偽傾斜分段條帶充填采礦法采場穩(wěn)定性分析

曾佳龍，周勇，高新，賀保龍，郭虎強(qiáng)，劉瓊，王金連

(1.中藍(lán)長化工程科技有限公司， 湖南 長沙 410007； 2.湖南中礦資安工程技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410007)

0 引言

云南某礦地層由新至老主要為第四系（Q）、二疊系下統(tǒng)倒石頭組（P1d）、石炭系中統(tǒng)威寧組（C2w）、石炭系下統(tǒng)大塘組（C1d）、泥盆系上統(tǒng)宰格組（D3z）、泥盆系中統(tǒng)?？诮M（D2h）、寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組（∈1c）、筇竹寺組（∈1q)、中誼村組（∈1z)及漁戶村組（∈1y)。礦層位于寒武系下統(tǒng)中誼村組，中誼村組一段中共發(fā)育兩層礦，即上礦層和下礦層，上、下兩礦層均具有工業(yè)價(jià)值，在兩層礦間還發(fā)育有一層黏土質(zhì)頁巖夾層，即開采礦體總體分為上、下礦層及中部夾層共三層。

礦總體為一向南東緩傾斜的單斜構(gòu)造，礦層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，其產(chǎn)狀與上覆地層基本一致，礦層產(chǎn)狀一般為走向NE～SW，傾向SE，傾角一般為2°～31°，平均傾角為15°，開采范圍內(nèi)僅有局部區(qū)域傾角大于20°。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，對(duì)礦層影響不大。

由于礦體賦存特殊，即埋深淺且有兩層礦發(fā)育，同類型礦山在云南地區(qū)開采實(shí)例較少，無可提供參考借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。本文借助有限元軟件Midas-GTS及有限差分軟件FLAC3D對(duì)該磷礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬，研究分析不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的采場頂?shù)装寮暗V柱的應(yīng)力應(yīng)變情況，為科學(xué)確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)和理論支撐。

1 開采技術(shù)條件及采礦方法

礦體頂板為白云巖、含磷白云巖，裂隙發(fā)育，風(fēng)化弱，性脆易碎，巖石質(zhì)量極劣-中等，巖體破碎-中等完整，穩(wěn)定性較好；上覆巖層巖性為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，地表裂隙發(fā)育，深部不發(fā)育，巖體質(zhì)量劣-好，巖體完整性淺部差，中部較完整，穩(wěn)固性較好；底板巖層為寒武系下統(tǒng)漁戶村組白云巖、硅質(zhì)白云巖，風(fēng)化弱，性脆易碎，巖石質(zhì)量極劣-好，巖體破碎-較完整，穩(wěn)固性好。

設(shè)計(jì)開采范圍內(nèi)礦層平均厚度為12.37 m。其中，上礦層根據(jù)單工程統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，厚度為2.62～12.69 m，平均厚度為6.7 m，厚度變化系數(shù)為33%，屬穩(wěn)定類型；夾層巖性為灰白、黃色黏土，厚度為0～3.15 m，平均為1.01 m，呈不連續(xù)分布，與上、下礦層均為過渡漸變的整合接觸關(guān)系；下礦層根據(jù)單工程統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，厚度為0.34～12.77 m，平均厚度為5.67 m，厚度變化系數(shù)為36%，屬穩(wěn)定類型。

根據(jù)礦體開采技術(shù)條件以及地表環(huán)境保護(hù)的要求，設(shè)計(jì)推薦盤區(qū)式偽傾斜分段條帶充填采礦法，各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1，采礦方法見圖1。設(shè)計(jì)的回采工藝采用下行式開采順序，傾向上先開挖下層礦體，充填后再開挖上層礦體，夾層剔除 處理。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元法模型建立及模型開挖布置

以偽傾斜分段進(jìn)路采礦法一個(gè)盤區(qū)為計(jì)算模型，走向長為610 m，傾向?qū)挾葹?85 m，礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)：長×寬×高=16 m×8 m×5 m，礦房礦柱 結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。模擬計(jì)算時(shí)，礦體埋深選取220 m，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，且根據(jù)礦井資料結(jié)合現(xiàn)場情況，預(yù)計(jì)地應(yīng)力場為水平應(yīng)力為主導(dǎo)的構(gòu)造應(yīng)力場，取模型中礦體下部的初始應(yīng)力為sxx=syy=1.5szz=11.6 MPa。幾何模型如圖2所示。

表1 巖體物理力學(xué)性能參數(shù)

