高階段采場充填體穩(wěn)定性的數(shù)值分析

付玉華，占 飛，余信橙

(1．江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；2．紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

高階段采場充填體穩(wěn)定性的數(shù)值分析

付玉華1，2，占 飛3，余信橙3

(1．江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；2．紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性對金屬礦山的高效回采極為關(guān)鍵。為此，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，綜合考慮采場實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)置合理的物理力學(xué)參數(shù)，對紫金山金銅礦深部X1號礦體采場進(jìn)行模擬、穩(wěn)定性分析。在礦房、礦柱布置18個(gè)位移觀測點(diǎn)，記錄各測點(diǎn)在一步驟礦房開挖、充填，二步驟礦柱開挖、充填整個(gè)過程中的變形特性。根據(jù)采場應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布、位移變化判斷采場的穩(wěn)定性，分析高階段范圍下充填體的穩(wěn)定作用過程。

金屬礦山；充填體；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析

礦房回采完畢后，為回采高階段大型獨(dú)立礦柱，面對周圍大面積礦房空區(qū)，使用膠結(jié)充填材料充填采空區(qū)礦房，減小頂部圍巖暴露面積控制頂板壓力，維護(hù)圍巖穩(wěn)定具有極其重要的作用[1]。因此，充填體的穩(wěn)定性是其在保持自立的基礎(chǔ)上對采空區(qū)提供支撐作用的關(guān)鍵。曾照凱等[2]從充填體在采空區(qū)所起的力學(xué)作用入手，建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型，對膠結(jié)充填體進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。彭府華等[3]針對金川二礦區(qū)大型充填體穩(wěn)定性問題，采用自制的監(jiān)測裝置對充填體的下沉量和下沉速率進(jìn)行變形監(jiān)測。數(shù)值模擬計(jì)算方法已經(jīng)成為現(xiàn)代工程技術(shù)分析、 計(jì)算、 預(yù)測預(yù)報(bào)工程穩(wěn)定性、可靠性的重要手段[4]。郭忠平等[5]運(yùn)用巖板理論和數(shù)值模擬的方法對矸石條帶充填體參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。薛改利等[6]利用經(jīng)典理論模型法和工程類比法，通過對礦房、膠結(jié)充填體、圍巖作用下充填體和采場承載結(jié)構(gòu)礦柱等四個(gè)方面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以及對充填體強(qiáng)度與采場圍巖進(jìn)行匹配研究，進(jìn)而驗(yàn)證充填體強(qiáng)度在回采和充填過程中能否滿足穩(wěn)定。上述研究盡管取得一定的成果，但在力學(xué)模型匹配和力學(xué)參數(shù)的選擇上存在不足。膠結(jié)充填體礦柱中的應(yīng)力分布，一般與充填體的力學(xué)特性，充填礦柱的幾何尺寸，充填礦柱壁和采場壁的粗糙程度，采場圍巖的位移及礦體傾角等多因素有關(guān)[7]。

本研究針對紫金山金銅礦深部X1號礦體，充分考慮其采場應(yīng)力環(huán)境，并借鑒中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院和紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司所作紫金山金銅礦露天地下聯(lián)合開采的相互影響關(guān)系研究的相關(guān)成果，選擇較為合理的介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)，模擬高階段采場下的充填和回采全過程。由此，得出采場各部分的應(yīng)力及位移變化，對采場環(huán)境進(jìn)行全方位的穩(wěn)定性分析。

1 計(jì)算模型建立

紫金山金銅礦深部X1號礦體開采采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，底部結(jié)構(gòu)為集礦塹溝，鏟運(yùn)機(jī)雙側(cè)雙向交錯(cuò)進(jìn)路出礦，進(jìn)路間距為15 m，礦體垂高50～60 m，在中段平面內(nèi)按15 m×50 m布置礦房、礦柱。結(jié)合紫金山金銅礦深部礦體充填法開采工藝，利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬。采用莫爾-庫倫模型，設(shè)置礦房、礦柱寬為15 m，長和高均為50 m。為提高數(shù)值計(jì)算效率，將實(shí)際開采的三維實(shí)體模型簡化成數(shù)值計(jì)算的二維平面模型，即按平面應(yīng)變問題求解。穩(wěn)定性分析模型如圖1所示，綠色部分表示圍巖(中細(xì)粒花崗巖)，寬210 m，高350 m，內(nèi)部左側(cè)藍(lán)色部分為第一步礦房，寬15 m，高50 m，右側(cè)紅色部分為第二步礦柱，寬15 m，高50 m。

