礦山采場回填的應(yīng)力拱效應(yīng)數(shù)值分析

馬小龍

（吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林長春130103）

礦山采場回填的應(yīng)力拱效應(yīng)數(shù)值分析

馬小龍*

（吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林長春130103）

為了深入研究采礦法回填時的應(yīng)力分布特征，通過對礦山采場回填進行了數(shù)值模擬分析，充分研究礦山回填彈塑性應(yīng)力分布，說明應(yīng)力拱效應(yīng)存在，研究了回填寬度改變對其分布的影響。

回填采場；數(shù)值模擬；拱效應(yīng)

充填采礦法在礦山上應(yīng)用已數(shù)十年，隨著回采工作面的推進，向采空區(qū)送入充填材料，以進行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動，并在形成的充填體上或在其保護下進行回采。本法適用于開采圍巖不穩(wěn)固的高品位、稀缺、貴重礦石的礦體；地表不允許陷落，開采條件復(fù)雜，如水體、鐵路干線、主要建筑物下面的礦體和有自燃火災(zāi)危險的礦體等；也是深部開采時控制地壓的有效措施。充填法的優(yōu)點是適應(yīng)性強、礦石回采率高、貧化率低、作業(yè)較安全、能利用工業(yè)廢料、保護地表等。

采場回填中，通常利用尾礦添加一定的粘合劑（水泥）作為回填材料，控制粘合劑添加量對保證回填穩(wěn)定性和降低回填成本十分重要，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得回填材料及圍巖的應(yīng)力分布，進行合理的回填設(shè)計。因此回填的應(yīng)力分析成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。

采場回填設(shè)計的前提是準(zhǔn)確獲取其應(yīng)力分布特征，因此應(yīng)力分布及其影響因素研究成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，其中的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得回填材料及圍巖的應(yīng)力分布。

國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)回填應(yīng)力具有明顯的應(yīng)力拱效應(yīng)，其分布與排水及采場設(shè)計參數(shù)和回填材料參數(shù)密切相關(guān)。2005年Sivakugan等人和Rankine等人討論研究了地下礦山采場在充填方向的最新發(fā)展。拱效應(yīng)通常出現(xiàn)在當(dāng)部分摩擦性材料已經(jīng)屈服而臨近的材料卻保持原樣時，隨著屈服性材料在穩(wěn)定的未屈服區(qū)域擴展，而沿著接觸面的抗剪力和沿著接觸區(qū)域產(chǎn)生的剪應(yīng)力抵抗在屈服性材料中相關(guān)的擴展，往往使屈服性材料不再擴展。這種因降低了屈服性材料中垂直正應(yīng)力而產(chǎn)生的現(xiàn)象為拱效應(yīng)。因此當(dāng)全面進行回填工作時，研究拱效應(yīng)是很重要的，可以比較準(zhǔn)確的估計出回填過程中的垂直應(yīng)力。

大量分析研究表明，由于應(yīng)力拱的存在，采場回填材料中的垂直應(yīng)力分布明顯小于按照自重計算的應(yīng)力。因此在進行全面回填這種情況前，要先進行拱效應(yīng)的研究。1930年，馬斯通分析模型估計了采場回填中的平均垂直應(yīng)力分布公式，對于無粘性填料采場垂直和水平應(yīng)力的計算方法如下：

式中：φ——回填料內(nèi)摩擦角；

μ——巖體和回填料間的摩擦系數(shù)，μ=tanδ；

δ——壁面摩擦角，（介于1/3φ和1/2φ之間）；

Ka——主動土壓力系數(shù)。

總之，國內(nèi)外圍繞采場回填開展了大量研究工作，國內(nèi)的研究主要圍繞施工設(shè)計及初步分析，國外對采場回填應(yīng)力分析開展了大量研究，較好地分析了采場回填的應(yīng)力分布狀況，對排水效應(yīng)的研究是近年的趨勢。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究礦山回填采場內(nèi)應(yīng)力變化及影響因素分析，模擬出隨深度變化應(yīng)力分布的應(yīng)力拱效應(yīng)。

1　礦山采場回填的彈塑性應(yīng)力分布及參數(shù)影響

數(shù)值模擬模型的采場填土深度為45m，填土寬度為6m，自然壓力為q，左右分布各20m寬的巖體，頂部距地表10m，填土空間為0.5m。

表1給出了計算所用的有關(guān)巖石和回填體的物理力學(xué)參數(shù)。在模擬中，假定周圍巖體是均質(zhì)的、各向同性、線彈性體，填土假定為摩爾庫倫材料。回填體密度、彈性模量、泊松比均低于巖體，且為無粘性土，內(nèi)摩擦角為30°。

