大直徑深孔階段空場嗣后充填采場穩(wěn)定性研究

徐偉蘭，孫 飛，何維劍

(1.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160；2.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 161416)

大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)較大，對礦山開采的采場穩(wěn)定性提出了更進一步的要求。一方面需要定量分析采場工藝參數(shù)是否能滿足開采期的要求，另一方面需要圈定開采結(jié)束后地表巖移范圍，進而確定地表有沒有受影響的工業(yè)場地、建構(gòu)筑物等。

眾多學(xué)者開展了對充填采礦穩(wěn)定性的研究，尤其是對于充填采礦的應(yīng)力重新分布[1]、大空間充填采礦采場穩(wěn)定性[2-4]、充填體的強度穩(wěn)定性實驗[5-7]、充填法采礦圍巖穩(wěn)定性研究[8-9]、地表移動帶圈定研究[10]等方面做了較多的研究工作。研究工作主要側(cè)重于充填法采礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及采礦引起的圍巖失穩(wěn)等。本文根據(jù)大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦穩(wěn)定性的要求，主要從采場礦柱穩(wěn)定性、礦房充填體穩(wěn)定性及充填體整體充填效果穩(wěn)定性三個方面進行研究工作。

1 工程概況

某銅礦地下開采礦體賦存標高+494～-180 m，礦帶走向310°～325°，傾向SW，傾角60°～66°。礦體上下盤圍巖主要為花崗閃長巖，礦體厚度較大，采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法回采。采場垂直礦體走向布置，寬27 m，采場內(nèi)劃分礦房和礦柱，礦房寬12 m，礦柱寬15 m，長視礦體厚度而定。

圖1為穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析主要論述對象空間位置關(guān)系圖。礦體及圍巖巖石主要有花崗閃長巖、更長花崗巖、安山巖、凝灰質(zhì)砂巖。巖石致密堅硬、抗壓、抗拉、抗剪強度大，內(nèi)摩擦角大，巖石工程體質(zhì)條件好，穩(wěn)定性較強。表1為主要礦巖物理力學(xué)性質(zhì)。

圖1 穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析主要論述對象空間位置關(guān)系圖Fig.1 The main evaluation object spatial position

表1 主要礦巖物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of main rock mass

2 采場穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)

2.1 基本假定

巖體中含有大量的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面把巖體切割成大量結(jié)構(gòu)體，巖體實際上是由大量不連續(xù)的結(jié)構(gòu)體所組成。通過巖體質(zhì)量評價并進行巖石物理力學(xué)參數(shù)折減后，可以把巖體看作連續(xù)介質(zhì)。穩(wěn)定性模擬分析中，僅考慮礦山地應(yīng)力和重力的靜力學(xué)作用，忽略地震、爆破振動和氣-水-熱等滲流場因素對巖體和充填體穩(wěn)定性的影響，并認為巖體和充填體均服從摩爾-庫倫破壞準則。

2.2 構(gòu)建有限元計算模型

依據(jù)礦體空間位置關(guān)系、礦體開采設(shè)計方案，明確各穩(wěn)定性影響因素的相互空間關(guān)系及邏輯關(guān)系，實現(xiàn)礦體開采的全過程仿真模擬。在全三維仿真模型的基礎(chǔ)上，采用有限元巖土力學(xué)分析方法，對全三維仿真模型進行物理學(xué)力學(xué)行為模擬，進一步完成全三維仿真有限元計算模型的構(gòu)建，實現(xiàn)礦體開采的全過程力學(xué)行為模擬。模型如圖2、圖3 所示。

圖2 全三維仿真及有限元計算模型(1)Fig.2 Layout of 3D simulation and finite element calculation model(1)

圖3 全三維仿真及有限元計算模型(2)Fig.3 Layout of 3D simulation and finite element calculation model(2)

模型地表范圍-900 m×2 000 m×2 000 m，主要劃分為地表第四系、風化花崗巖、花崗巖圍巖及礦體。全三維有限元計算模型范圍同全三維仿真模型，按照有限元劃分規(guī)則將開采過程中的礦體進一步劃分為礦房(12 m×礦體厚度×60 m)、礦柱(15 m×礦體厚度×60 m)及充填體(尺寸同礦房、礦柱)。

