空場嗣后充填采礦法對圍巖及地表的影響規(guī)律研究

楊八九 侯克鵬 蔣 軍

(1.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

1 工程概況

云南某鐵礦采用空場嗣后充填采礦法，一步驟回采時，把采場劃分為礦房、礦柱，礦柱為永久礦柱，不進行回采[1-5]。階段高度為60 m，利用正交試驗設(shè)計方法，研究不同礦房、礦柱尺寸，以及充填體不同沉降率時，圍巖及地表的應(yīng)力應(yīng)變顯現(xiàn)規(guī)律[6-10]。

2 數(shù)值模型的建立以及正交方案的設(shè)計

本次模型的建立采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行，主要研究疆鋒鐵礦Ⅱ號礦段采用空場嗣后充填法進行開采，選取不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)時，分析圍巖及地表的應(yīng)力應(yīng)變顯現(xiàn)規(guī)律，從而確定出較佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山開采提供技術(shù)支撐，模型X方向垂直礦體走向方向，長度為450 m；Y方向為礦體走向，長度為700 m；Z方向為豎直方向，模型底部標(biāo)高290 m，頂部標(biāo)高模擬礦山實際地形，由 于地形較復(fù)雜，做了一定的簡化，建好的模型見圖1，模型共計682 227個單元和712 400個節(jié)點，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 整體計算模型圖以及礦體和斷層相對位置圖Fig.1 Overall calculation model and relative positions of ore bodies and faults

2.1 正交表設(shè)計

本次主要研究選取不同礦房、礦柱尺寸以及充填體不同沉降率時，采場應(yīng)力應(yīng)變的變化分布情況，分析各因素對于采場穩(wěn)定性所占權(quán)重。因素與水平見表2，正交表設(shè)計見表3。由于礦房與礦柱尺寸要進行不同的排列組合，因此方案設(shè)計所列礦房長度為凈長度。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass mechanical parameters

表2 因素與水平表Table 2 Factors and levels

表3 正交表L16(43)Table 3 Orthogonal table L16(43)

3 計算結(jié)果分析

3.1 最大主應(yīng)力

沿著礦體走向從礦體中部切縱坡面，對不同計算方案最大主應(yīng)力進行分析。由于方案較多，選取方案一和方案十六對采場區(qū)域進行局部放大分析。

圖2 礦體走向中部最大主應(yīng)力圖Fig.2 The maximum main stress diagram of orebody strike in the middle

從最大主應(yīng)力圖(圖2)可以看出，礦體開挖充填后，礦體下部圍巖應(yīng)力較周圍巖體低，這是由于礦體開完后，礦房圍巖應(yīng)力急劇釋放，下部巖體有上鼓的趨勢，雖然后續(xù)經(jīng)過充填，但是充填體強度及容重與原巖相差較大，不足以抑制下部圍巖應(yīng)力的釋放。而礦體上部圍巖則較周圍巖體應(yīng)力高，這是由于礦體開挖后下部懸空，再加上重力作用所導(dǎo)致。礦房尺寸越大，圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域越大。

不同計算方案最大主應(yīng)力值相差不多，礦柱上均未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，出現(xiàn)壓應(yīng)力而導(dǎo)致破壞的可能性很小。充填體壓應(yīng)力值均在1～2 MPa，在520 m階段由于上部礦體開采及充填活動直接在下部充填體上進行，因此該部分充填體最大主應(yīng)力有所增大。

3.2 最小主應(yīng)力

礦體開采最高標(biāo)高至580 m，因此選取該水平剖面礦體頂板進行最小主應(yīng)力分析。由于方案較多，選取方案一和方案十六對采場區(qū)域進行分析。

圖3 礦體走向中部最小主應(yīng)力圖Fig.3 The minimum main stress diagram of orebody strike in the middle

從最小主應(yīng)力圖(圖3)可以看出，由于斷層的軟弱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致斷層帶的應(yīng)力較周圍巖體的應(yīng)力值較小。礦體開挖進行充填后，礦體頂板礦房位置處圍巖均有拉應(yīng)力出現(xiàn)。拉應(yīng)力值最小的是方案六0.02 MPa，最大的是方案十三0.5 MPa。因此，頂板拉應(yīng)力值的大小不僅與采場跨度有關(guān)，而且與礦柱尺寸、充填體是否接頂及沉降率密切相關(guān)。

