超大采場充填體性能模擬分析研究

夏長念， 劉國棟， 范文錄(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

充填采礦法是指采用合適的材料把地下采礦形成的空間進(jìn)行回填、防止采礦引起的巖層大幅度移動的采礦方法，在充分回收資源、保護(hù)礦區(qū)的生態(tài)和環(huán)境具有重要的作用，特別是對于深井開采和極復(fù)雜礦床的開采具有重要意義[1]。隨著我國對環(huán)境保護(hù)的逐步重視，許多大型金屬礦山，包括鐵礦均在設(shè)計階段采用了充填采礦法[2]，但是充填采礦法相對崩落法而言生產(chǎn)成本較高。當(dāng)前國內(nèi)大部分充填采礦法的主要充填材料是選礦之后的尾砂，因此為了能夠有效降低生產(chǎn)成本，主要措施就是盡可能加大采場尺寸，并在保證安全的情況下減少充填體中的膠結(jié)材料。但是，由于采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要受到礦巖條件的限制，不能無限加大，這種情況下就只能從降低充填成本方面考慮，如選擇最佳的充填料漿配比，既可滿足安全生產(chǎn)的需要，又不會出現(xiàn)充填體強度過剩。因此，對于采場中充填體本身性能和所能發(fā)揮的作用進(jìn)行分析就顯得尤為重要。

2 充填體模型及參數(shù)選擇

2.1 模型的建立

依據(jù)某金屬礦設(shè)計選擇的采礦方法，在平面上將東西方向的條形礦柱劃分為40m×40m的正方形采場，中段高度為100m，其中50m設(shè)一個鑿巖分段，采用分段鑿巖爆破，底部集中出礦的方式回采。每個采場回采完畢后立即進(jìn)行充填，待其具有一定強度后，再開始回采其周邊的礦體。根據(jù)回采順序，所有采場充填之后均需要二次揭露，因此充填體應(yīng)滿足一定的強度要求。據(jù)此建立了充填體模型，長40m、寬40m、高100m，充填體模型如圖1所示。

圖1 充填體模型

2.2 充填體力學(xué)參數(shù)的確定

充填體的強度應(yīng)根據(jù)充填體試塊進(jìn)行室內(nèi)抗壓試驗確定，一般通過單軸抗壓試驗來確定充填體的承載強度，受力圖如圖2所示。

圖2 試塊抗壓試驗受力圖

根據(jù)莫爾—庫侖定律，對充填體試塊進(jìn)行單軸抗壓試驗時，充填體試塊內(nèi)部任意一點的應(yīng)力狀態(tài)可表示為

(1)

(2)

式中：σ——試塊內(nèi)部某點的正應(yīng)力；

σ1——豎向壓力；

σ3——側(cè)向圍壓；

α——破裂面與水平線夾角，α=45°+φ/2，φ為充填體試塊內(nèi)摩擦角；

τ——試塊內(nèi)部某點的切應(yīng)力。

在進(jìn)行充填體強度設(shè)計時，通常要考慮充填體單軸抗壓強度，因此圖2中圍壓σ3應(yīng)為0 。當(dāng)進(jìn)行單軸抗壓試驗時，隨著σ1的不斷增大，當(dāng)σ1達(dá)到充填體試塊強度σc時，充填體試塊發(fā)生破壞，此時的σ1則應(yīng)為充填體試塊的抗壓強度σc。同理，根據(jù)莫爾—庫倫準(zhǔn)則公式，當(dāng)充填體試塊達(dá)到破壞臨界狀態(tài)時，充填體試塊的抗壓強度可通過式(1)和式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到式(3)

(3)

式中：c——充填體試塊黏聚力，MPa。

根據(jù)式(3)，設(shè)計充填體強度分別為1MPa、1.5MPa、2MPa及2.5MPa進(jìn)行數(shù)值分析，不同強度充填體所對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 不同強度充填體力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果計算分析

采用FLAC3D有限差分程序?qū)Τ涮铙w模型進(jìn)行穩(wěn)定性計算，構(gòu)造模擬圍巖的數(shù)值模型需定義巖體性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，即本構(gòu)模型。由于計算研究范圍涉及的巖體(灰?guī)r、砂巖)、礦體、廢石膠結(jié)充填體均屬彈塑性材料，適應(yīng)于莫爾—庫侖破壞準(zhǔn)則，其力學(xué)模型為

(4)

式中：fs——屈服函數(shù)；

σ1——最大主應(yīng)力；

σ3——最小主應(yīng)力；

c——黏聚力；

φ——摩擦角。

基于以上條件，采用表1中的充填體力學(xué)參數(shù)，分別對強度為1MPa、1.5MPa、2MPa及2.5MPa充填體模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1)1MPa充填體計算結(jié)果

圖3所示為1MPa充填體在一側(cè)暴露面下的穩(wěn)定性計算結(jié)果，圖4所示為充填體在兩側(cè)均暴露下的穩(wěn)定性計算結(jié)果。從圖3可以看出，此時充填體模型在自立狀態(tài)下會發(fā)生大范圍變形，塑性區(qū)已貫通兩側(cè)，且仍處于延展態(tài)勢。從圖4可以看出兩側(cè)暴露時，模型上下兩側(cè)塑性區(qū)均發(fā)生大范圍貫通，且仍在不斷擴(kuò)大，充填體成對稱狀從兩側(cè)暴露面下垮塌變形。