圖1 偽傾斜分段條帶充填采礦法三維示意

圖2 偽傾斜分段條帶采礦法采動(dòng)模擬與穩(wěn)定性分析模型

本次針對(duì)下層礦體回采過程中的應(yīng)力、位移情況進(jìn)行模擬分析。

（1）第一步驟: 先開采5個(gè)礦房；

（2）第二步驟: 充填第一步驟回采礦房并同時(shí)開采剩余礦房；

（3）第三步驟: 充填第二步驟回采礦房并同時(shí)開采5個(gè)礦柱；

（4）第四步驟: 充填第三步驟回采礦柱并同時(shí)開采剩余礦柱。

2.2 有限差分法模型建立及開挖

2.2.1 數(shù)值模型范圍及基本假定

數(shù)值模型范圍大小及單元?jiǎng)澐謱?duì)數(shù)值模擬結(jié)果的精度及可靠性有著十分重要的影響。本次模型建立進(jìn)行的簡化處理如下：

（1）將巖體視為連續(xù)均質(zhì)、各向同性的力學(xué)介質(zhì)。

（2）忽略小斷層、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面對(duì)礦體開采的影響。

（3）計(jì)算過程只對(duì)靜荷載進(jìn)行分析且不考慮巖體的流變效應(yīng)，不考慮地下水、地震和爆破振動(dòng)對(duì)采場穩(wěn)定性的影響。

（4）井下的開拓巷道、采場工程等對(duì)采空區(qū)圍巖力學(xué)狀態(tài)的影響只在局部區(qū)域，故在數(shù)值模擬中忽略其對(duì)采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布的影響。

2.2.2 原巖應(yīng)力場及邊界條件

2.2.2.1 應(yīng)力場

由于云南某礦尚未進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，并且云南某礦屬于露天轉(zhuǎn)地下礦體，埋深較淺，構(gòu)造應(yīng)力影響較小，因此結(jié)合云南某礦礦體賦存條件和礦山實(shí)際，本次模擬主要考慮自重應(yīng)力。

2.2.2.2 邊界條件

由于開挖擾動(dòng)范圍有限，較遠(yuǎn)處的巖體位移值很小，可將邊界模型處位移視為0。

此次采空區(qū)模型取為：取地表為上邊界，以X軸為法線的立面為左右界面，以Y軸為法線的立面為前后界面，以Z軸為法線的立面為上下界面。對(duì)于約束問題，為了與實(shí)際情況相符合，將模型中的上表面設(shè)為自由邊界（即真實(shí)邊界），其他5個(gè)面都施加了約束。

2.2.2.3 初始應(yīng)力場模擬結(jié)果

在地應(yīng)力生成過程中，不加任何位移速度邊界條件，而在各個(gè)表面添加應(yīng)力邊界，兩高程之間的應(yīng)力采用等差分布。程序先自動(dòng)采用彈性模型進(jìn)行求解，并增大模型的黏聚力和抗拉強(qiáng)度，直至體系達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，接著將黏聚力和抗拉強(qiáng)度重置為初始設(shè)定值進(jìn)行塑性階段的求解，直至體系最終達(dá)到力平衡狀態(tài)。經(jīng)過兩次計(jì)算循環(huán)過程后，此時(shí)，表面的應(yīng)力場己逐步擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算模型內(nèi)，可得到初始地應(yīng)力場。

本次采用Mohr Coulomb塑性體模型，盤區(qū)、采場基本參數(shù)及開挖步驟同有限元模型，模型見 圖3。

圖3 模型示意

2.3 采動(dòng)模擬及采場穩(wěn)定性分析

2.3.1 位移沉降分析

采用偽傾斜分段進(jìn)路采礦法，各步驟開采結(jié)束后礦房充填體頂部、底部的位移及變形特征情況見表2。由圖4可得出，采用偽傾斜分段進(jìn)路采礦法第四步驟開采結(jié)束后礦房充填體頂部體現(xiàn)為受壓變形，最大位移沉降量為6.95 mm；礦房充填體底部體現(xiàn)為受拉變形，最大位移變形量為3.89 mm。 同時(shí)由于充填體力學(xué)強(qiáng)度達(dá)不到原巖強(qiáng)度，最大位移分布區(qū)域分布更為明顯，受拉變形最大位移區(qū)占17.5%。

表2 各步驟開采位移沉降

圖4 第四步驟開采位移沉降

2.3.2最大主應(yīng)力分析

采用偽傾斜分段進(jìn)路采礦法各步驟開采結(jié)束后，最大主應(yīng)力在礦房開挖后重新分布，礦房充填體頂部、底部的受力情況見表3。由圖5可得出，第四步驟開采結(jié)束后最大主應(yīng)力重新分布，全部體現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為11.6 MPa。