3.3 整體位移

由于計算方案較多，且不同計算方案位移云圖除了數(shù)值變化外相差不大。本次模型建立頂部直接模擬地表標(biāo)高，地表位移可直接觀察，在礦體中部截取不同計算的礦柱位置進行礦柱位移分析。不同計算方案地表整體位移和礦柱整體位移見表4。

表4 不同計算方案最大整體位移量Table 4 The maximum overall displacement of different calculation schemes

圖4 不同計算方案最大位移量圖Fig.4 The maximum displacement of different calculation schemes

從整體位移圖(圖4)可以看出，不同計算方案，地表或多或少都會出現(xiàn)沉降變形，位移最大位置出現(xiàn)在礦體開挖上部。同一計算方案不同位置位移量存在關(guān)系：礦房位移>礦柱>位移>地表位移。位移量最小的是方案四，最大的是方案十三，地表變形量最小為3.2 cm，最大為10.8 cm；礦柱位移量為5.6 cm，最大為15.7 cm；礦房位移量為6.3 cm，最大為20.9 cm。從圖中可以看出，在上下盤斷層位置處，均出現(xiàn)明顯的位移阻隔現(xiàn)象。礦體開挖進行充填后，充填體位移量比圍巖小，520 m以上充填體位移比520 m以下的大，這是由于上部礦體的開采直接在下部充填體上進行，下部充填體沉降大。由圖可以看出，在礦房尺寸相同的條件，位移量隨著礦柱尺寸的增大而減小。

3 計算結(jié)果極差分析

極差分析法簡稱R法。它包括計算和判斷兩個步驟，其內(nèi)容如圖5所示。

圖5 極差分析法內(nèi)容示意圖Fig.5 Content schematic diagram of range analysis

圖5中，Kjm為第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和。由Kjm的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平和各因素的水平組合，即最優(yōu)組合。Rj為第j列因素的極差，即第j列因素個水平下平均指標(biāo)值的最大值與最小值之差。

Rj反映了第j列因素的水平變動時，試驗指標(biāo)的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要。于是依據(jù)Rj的大小，就可以判斷因素的主次。

把地表位移量、礦房位移量作為評價計算方案優(yōu)劣的指標(biāo)，對兩個指標(biāo)計算結(jié)果進行極差分析。分析結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗結(jié)果的極差分析表Table 5 Range analysis of orthogonal test results

所有計算方案礦房位移量要大于地表位移，但是變化趨勢相同見圖6～7。從極差分析的數(shù)據(jù)看出，影響位移量的主次順序為：礦房尺寸>礦柱尺寸>充填體沉降率，其最佳組合為：A1B4C1。從直觀圖可以看出，隨著礦房尺寸的逐漸增大，位移量呈上升趨勢，且上升幅度較大；隨著礦柱尺寸的增大，位移量逐漸減少；直觀圖中，充填體沉降率波動起伏較小，近似水平，因此充填體沉降率對于位移量影響不大。

圖6 地表最大位移量直觀圖Fig.6 View of the maximum surface displacement

圖7 礦房最大位移量直觀圖Fig.7 The maximum displacement of pillar

4 結(jié)論

1)頂板拉應(yīng)力值的大小不僅僅跟采場跨度有關(guān)，與礦柱尺寸、充填體是否接頂及沉降率密切相關(guān)。

2)從整體位移可以看出，不同計算方案，地表或多或少都會出現(xiàn)沉降變形，位移最大位置出現(xiàn)在礦體開挖上部。同一計算方案不同位置位移量存在關(guān)系：礦房位移>礦柱>位移>地表位移。

3)在上下盤斷層位置處，均出現(xiàn)明顯的位移阻隔現(xiàn)象。礦房尺寸相同的條件，位移量隨著礦柱尺寸的增大而減小。

4)從極差分析的數(shù)據(jù)可以看出，影響位移量的主次順序為：礦房尺寸>礦柱尺寸>充填體沉降率，其最佳組合為：A1B4C1。