基于協(xié)同理念的地下采場穩(wěn)定性分析及結構參數(shù)優(yōu)化

李季陽 譚卓英 陳首學 李 文

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083)

以最安全的方式和最低的成本獲取礦產資源，產生最大化的經濟效益和社會效益，這是礦業(yè)工程追求的目標。隨著露天資源枯竭，地下開采深度的增加，礦產資源賦存的環(huán)境更加復雜，采場及巷道更容易受采礦開挖活動的擾動，常發(fā)生冒頂、大變形等，造成回收殘礦困難，成為影響生產運營的最大阻礙［1］。

古德生［2］院士和周科平［3］教授等分析了礦山工程系統(tǒng)復雜性，基于礦業(yè)工程的可持續(xù)發(fā)展，提出了采礦科學未來的發(fā)展趨勢——“采礦環(huán)境再造”這一科學命題。Brady 和Brown［4］認為，充填體對采場圍巖的支撐作用包括對巖塊產生側壓，支護破碎巖，抵抗圍巖閉合等情況。王新民和肖衛(wèi)國［5］在對充填的大量研究與總結中，提出充填體良好的支護效果取決于充填體自身的穩(wěn)定性以及充填體與圍巖(或未開挖礦體)結合程度2 個方面。董金奎等［6］基于修正的Mathews 穩(wěn)定圖法和臨界跨度設計法，對采場暴露面尺寸和最大跨度進行優(yōu)化。Chern J C 等［7］針對南非大量地下開采條件下的充填體作用機理進行了研究，認為充填體在維護采場穩(wěn)定方面的作用是多種多樣的，這些多種作用的積累總和維護了采場的穩(wěn)定性。

然而，不同的工程活動對充填體和圍巖的整體性具有很大的影響，地下采場存在2 大難點:第一，充填體底部掘進復雜出礦巷道，其安全性和合理性未知;第二，充填后回采礦房，充填體及底部巷道的穩(wěn)定性如何，采場是否穩(wěn)定亟待研究。為保證礦山露天—地下聯(lián)合開采的安全，進行地下采場穩(wěn)定性分析和結構參數(shù)優(yōu)化顯得尤為重要。本研究主要針對某大型銅礦地下工程地質條件，根據(jù)現(xiàn)有采場結構，提出多個充填方案，并采用數(shù)值模擬方法分析地下采場充填體底部掘進巷道的安全性以及整個回采采場的穩(wěn)定性，優(yōu)化采場結構參數(shù)，為銅礦安全高效地下開采提供科學依據(jù)，為類似露天轉地下礦山提供經驗。

1 工程概況

某大型銅礦為露天—地下聯(lián)合開采礦山，地下開采采用分段空場嗣后充填采礦法，先回采礦柱，嗣后充填，在充填體底部掘進出礦橫巷及出礦進路，后回采礦房?，F(xiàn)有采場結構參數(shù)為礦柱寬12 m，礦房寬18 m，階段高50 m，3 個分段高分別為20 m、17 m 和13 m，在充填體底部依次掘進出礦橫巷和出礦進路。根據(jù)原有采場結構，待充填體凝固后，在充填體底部掘進出礦橫巷和出礦進路，具有掘進難度大、擾動充填體礦柱整體性等缺陷。

2 結構協(xié)同及參數(shù)優(yōu)化

2.1 協(xié)同作用機理

協(xié)同理念［8］是20 世紀60 年代H. Haken 提出的，該理念基于非線性穩(wěn)定理論［9］。協(xié)同學認為，具有復雜結構的非線性系統(tǒng)是一種進化的自組織系統(tǒng)。結構協(xié)同的目的就是減輕結構的負效應，提高結構的整體穩(wěn)定性和承載性能。結構協(xié)同為解決隱患資源開采中采空區(qū)變形與穩(wěn)定的矛盾提出了一個新的思路。劉寧等［10］指出地下開挖破壞原有的應力平衡狀態(tài)，地下采場無論最終是平衡還是破壞，無論是否設立人工穩(wěn)定的承載或維護結構，巖土體內部的應力重分布行為都會發(fā)生，這是地下巖石自行組織穩(wěn)定的過程，因此地下空間的開挖過程符合協(xié)同學中規(guī)定的自組織，可以用協(xié)同學中的相關理論來研究地下開挖的過程。