圖3 一側(cè)暴露1MPa充填體模擬結(jié)果

圖4 兩側(cè)暴露1MPa充填體模擬結(jié)果

2)1.5MPa充填體計算結(jié)果

圖5所示為1.5MPa充填體在一側(cè)暴露面下的穩(wěn)定性計算結(jié)果，圖6所示為1.5MPa充填體在兩側(cè)均暴露下的穩(wěn)定性計算結(jié)果。從圖5可以看出，此時充填體模型在自立狀態(tài)下塑性區(qū)仍貫通兩側(cè)，模型發(fā)生局部變形破壞，塑性區(qū)仍處于延展態(tài)勢。從圖6可以看出，在兩側(cè)暴露面下，模型上下兩側(cè)塑性區(qū)仍發(fā)生較大范圍貫通，且仍在不斷擴(kuò)大。

圖5 一側(cè)暴露1.5MPa充填體模擬結(jié)果

圖6 兩側(cè)暴露1.5MPa充填體模擬結(jié)果

3)2MPa充填體計算結(jié)果

圖7所示為2MPa充填體在一側(cè)暴露面下的穩(wěn)定性計算結(jié)果，圖8所示為2MPa充填體在兩側(cè)均暴露下的穩(wěn)定性計算結(jié)果。從圖7可以看出，此時充填體模型在自立狀態(tài)下塑性區(qū)貫通兩側(cè)，塑性區(qū)仍從暴露面一側(cè)下角沿斜線擴(kuò)展并貫通充填體，但并沒產(chǎn)生最終塑性區(qū)域，且模型整體沒有發(fā)生太大的變形。從圖8可以看出，在兩側(cè)暴露面下，模型下部兩側(cè)塑性區(qū)仍相互貫通。

圖7 一側(cè)暴露2MPa充填體模擬結(jié)果

圖8 兩側(cè)暴露2MPa充填體模擬結(jié)果

4)2.5MPa充填體計算結(jié)果

在進(jìn)行充填體強度設(shè)計時，充填體強度應(yīng)該留有富余，以抵抗其他荷載的影響。雖然強度為2MPa充填體可以維持自穩(wěn)，但由于歷史塑性區(qū)已貫通充填體兩側(cè)，充填體基本處于臨界破壞狀態(tài)，因此，對2.5MPa的充填體進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。圖9和圖10分別為2.5MPa充填體在一側(cè)暴露面下及兩側(cè)均暴露下的穩(wěn)定性計算結(jié)果。從圖9可以看出，一側(cè)暴露面下，2.5MPa強度的充填體模型歷史塑性區(qū)只在暴露面一側(cè)右下角小部分區(qū)域產(chǎn)生，表明充填體穩(wěn)定性很好。從圖10可以看出，在兩側(cè)暴露面下，2.5MPa充填體模型下部兩側(cè)歷史塑性區(qū)仍相互貫通，但塑性區(qū)域相較于2MPa充填體要小很多，而且并無最終塑性區(qū)產(chǎn)生。

圖9 一側(cè)暴露2.5MPa充填體模擬結(jié)果

圖10 兩側(cè)暴露2.5MPa充填體模擬結(jié)果

5)2.5MPa充填體上部加載計算結(jié)果

對2.5MPa強度的充填體上部進(jìn)行加載，充填體一側(cè)暴露時，在上部分別加載0.5MPa及1MPa荷載后，充填體穩(wěn)定性結(jié)果如圖11和圖12所示。從圖11中可看出，在0.5MPa荷載作用下，充填體產(chǎn)生小部分最終塑性區(qū)，但仍能維持自穩(wěn)。在上部加載1MPa荷載時，如圖12所示，充填體發(fā)生大范圍的塑性變形，充填體將發(fā)生破壞。

圖11 上部加載0.5MPa荷載

圖12 上部加載1MPa荷載

4 結(jié)論

通過對充填體建立模型和穩(wěn)定性分析可得出：

(1)在本次模擬條件下，當(dāng)充填體的抗壓強度達(dá)到2MPa時，40m×40m×100m(長×寬×高)充填體基本能實現(xiàn)自立穩(wěn)定。

(2)根據(jù)分析結(jié)果，將充填體從上到下分為3個部分，上部高度30m，中部高度40m，下部高度30m。通過分析可知，上部強度達(dá)到1.5MPa、中部強度達(dá)到2.5MPa時可以滿足中上部充填體的自立穩(wěn)定性要求。

(3)通過對強度為2.5MPa的充填體在頂部受壓的情況下穩(wěn)定性情況分析顯示，上部承受0.5MPa的壓力時，基本上可以保持穩(wěn)定，當(dāng)上部壓力增至1MPa時，充填體將會發(fā)生大范圍的塑性變形。

(4)結(jié)合上述模擬分析結(jié)果和國內(nèi)外礦山實際生產(chǎn)中充填體強度可知，由于充填體強度較低，在周邊沒有約束的情況下，其承受上部壓力的能力有限，因此在極厚大礦體開采中，不能僅靠充填體支撐上部圍巖的變形壓力，必須從回采順序出發(fā)充分發(fā)揮上部礦巖的自身穩(wěn)定性。

(5)通過本次分析可知，充填體不能用于承受上部圍巖的壓力，其主要作用應(yīng)是充填空區(qū)，避免采場周邊巖體出現(xiàn)局部垮塌。