借鑒中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院和紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司所作紫金山金銅礦露天地下聯(lián)合開采的相互影響關(guān)系研究成果，采場主要圍巖為中細(xì)?；◢弾r，介質(zhì)基本物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置見表1。

2 邊界條件及計(jì)算方案

底部和兩側(cè)設(shè)置位移邊界，即約束各面垂直位移，模型頂部施加初始應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)資料，為了更好的模擬實(shí)際采場中充填全過程，施加在模型頂面的初始應(yīng)力設(shè)置為18.6 MPa。模擬計(jì)算分四步完成，首先保持整個(gè)模型完整且采用彈性模型，對計(jì)算區(qū)域應(yīng)力進(jìn)行初始化，第二步開挖第一步礦房，分析第一步礦房開挖后采場應(yīng)力、位移變化和采場穩(wěn)定性，第三步充填第二步礦房空區(qū)，分析充填效應(yīng)，第四步開挖第二步礦柱。為了較直觀的顯示每個(gè)步驟前后采場周圍的變形特性，模擬計(jì)算過程中，需在礦房和礦柱的底部角點(diǎn)和頂部各設(shè)置若干觀察點(diǎn)，如表2所示，記錄模型開采過程中相應(yīng)的位移信息。

圖1 充填體穩(wěn)定性計(jì)算模型

剪切強(qiáng)度Γ(kN/m3)內(nèi)聚力C(MPa)內(nèi)摩擦角Φ(°)彈性模量E(GPa)泊松比μ抗拉強(qiáng)度σt(MPa)礦體23.80.5732.948.80.340.57巖體26.61.7036.2050.00.254.88充填體19.80.85225.80.6630.330.9

表2 設(shè)置觀察點(diǎn)位置表

3 穩(wěn)定性分析

3.1 應(yīng)力初始化

在模型頂部施加18.6 MPa垂直應(yīng)力，經(jīng)24 759步運(yùn)算后，模型達(dá)到平衡。由圖2可知，應(yīng)力初始化后，模型中垂直應(yīng)力的分層分布非常明顯，位移分布同樣呈現(xiàn)壓密特性，再次說明經(jīng)應(yīng)力初始化后，模型達(dá)到平衡狀態(tài)。

3.2 一步驟礦房開挖

由圖3～5可發(fā)現(xiàn)，一步驟礦房開挖后，巖體內(nèi)原巖應(yīng)力狀態(tài)被擾動(dòng)，垂直應(yīng)力不再呈明顯分層分布，一步礦房附近應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中到空區(qū)兩側(cè)巖體中，在空區(qū)兩側(cè)壁面上最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，其最大值為3.44 kPa，最大位移出現(xiàn)在空區(qū)頂部，其值為2.494 cm，指向采空區(qū)。

圖2 應(yīng)力初始化模型垂直應(yīng)力分布

圖3 步驟礦房開挖模型垂直應(yīng)力分布

圖4 一步驟礦房開挖模型最大主應(yīng)力分布

圖5 一步驟礦房開挖模型位移云圖

圖6 一步驟礦房開挖模型塑性區(qū)分布

圖6顯示一步驟礦房開挖后空區(qū)周圍塑性區(qū)分布，在模擬開挖過程中，在空區(qū)的頂部因拉和剪曾出現(xiàn)過塑性狀態(tài)，開挖結(jié)束后，在空區(qū)兩側(cè)仍存在部分塑性區(qū)。結(jié)合塑性區(qū)分布和觀測點(diǎn)位移時(shí)步關(guān)系，可知一步驟礦房開采過程中采場能保持穩(wěn)定狀態(tài)，這與作為圍巖的中細(xì)?；◢弾r的穩(wěn)固性相符。

3.3 一步驟礦房充填

圖7和圖8是一步礦房充填后的最大主應(yīng)力、塑性區(qū)分布圖。分析可知，采空區(qū)充填后，充填體承擔(dān)部分圍壓，空區(qū)周邊最大主應(yīng)力分布更加均衡，周邊塑性區(qū)明顯減少。充填體作為支撐結(jié)構(gòu)體，起支撐圍壓和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。