地下采場存在空間力轉化過程，符合結構協(xié)同思想。在地下采場中，礦房、礦柱、充填體假柱組成了一個系統(tǒng)，隨時間變化，存在協(xié)同演化的過程。它們之間的協(xié)同關系并不是簡單的疊加關系，因為它們之間有相互影響、相互制約的關系，并最終共同對采場的穩(wěn)定性產生顯著影響。在不考慮巖性的情況下，可以認為，結構的尺寸是影響采場穩(wěn)定最根本、最重要的因素，但不是說礦柱結構尺寸小，采場就一定處于不穩(wěn)定狀態(tài)。地下采空區(qū)圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)破壞的發(fā)生是彼此相互作用的地質體組成的力學系統(tǒng)非線性變形的結果。在礦房、礦柱以及充填體假柱變形失穩(wěn)破壞的研究方面，僅僅研究礦房、礦柱本身簡化為巖石的變形破壞，而不考慮礦房－礦柱－充填體假柱系統(tǒng)之間相互作用的影響偏離了工程實際。地下采場系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題都是建立在一定的工程地質條件上，作為一個復雜的系統(tǒng)性行為進行分析研究。采空區(qū)系統(tǒng)作為一個不斷變化著的開放系統(tǒng)，通過外界獲取的負熵而達到從無序向有序開放的不可逆的耗散系統(tǒng)。系統(tǒng)間各子系統(tǒng)、各層次之間在非線性相互作用下，通過相互影響和正負反饋實現(xiàn)動態(tài)耦合，這種非線性系統(tǒng)在時間推進下進行結構、功能的適應，完成系統(tǒng)的“自組織”過程。以上所述，即是地下采場結構協(xié)同作用的機理。

在較大面積的地下采場中，未開采前，礦房和礦柱共同起支撐作用;首步回采礦柱從開始至結束，相鄰的礦房逐漸起單獨支撐作用;在礦柱回采完成后，待充填體固結完成，與礦房組成系統(tǒng)，共同起支撐作用;回采礦房時，充填體逐漸起單獨支撐作用。整個回采過程，各個物體內的應力不斷轉移，起支撐作用的物理量也在過程中變換，達到支撐采場巖體的效果［11］。

2.2 結構參數(shù)改進

不論在礦房還是充填體中掘進出礦巷道和出礦進路，都會減少采場支撐體底部承載面積，使底部應力水平提高，更易發(fā)生塑性變形和破壞。本研究通過改進采場結構參數(shù)，取消在礦房和充填體中掘進出礦巷道和出礦進路，以保持支撐體底部面積不變，并采用后退回采出礦，使出礦巷道布置與鑿巖巷道重合。出礦機械進入采空區(qū)裝礦石時，需要一定的轉彎半徑，為此加大了整條鑿巖巷道(出礦巷道)截面尺寸，方便2 個方向設備同時進出，同時減少回采向下炮孔的偏移，提高爆破效果。

在地下采場中，其基本賦存應力大環(huán)境基本一致，未發(fā)生改變，不同時段的總支撐力基本一致，其底部應力水平等于總支撐力除以底部面積。一般認為，充填體的剛度小于原有礦體的剛度，為保持充填體應力水平過大，應增大充填體的寬度，為此，選用相等的礦房和礦柱寬度，均為15 m。