在有限元網(wǎng)格劃分完成之后，界定不同巖性的物理力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、黏聚力、膨脹角以及本構(gòu)模型等；對模型添加邊界條件；再對模型進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果，借助三維可視化的功能直觀對礦柱、充填體和圍巖的應(yīng)力狀態(tài)以及位移變化進行分析，從而論述采場結(jié)構(gòu)及充填體整體的穩(wěn)定性狀態(tài)。

3 采場穩(wěn)定性分析

選取13號235～295 m礦體進行大直徑深孔階段空場嗣后充填法的模擬開采，將礦體數(shù)值模擬部位共劃分5個礦房、4個礦柱。分析區(qū)西側(cè)及以上各中段已經(jīng)充填完畢、分析區(qū)東側(cè)及以下各中段還未開采。采場結(jié)構(gòu)及開采順序圖見圖4。

圖4 采場結(jié)構(gòu)及開采順序圖Fig.4 Diagram of stope structure and mining sequence

3.1 采場礦柱穩(wěn)定性分析

按照開采方案，以礦房1、3、5進行開采來論述礦柱的穩(wěn)定性。

1)豎向應(yīng)力狀態(tài)

通過模擬計算后，獲得礦房1、3、5開采后礦柱所承受的豎向應(yīng)力狀態(tài)，圖5為礦柱所承受豎向應(yīng)力情況。由圖5可知，礦柱內(nèi)部主要受到壓應(yīng)力作用，數(shù)值范圍為(+1.194 67e1～-9.142 82e3 kPa)，其值均小于礦柱本身抗壓強度(124e3 kPa)，故其穩(wěn)定性較好。

圖5 礦房回采后應(yīng)力狀態(tài)云圖(Z豎向應(yīng)力)Fig.5 Cloudy map of stress state after stop mining(Z vertical stress)

2)位移分析

通過模擬計算后，可獲得礦房1、3、5開采后礦柱所產(chǎn)生的豎向位移狀態(tài)，圖6為礦柱豎向位移情況。由圖6可知，礦柱頂部主要產(chǎn)生下沉現(xiàn)象，數(shù)值范圍為(-3.194 58e-5～-6.241 47e-4 m)；礦柱底部受壓力左右存在底部上鼓現(xiàn)象，數(shù)值范圍為(+6.675 45e-5～+5.602 56e-4 m)。位移量均較小，在可控范圍內(nèi)，故其穩(wěn)定性較好。

圖6 礦房回采后位移狀態(tài)云圖(Z豎向位移)Fig.6 Cloudy map of displacement status after stop mining(Z vertical displacement)

3)塑性區(qū)分析

通過模擬計算后，可以獲得礦房1、3、5開采后礦柱塑性變化情況(圖7)，由圖7可知，礦柱無塑性應(yīng)變，故其穩(wěn)定性較好。

圖7 礦房回采后塑性區(qū)狀態(tài)云圖Fig.7 Cloudy map of plastic zone after stop mining

3.2 礦房充填體穩(wěn)定性分析

礦房回采結(jié)束后，采用全尾砂膠結(jié)充填，再進行礦柱的回采。礦房回采、充填模擬結(jié)束后，進行礦柱1、3的回采，根據(jù)礦柱回采方案來論述礦房充填體的穩(wěn)定性。

1)豎向應(yīng)力分析

通過模擬計算后，可獲得礦柱開采后充填體所承受豎向應(yīng)力狀態(tài)，圖8為充填體1所承受豎向應(yīng)力情況。由圖8可知，充填體內(nèi)部主要受到壓應(yīng)力作用，數(shù)值范圍為(+5.117 37e1～-9.479 45e1 kPa)，其值均小于礦柱本身抗壓強度(1.5～2.0e3 kPa)，故其穩(wěn)定性較好。