圖7 一步驟礦房充填模型最大主應(yīng)力分布

圖8 一步驟礦房充填模型塑性區(qū)分布

圖9 二步驟礦柱開挖模型最大主應(yīng)力分布

3.4 二步礦柱開挖

由圖9可知，在充填體側(cè)開采二步礦柱時(shí)，充填體和空區(qū)周邊的應(yīng)力重新分布，兩側(cè)圍巖應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為10.855 MPa，充填體內(nèi)中上部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為81.42 kPa。圖10顯示，二步礦柱開采，最大位移出現(xiàn)在空區(qū)右側(cè)中部圍巖處，最大值為2.5 cm，充填體產(chǎn)生的側(cè)向位移比圍巖要小。圖11表明，二步礦柱開采后，空區(qū)周邊塑性區(qū)分布范圍較充填時(shí)有所增大，但比第一步礦房開采時(shí)要小，充填體未出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布在兩側(cè)圍巖中。說明在整個(gè)支護(hù)體系中，主要由圍巖承擔(dān)支撐作用，充填體主要起改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用，且在二步礦柱開采過程中，充填體能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 二步驟礦柱開挖模型塑性區(qū)分布

表3列出了各開挖步對應(yīng)的觀測點(diǎn)的垂直位移變化情況和塑性區(qū)分布范圍。一步礦房開挖后，采空區(qū)底部出現(xiàn)底臌，頂部下沉量最大，出現(xiàn)的塑性區(qū)單元也最多，達(dá)191個(gè)；采空區(qū)充填后，采場應(yīng)力結(jié)構(gòu)得以改善，底臌消失，頂?shù)装逦灰拼蟠鬁p小，充填體承受部分地壓作用，塑性區(qū)單元減小到120個(gè)；二步礦柱開采后，由于充填體對左側(cè)圍巖存在限制約束作用，致使圍巖的支承能力得到強(qiáng)化，反映在各測點(diǎn)位移比一步礦房開挖時(shí)要小，其塑性區(qū)分布范圍也由第一步礦房的191下降到158。因此，表中數(shù)據(jù)直觀反映了充填體作為一支撐結(jié)構(gòu)物，和圍巖一道共同承擔(dān)支護(hù)作用，且充填體是作為一種柔性支護(hù)體參與作用的。

表3 開挖模擬各步驟觀測點(diǎn)垂直位移和塑性區(qū)范圍

4 結(jié) 論

1)采空區(qū)充填后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)得以改善，由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，空區(qū)頂板位移由2.5 cm減小到0.05 cm，底板底臌消失，塑性區(qū)單元由191個(gè)降到120個(gè)，采場圍巖和充填體保持穩(wěn)定，為二步驟礦柱開采創(chuàng)造良好條件。

2)充填體側(cè)開采二步驟礦柱，由于充填體對左側(cè)圍巖存在限制約束作用，致使圍巖的支承能力得到強(qiáng)化，反映在各測點(diǎn)位移比一步礦房開挖時(shí)要小，其塑性區(qū)分布范圍也由第一步礦房的191下降到158，充填體和采場保持穩(wěn)定。

3)充填接頂效果理想條件下，充填體并非一直立膠結(jié)體，而是作為支護(hù)結(jié)構(gòu)物，與圍巖構(gòu)成共同支護(hù)體系。充填體作為一柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，除承擔(dān)部分上部圍巖壓力外，主要約束圍巖的側(cè)向變形，起改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)的作用。

[1] 林敏，蘇成哲，周雄超.深部采區(qū)膠結(jié)充填體穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(1)：42-54.

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Stability analysis of the numerical simulation of backfill on high-bench stope

FU Yuhua1，2，ZHAN Fei3，YU Xincheng3

(1.College of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Zijin Mining Group Co.，Ltd.，Shanghang 364200，China；3.College of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The stability of cemented backfill is crucial to the efficient mining of metal mines.Accordingly，the numerical simulation method is used to set up the reasonable physical parameters and mechanical parameters，which are based on the actual structure of the stope.Then，simulating and analysing the deep X1orebody in zijinshan Gold copper mine.Eighteen monitoring points have layouted in the rooms and pillars to record the deformation characteristics when the rooms and pillars are firstly and secondly excavated and filled.According to the stress distribution，plastic zone distribution and displacement variation，both the stability of stope can be determined and the process of backfill stability can be analyzed.

metal mine；backfill；numerical simlation；stability analyais

2017-03-21 責(zé)任編輯：宋菲

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：51464015)；江西省教育廳2015年度科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號：GJJ151519)

付玉華(1977-)，男，江西上饒人，博士，副教授，主要從事礦山開采與巖體損傷方面的教學(xué)和研究，E-mail：yhfu@jxust.edu.cn。

TD853

A

1004-4051(2017)07-0111-05