在該礦原有采場結構中，回采過程的鑿巖巷道截面較小(4 m×4.1 m)，因而必須在相鄰礦體或充填體中掘進出礦巷道和出礦進路，導致采用炮孔偏移的階段水平爆破效果不好，同時采場鑿巖、出礦機械活動空間狹小，影響作業(yè)性能。為了改善礦山采場的運輸條件和爆破效果，在保證采場結構穩(wěn)定的前提下，可以加大鑿巖巷道截面尺寸，即大采礦橫巷擴底方案，繼而可以取消相鄰礦體或充填體內的出礦巷道和出礦進路，從而減少掘進作業(yè)量，提高底部爆破效果。因此，根據(jù)礦山生產能力要求以及已有設備的運輸性能參數(shù)(如轉彎半徑)，確定選擇擴底方案的截面尺寸為9 m×4.1 m(簡稱為9 m 擴底方案)。

3 9 m 擴底方案數(shù)值分析

3.1 確定開采方案

根據(jù)該銅礦露天轉地下采礦初步設計，礦柱回采完之后，要對采空區(qū)進行膠結充填［12］，底部10 m 采用較高灰砂比(1 ∶4)的膠結充填，上部采用較低灰砂比(1 ∶8)的膠結充填。該銅礦地下采場結構尺寸較大，充填體礦柱在回采礦房中起到支撐頂板和圍巖的作用，其剛度和強度要求較高，為此，本次采用3 種充填體開采方案來分析不同充填體底部掘進長巷和回采采場結構穩(wěn)定性:方案1 為原設計的充填方案;方案2 為底部采用塊石膠結充填體，上部采用尾砂膠結充填體;方案3 為全部塊石膠結充填體。見表1。

表1 充填開采方案Table 1 The backfill mining scheme

3.2 建立模型

選?。?7 m 水平的采場進行對比分析，基于充填體對回采采場的穩(wěn)定性影響較大，采用3 種方案進行擴底改進結構方案分析，其中擴底方案中，鑿巖巷道和出礦巷道重合布置，尺寸為9 m×4.1 m，礦房、礦柱的寬度均為15 m。不論回采礦柱、礦房，都不在相鄰礦體或充填體內掘進出礦巷道，在原有的鑿巖巷道布置出礦巷道，形成9 m 擴底采場模型，見圖1。在ANSYS 中建立模型，材料分組，劃分單元，導入到FLAC3D，重新分組，形成改進采場結構方案，共劃分160 080 個單元，172 074 個節(jié)點，出礦橫巷布置在礦房中。

圖1 擴底模型Fig.1 The belled stope model

在分析地下采場、充填體及巷道穩(wěn)定性、研究地表移動時，不論是采用數(shù)值計算方法，還是采用理論分析方法，其結果的可靠性取決于對地下條件的把握度，更確切地說是巖體力學參數(shù)選擇的可靠性和準確性。巖樣取自露天坑底部，即相對應地下采場，通過巖石力學實驗，得到了不同巖石的力學參數(shù)，如表2所示。

表2 巖體物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks

3.3 位移分析

在完成礦柱回采，充填礦柱采空區(qū)后，可在充填體還未完全凝固時，就開始掘進礦體底部的巷道，這樣可以縮短回采周期。在3 個不同的充填方案中，礦體底部掘進9 m×4.1 m 的大尺寸巷道變形較小，其巷道頂部位移分別為3.8、3.2、3.0 mm，不同剛度的充填材料對相鄰礦房底部掘進巷道基本沒有影響。

在礦房底部完成掘進出礦巷道后，開始回采礦房，同樣上部分段超前于下部分段。按同時回采分析采場的穩(wěn)定性?；夭缮喜糠侄?，方案1 和方案2 上部分段材料都是1 ∶8 的尾砂膠結充填體，其頂板的位移較大，分別為1.2、1.19 cm，方案3 上部分段材料是塊石膠結充填體，其頂板位移為4.5 mm，充填體的強度和剛度對采場頂板穩(wěn)定性影響較大。同時充填體本身的內部應力發(fā)生變化，表現(xiàn)出不同程度的應變，剛度低的充填體材料發(fā)生較大豎向位移。中段底部礦體內的巷道變形很小。3 個方案中，在上部分段回采后，下部礦體上界面都有向上的2 mm 變形，屬于應力重分布的結果。