數(shù)值模擬時首先按照給出的幾何參數(shù)建立數(shù)值模型，給材料賦值之后，進行邊界條件設(shè)定。為了表征實際條件和原位上的自然應(yīng)力，又考慮到模型簡化，在進行模擬時，需要考慮到采場上方巖體的自重。在自重作用下達到初始平衡之后，進行開挖操作。采用5次分層逐步回填，一次回填9m。計算結(jié)果如圖1所示。

圖1　采場回填的幾何模型

2　礦山采場回填的應(yīng)力分布分析

礦山采場回填應(yīng)力分布圖（圖2）中，可以看到采場內(nèi)部和周圍巖體的垂直應(yīng)力分布情況，并明顯看出回填采場內(nèi)部存在著拱效應(yīng)現(xiàn)象。圖3是回填體垂直應(yīng)力的分析結(jié)果，從圖3可以看到，回填采場中距采場頂部1/4深度里，垂直應(yīng)力與上覆壓力相差不大，而之后隨著深度的繼續(xù)增加垂直應(yīng)力明顯小于上覆壓力（簡單表示為填土深度和單位重量的乘積），并在最后保持一定值。

表1　巖體和回填體的物理力學(xué)參數(shù)

圖2　采場回填應(yīng)力拱分布圖

圖3　充填體內(nèi)豎向應(yīng)力分析結(jié)果

3　礦山采場回填的應(yīng)力分布的參數(shù)影響

在進行拱效應(yīng)研究之后，我們通過對不同參數(shù)的改變，獲取不同參數(shù)對回填采場豎向應(yīng)力分布規(guī)律的影響。這里先介紹采場寬度及回填材料內(nèi)摩擦角的影響。

設(shè)置4種不同的采場寬度B進行計算，依次取B 為6m、10m、15m、20m4種情況的采場中心處的豎向應(yīng)力曲線，如圖4所示。

圖4　采場寬度對豎向應(yīng)力的影響

從采場寬度B的變化對垂直應(yīng)力的影響（圖4）可以看到，采場寬度對垂直應(yīng)力的影響很明顯，B=20m回填采場的垂直應(yīng)力曲線與上覆壓力最接近，相反B=6m的回填采場的垂直應(yīng)力曲線與上覆壓力相差很大。也就是說，回填采場寬度越窄，回填體內(nèi)部的拱應(yīng)力現(xiàn)象越明顯，回填采場底部的垂直應(yīng)力越小。

4　結(jié)論

通過垂直采場回填過程進行了彈塑性模擬分析，驗證了回填采場拱效應(yīng)的存在。并給出了采場寬度對垂直應(yīng)力拱效應(yīng)的影響。即回填采場寬度越窄，回填體內(nèi)部的拱應(yīng)力現(xiàn)象越明顯，回填采場底部的垂直應(yīng)力越小。由于實際采場回填中出現(xiàn)了多年后采場回填塌陷的現(xiàn)象，說明時間效應(yīng)對回填應(yīng)力也會產(chǎn)生較大影響。今后將進一步對粘彈性體的回填應(yīng)力及時間效應(yīng)的影響進行深入研究。

［1］黃志偉，古德生.我國無廢開采的現(xiàn)狀［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2002，22（4）；9-10.

［2］周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［3］周愛民.基于工業(yè)生態(tài)學(xué)的礦山充填模式與技術(shù)［D］.中南大學(xué)，2004.

［4］張省軍.張馬屯鐵礦床無廢開采綜合技術(shù)研究［J］.采礦技術(shù)，2006，6（3）：160-161.

［5］韓克峰，高林.全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在張馬屯鐵礦的應(yīng)用與探討［J］.山東冶金，1995，17（6）：9-11.

［6］汪順才，曹維勤，康瑞海.南京鉛鋅銀礦全尾砂膠結(jié)充填［J］.有色金屬，2008，60（2）：107-109.

［7］繆建成，王方漢，胡繼華.南京鉛鋅銀礦廢水零排放的研究與實踐［J］.金屬礦山，2003（Series No.326）：56-58.

［8］劉同友，等.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［9］姚香，劉成平.我國巖金充填采礦技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［C］//第八屆國際充填采礦會議論文集，2004.

［10］李旭.山東黃金礦山采礦方法概況及今后的設(shè)想［C］//首屆黃金采礦學(xué)術(shù)會議論文集，1988.

［11］袁偉昊，袁樹來.充填采煤方法與技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［12］廖國華.礦山巖體力學(xué)［D］.北京鋼鐵學(xué)院，1983.

［13］Jeremic M L（杰里米克）.巖體力學(xué)在硬巖開采中的應(yīng)用［M］.趙玉學(xué)，等，譯.北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

［14］吳江航，韓慶書.計算流體力學(xué)的理論、方法及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［15］谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

TD164

A

1004-5716（2016）03-0100-03

2015-12-15

2015-12-21

馬小龍（1971-），男（漢族），遼寧昌圖人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。