圖8 礦柱回采后充填體應(yīng)力狀態(tài)云圖(Z豎向應(yīng)力)Fig.8 Cloudy map of stress state of backfill after pillar mining(Z vertical stress)

2)位移分析

通過模擬計算后，可獲得礦柱開采后充填體所產(chǎn)生的豎向位移，圖9為充填體豎向位移情況。由圖9可知，充填體由于自身存在較大的孔隙比，充填體初始凝固后仍然出現(xiàn)充填體中間部位下沉現(xiàn)象、充填體周邊受內(nèi)部擠壓部分位置出現(xiàn)上移現(xiàn)象，數(shù)值范圍為(+1.424 57e-3～-9.757 54e-3 m)。其位移量均較小，在可控范圍內(nèi)，故充填體穩(wěn)定性較好。

圖9 礦房回采后充填體位移狀態(tài)云圖(Z豎向位移)Fig.9 Cloudy map of backfill body movement after stop mining(Z vertical displacement)

3)塑性區(qū)分析

通過模擬計算后，可以獲得礦柱回采后充填體塑性變化情況(圖10)，由圖10可知，充填體無塑性應(yīng)變，故其穩(wěn)定性較好。

圖10 礦柱回采后充填體塑性區(qū)狀態(tài)云圖Fig.10 Cloudy map of plastic zone of backfill body after pillar mining

通過對大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，認為采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)及其開采順序在安全上是可行的。

3.3 充填體整體充填效果穩(wěn)定性分析

通過開采數(shù)值模擬分析，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及開采順序均能滿足安全性要求，但由于地表有排土場及其擋水壩，需要對充填體整體充填效果的穩(wěn)定性進行分析。

對礦山整個壽命期的礦體開采—充填進行數(shù)值模擬，得到礦山壽命期結(jié)束時的圍巖位移變化情況，如圖11所示。由圖11可知，礦山在開采壽命期內(nèi)地表沉降位移范圍為-1.250 00e-2～0 m；圖11為礦山壽命期位移范圍三維展示，圖中位移大于1 cm的區(qū)域為地表錯動范圍。

圖11 礦山壽命期位移變化云圖Fig.11 Cloudy map of mine lifetime displacement change

將礦山壽命期地表位移云圖與礦山設(shè)計總平面布置圖進行貼合對比，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，地下開采可能對地表排土場及其擋水壩產(chǎn)生影響。

圖12 礦山地表位移云圖與總平面布置貼合圖Fig.12 Joint figure of mine surface displacement cloudy map and the general layout

根據(jù)《采礦設(shè)計手冊》中地表建構(gòu)筑物的保護限值要求(表2)，論述對象的地表位移的數(shù)值模擬計算值，如表3 所示。

表2 地表建構(gòu)筑物保護參數(shù)表Table 2 Structural protection parameters table

表3 數(shù)值模擬計算結(jié)果表Table 3 Numerical simulation results table

由表2、表3可知，礦區(qū)地表移動帶最大變形值除最小曲率半徑在“三”級保護范圍最大允許變形限值以下，其他變形值都在“一”級保護范圍最大允許變形限值以下。而礦山的排土場及其擋水壩對采動不敏感、能經(jīng)受較大變形，為加強維修即可使用的建筑物。因此，該礦山地下開采對地表建構(gòu)筑物均影響不大，不會產(chǎn)生破壞性影響。

4 結(jié)論

通過對大直徑深孔階段空場嗣后充填的采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及充填體效果穩(wěn)定性分析，認為采礦方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)及開采順序在安全上是可行的，地下開采后及時充填不會對地表建構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞性影響。

通過對采場穩(wěn)定性和充填體作用效果進行數(shù)值模擬計算及論述，一方面驗證了采場參數(shù)及回采順序能滿足安全的需求，以便于為礦山的安全生產(chǎn)提供強有力的依據(jù)；另一方面通過對充填體穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析，驗證了有需要保護的建構(gòu)筑物在地表巖石移動范圍內(nèi)，可進一步優(yōu)化充填體強度要求和充填料配比，在保證開采安全的前提下，降低礦山生產(chǎn)成本。