回采下部分段時，3 個方案的頂板都有不同程度的位移，分別為8、4、0.6 mm。開挖過程中應力重分布，開挖區(qū)前方礦體受開挖的影響，底部巷道出現(xiàn)變形，巷道頂?shù)奈灰品謩e為6、3、0.8 mm，是未開挖的礦體應力增大變形的結果。充填體剛度低的方案中，充填體分壓小，未開挖的礦體分壓大，應變較其他方案大。回采下部分段，應力擾動繼續(xù)，充填體內部的應力增大，發(fā)生不同程度的變形，位移較大的還是集中在低剛度的充填體中，如方案1 的上部充填體。由于充填體底部沒有巷道，其整體變形較均勻。

3.4 塑性區(qū)分析

回采下部分段完成，開挖區(qū)域的材料發(fā)生變形，部分應力集中程度較高的區(qū)域，材料發(fā)生塑性變形。3 個方案中，受開挖擾動，開挖區(qū)前方的礦體部分區(qū)域發(fā)生塑性變形，上部分段巷道周邊和下部中段巷道周邊原本就是應力集中區(qū)，發(fā)生塑性變形的區(qū)域與充填體剛度相關，充填體剛度高的，礦體內部應力水平較低，發(fā)生塑性變形的區(qū)域較小，反之亦然。塑性區(qū)反應了采場的整體性，采場的完整性:方案3＞方案2＞方案1。

4 與原設計采場結構對比分析

原設計方案在充填中掘進出礦橫巷和出礦進路，擾動充填體穩(wěn)定，掘進時間周期長;改進采場方案中，在相鄰礦體掘進大尺寸出礦巷道，能增強爆破效果，減少回采礦量損失，同時避免擾動充填體的整體性。

從表3 中對比分析，掘進巷道過程與回采礦體時，底部巷道穩(wěn)定性成為關鍵性因素，是保證回采工作安全的重點。掘進巷道時，巷道所處的環(huán)境不同，尺寸也不同巷道頂變形也有較大的差異，高剛度充填方案，巷道變形小，9 m 擴底采場的3 個充填方案的巷道位移均勻。回采上部分段礦體時，巷道距開采區(qū)有一定距離，巷道變形較小;回采下部分段礦體時，巷道變形較大，巷道穩(wěn)定將成為制約回采工作的重要因素。通過改進結構參數(shù)，9 m 擴底方案的變形總體上小于原設計方案。

通過表4 對比分析，在回采礦體時，充填體逐漸成為頂板的主要承載體，頂板支撐體系發(fā)生變化，頂板出現(xiàn)懸空，產生位移，距開挖區(qū)域較近的出礦巷道變形較大?；夭缮喜糠侄蔚V體時，巷道距開挖區(qū)較遠，巷道變形很小;回采下部分段礦體時，巷道距開挖區(qū)較近，巷道變形較大。在1 ∶9 m 擴底采場方案中，對降低回采上部分段礦體頂板的位移作用不大，對減低回采下部分段頂板位移作用較大，達75%。

表3 底部巷道頂位移Table 3 The roadway roof displacement at bottommm

表4 巷道頂板位移Table 4 The roadway roof displacement mm

5 結 論

(1)充填材料的剛度是影響采場穩(wěn)定性的重要因素，一味提高充填體的剛度至高強，其采場穩(wěn)定性很好，但其充填成本比較高，工藝要求嚴格，操作比較困難;充填體的剛度較低，采場穩(wěn)定性較差，對回采安全不利;充填體的剛度高低結合，采場應變位移較理想，底部塊石膠結、上部尾砂膠結充填應是地下采場的首選方案。

(2)根據(jù)結構協(xié)同理念，地下采場經過結構參數(shù)優(yōu)化，提出改進的采場結構，即大采礦橫巷9 m 擴底采場結構方案，取消了充填體底部巷道，將出礦巷道布置在待回采礦體中，采用后退式回采。分析表明，回采過程中，采場頂板的穩(wěn)定性提高了，同時出礦巷道的變形較小、保持穩(wěn)定，該改進采場結構參數(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

［1］ 徐長佑. 露天轉地下開采［M］. 武漢:武漢工業(yè)大學出版社，1990.