2.3.3 最小主應(yīng)力分析

由圖6可得出，最小主應(yīng)力在回采后重新分布，已回采礦柱周圍礦房充填體所受最小主應(yīng)力大于已充填礦柱周圍礦房充填體所受最小主應(yīng)力，且最小主應(yīng)力主要體現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為7.94 MPa，局部體現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大值為0.11 MPa，最小主應(yīng)力最大值表現(xiàn)區(qū)域明顯增大。

表3 各步驟開采應(yīng)力分布

圖5 第四步驟開采最大主應(yīng)力分布

圖6 第四步驟開采最小主應(yīng)力分布

2.3.4 采動(dòng)模擬及采場穩(wěn)定性分析小結(jié)

綜合分析可知，偽傾斜分段進(jìn)路法多個(gè)采場同采時(shí)，各采場頂板主要受壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生位移變化，最大值為6.95 mm；采場底板主要受拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生位移變化，底板上鼓的最大位移為4.21 mm，隨著回采采場數(shù)目的增加，最大主應(yīng)力有增大趨勢(shì)，主要體現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為20.1 MPa，且最大值分布區(qū)域也明顯增加。同時(shí)隨回采采場數(shù)目的增加，最小主應(yīng)力也有增大趨勢(shì)，主要體現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為8.02 MPa，且最大值分布區(qū)域也明顯增加。由以上分析可知，采用偽傾斜分段進(jìn)路法開采下層礦體時(shí)，礦柱頂板及周圍區(qū)域均處于受壓狀態(tài)，并未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力小于抗壓強(qiáng)度，說明礦體采出后，采場頂板較為穩(wěn)定。但由于下層礦體直接頂板為夾層，夾層在首采區(qū)零星分布，開采過程中連通礦體一起開采，部分剔除，因此下層礦直接暴露頂板為上層礦體，通過模擬分析，位移變形和最大主應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)。另外，隨著開采采場數(shù)目的增多，各采場頂板沉降量呈增大趨勢(shì)，說明各采場開采引起的巖體擾動(dòng)會(huì)影響其他采場。采后各采場頂板最大沉降量較小，說明達(dá)到設(shè)計(jì)同采采場數(shù)目時(shí)，采場穩(wěn)定性較好。

2.4 采場參數(shù)的數(shù)值模擬研究

位移是評(píng)價(jià)地下采場穩(wěn)定最直觀的方式，通過分析模型Z方向位移變化，可直觀看出采場上下盤圍巖位移變形情況。

采用偽傾斜條帶分段充填采礦法，分段內(nèi)沿偽傾斜布置條帶，條帶寬度考慮6 m、8 m、10 m、12 m四種方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)上述理論計(jì)算的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。10 m、12 m模擬結(jié)果見圖7至圖10，其他結(jié)果省略。

圖7 10 m條帶位移計(jì)算結(jié)果圖

圖8 10 m條帶應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

圖9 12 m條帶位移計(jì)算結(jié)果圖

圖10 12 m條帶應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

由上述分析可以看出，條帶進(jìn)路寬度為6 m、8 m與10 m三者間的變化幅度相差不大，但采用條帶寬度為12 m時(shí)，由于暴露面積太大使得采場的位移與拉應(yīng)力顯著增加，計(jì)算數(shù)值是條帶寬度前 三者的兩倍以上，說明采場條帶寬度不超過10 m較好。

3 結(jié)論

基于Midas-GTS有限元分析及FLAC3D有限差分，對(duì)偽傾斜分段條帶充填采礦法在不同條帶寬度等情況下各采場頂板因受壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生位移 的變化的情況，可得出如下結(jié)論。

（1）采用偽傾斜分段進(jìn)路法開采下層礦體時(shí)，礦柱頂板及周圍區(qū)域均處于受壓狀態(tài)，并未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力小于抗壓強(qiáng)度，說明礦體采出后，采場頂板較為穩(wěn)定。但由于下層礦體直接頂板為夾層，夾層在首采區(qū)零星分布，開采過程中連通礦體一起開采，部分剔除，因此下層礦直接暴露頂板為上層礦體，通過模擬分析可知，位移變形和最大主應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)。

（2）條帶進(jìn)路寬度為6 m、8 m與10 m三者間的變化幅度相差不大，但采用條帶寬度為12 m時(shí)，由于暴露面積太大使得采場的位移與拉應(yīng)力顯著增加，計(jì)算數(shù)值是條帶寬度前三者的兩倍以上，說明采場條帶寬度不超過10 m較好。