行性.

b.充填是否接頂對(duì)圍巖應(yīng)變和塑性區(qū)分布影響作用明顯，因此在礦山實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，必須要考慮充填是否接頂?shù)那闆r.充填材料的剛性越大，支護(hù)圍巖的能力越強(qiáng)，且主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力參數(shù)和彈性模量.通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開挖后位移的控制，能得到圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，且不同充填方法下圍巖應(yīng)變情況有差異.

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