Xu Changyou.Open Pit to Underground Mining［M］. Wuhan:Wuhan University of Technology Press，1990.

［2］ 古德生.地下金屬礦采礦科學技術的發(fā)生趨勢［J］.黃金，2004，25(1):18-22.

Gu Desheng.The development tendency of mining science and technology of underground metal mine［J］.Gold，2004，25(1):18-22.

［3］ 周科平，高 峰，古德生.采礦環(huán)境再造與礦業(yè)發(fā)展新思路［J］.中國礦業(yè)，2007，16(4):34-36.

Zhou Keping，Gao Feng，Gu Desheng.Mining environment regenerating and new thoughts on the development of mining industry［J］.China Mining Magazine，2007，16(4):34-36.

［4］ Borwn E T，Brady B H G.地下采礦巖石力學［M］.馮樹仁，余詩剛，等，譯.北京:煤炭工業(yè)出版社，1986.

Borwn E T，Brady B H G. Underground Mining Rock Mechanics［M］.Feng Shuren，Yu Shigang，et al，Translate.Beijing:Coal Industry Press，1986.

［5］ 王新民，肖衛(wèi)國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術［M］.長沙:中南大學出版社，2005.

Wang Xinmin，Xiao Weiguo，Zhang Qinli.Deep Mine Filling Theory and Technology［M］. Changsha:Central South University Press，2005.

［6］ 董金奎，馮夏庭，張希巍，等. 地下采場破碎巖體穩(wěn)定性評價與參數(shù)優(yōu)化［J］.東北大學學報，2013，34(9):1322-1326.

Dong Jinkui，F(xiàn)eng Xiating，Zhang Xiwei，et al. Stability evaluation and parameter optimization on the fractured rock mass around underground stope［J］.Journal of Northeastern University，2013，34(9):1322-1326.

［7］ Chern J C，Chang Y L，Lee H C.Seismic safety analysis of Kukuan underground power cavern［J］. Tunneling and Underground Space Technology，2004，19(5):516-527.

［8］ Haken H.Synergeties:From pattern formation to pattern analysis and pattern recognition［J］.International Journal of Bifurcation and Chaos，1994，4(5):1069-1083.

［9］ 谷惠棠，胡慧明.基于突變理論的礦柱失穩(wěn)破壞研究［J］. 金屬礦山，2011(8):15-18.

Gu Huitang，Hu Huiming.Study on instability and failure of the mine pillar based on catastrophe theory［J］.Metal Mine，2011(8):15-18.

［10］ 劉 寧，于廣明，魏金波.地下開挖對周圍巖體應力環(huán)境的影響分析［J］.青島理工大學學報，2006，27(1):28-30.

Liu Ning，Yu Guangming，Wei Jinbo.The effect of underground excavation on surrounding rock mass stress environment［J］. Journal of Qingdao Technological University，2006，27(1):28-30.

［11］ 董學晨.地下廠房圍巖穩(wěn)定分析若干問題探討［J］. 巖土工程學報，1981，3(2):50-56.

Dong Xuechen. Some problems on the stability analysis of underground openings［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1981，3(2):50-56.

［12］ 周科平，古德生.安慶銅礦尾砂膠結充填灰砂配比的遺傳優(yōu)化設計［J］.金屬礦山，2001(7):11-13.

Zhou Keping，Gu Desheng. Genetic optimization design of the cement-sand ratio of tailings consolidated filling in Anqing Copper Mine［J］.Metal Mine，2001(7):11-13.