礦柱—充填體系統(tǒng)協(xié)同作用機(jī)制研究

洪 偉 孫光華 梁世波

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063200；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；3.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063200；4.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北唐山063200）

在“三下”開采過(guò)程中，為確保地表安全，一些地下礦山采用點(diǎn)柱式充填開采技術(shù)阻止地表產(chǎn)生沉降變形，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效地回采。采用預(yù)留礦柱與膠結(jié)充填體共同作用方式支撐頂板圍巖的過(guò)程，其本質(zhì)是礦柱與充填體二者相互作用、協(xié)同承載的過(guò)程。

近年來(lái)，眾多學(xué)者針對(duì)采空區(qū)預(yù)留礦柱的承載破壞機(jī)制開展了大量研究［1-3］，張傳慶等［4］綜合采用CT掃描、高速攝像、聲發(fā)射及掃描電鏡等手段，分析了隱晶質(zhì)玄武巖的變形破壞特征、裂紋擴(kuò)展及聲發(fā)射演化規(guī)律，并探究了其細(xì)觀破壞機(jī)制；薛凱喜等［5］借助FLAC3D有限差分軟件研究了在無(wú)側(cè)限、單面?zhèn)认?、鄰面?zhèn)认薜葪l件下均質(zhì)大理巖的單軸壓縮特征，總結(jié)出側(cè)限對(duì)巖石單軸壓縮性能的影響規(guī)律。隨著充填開采工藝的不斷推廣應(yīng)用，充填體對(duì)采空區(qū)的支撐作用機(jī)理備受關(guān)注，眾多學(xué)者對(duì)充填體力學(xué)特性做了大量研究［6-10］。汪杰等［11］利用損傷力學(xué)理論，考慮分層效應(yīng)，開展了不同分層充填體力學(xué)特征試驗(yàn)，建立了充填體損傷演化本構(gòu)模型；李利平等［12］開展了賦存環(huán)境下充填介質(zhì)滲透特征試驗(yàn)研究，揭示了充填體穩(wěn)定性和滲透性的變化規(guī)律。除此之外，學(xué)者們也嘗試以礦柱—充填體系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其承載機(jī)制進(jìn)行研究［13-16］。葉洪濤等［17］開展了側(cè)限條件下礦柱—充填體系統(tǒng)壓縮試驗(yàn)，通過(guò)內(nèi)置應(yīng)變片的方法得到礦柱與充填體承載過(guò)程中交替承載的規(guī)律，并應(yīng)用RFPA2D軟件對(duì)礦柱—膠結(jié)充填系統(tǒng)細(xì)—宏觀跨尺度破壞機(jī)制做了初步探討；王明旭［18］以損傷力學(xué)和分形理論為基礎(chǔ)，對(duì)不同配比的充填體礦巖系統(tǒng)的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究。上述研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但是目前對(duì)礦柱—充填體的承載機(jī)制仍然認(rèn)識(shí)不清，尤其是對(duì)系統(tǒng)承載過(guò)程中，礦柱與充填體之間的協(xié)同承載機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。

本研究針對(duì)充填體與礦柱的協(xié)同承載關(guān)系，利用FlAC3D軟件構(gòu)建礦柱—充填體系統(tǒng)力學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)承載過(guò)程的模擬，探究礦柱和充填體之間的協(xié)同作用關(guān)系，對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)礦柱—充填體系統(tǒng)協(xié)同承載的理論研究有一定的借鑒意義。

1 礦柱—充填體系統(tǒng)數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 力學(xué)模型構(gòu)建

針對(duì)點(diǎn)柱式充填開采工藝，利用FLAC3D軟件構(gòu)建礦柱—充填體系統(tǒng)力學(xué)模型（圖1）。其中，礦柱尺寸為φ=50 mm，h=100 mm，充填體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為200 mm×200 mm×100 mm。該系統(tǒng)模型共劃分為168 351個(gè)節(jié)點(diǎn)，165 000個(gè)單元，模型在軸向（Z軸方向）的兩個(gè)端面設(shè)為自由邊界條件，其余各面均設(shè)置固定位移邊界條件。為直觀體現(xiàn)充填體對(duì)礦柱的作用效果，另建立單一礦柱單軸加載數(shù)值力學(xué)模型（圖2），礦柱尺寸φ=50 mm，h=100 mm。為深入分析礦柱、充填體之間的協(xié)同作用關(guān)系，從礦柱—充填體系統(tǒng)上表面起在模型Z方向上每隔25 mm設(shè)置切平面，在該平面上分別在礦柱上取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，充填體上取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，礦柱與充填體接觸帶取2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在單軸加載的礦柱模型中部左右兩側(cè)各取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來(lái)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)在加載過(guò)程中的應(yīng)力、位移變化，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面如圖3所示。

1.2 力學(xué)參數(shù)設(shè)定

本研究采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則作為數(shù)值模擬的礦柱—充填體系統(tǒng)破壞準(zhǔn)則。利用FLAC3D軟件設(shè)計(jì)單軸壓縮模擬試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)其基本力學(xué)參數(shù)，使其單軸強(qiáng)度處于合理范圍內(nèi)，并結(jié)合文獻(xiàn)［19］最終確定出礦柱和充填體的力學(xué)參數(shù)，見表1。

材料的體積模量K、剪切模量G可通過(guò)材料的彈性模量E以及泊松比μ進(jìn)行反演，公式分別為

在該模型頂面施加軸向荷載，采用沿軸向的等位移方式進(jìn)行加載，加載速率為1.5×10-6m/步。

2 結(jié)果分析

2.1 充填體作用效果分析

為深入探討充填體的作用效果，分別提取有無(wú)充填體包裹下系統(tǒng)的軸向應(yīng)力—加載步曲線（圖4）和監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑向位移—加載步曲線（圖5），所取監(jiān)測(cè)點(diǎn)為礦柱中部?jī)蓚?cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖3（b））。結(jié)合圖4和圖5分析可知：在礦柱—充填體系統(tǒng)中，礦柱軸向承載力峰值較單軸承載峰值提高了34%，在峰值應(yīng)力后，礦柱軸向承載力迅速下降，但充填體的存在使其承載力再次上升并超過(guò)其原有峰值強(qiáng)度，而單軸壓縮下礦柱承載力逐漸降低。通過(guò)比較兩種模型相同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的徑向位移發(fā)現(xiàn)，有充填體包裹下的礦柱位移絕對(duì)值一直低于無(wú)充填體包裹的礦柱，由于二者模型高度相同，進(jìn)而可以得出徑向應(yīng)變?chǔ)庞谐涮铙w＜ε無(wú)充填體。

由此可見，雖然充填體強(qiáng)度很低，但其作用效果非常顯著。在充填體作用下，礦柱的承載能力被極大地激發(fā)，礦柱強(qiáng)度和峰值后行為都發(fā)生了顯著改變。此外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，充填體對(duì)于改善礦柱承載作用也非常明顯［20］。

2.2 礦柱—充填體系統(tǒng)協(xié)同關(guān)系分析

2.2.1 系統(tǒng)整體上協(xié)同關(guān)系分析

為探究系統(tǒng)整體承載過(guò)程中礦柱和充填體的作用關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到了礦柱—充填體系統(tǒng)的應(yīng)力—加載步數(shù)曲線、礦柱應(yīng)力—加載步數(shù)曲線及充填體應(yīng)力—加載步數(shù)曲線（圖6）。根據(jù)圖6，可將礦柱—充填體系統(tǒng)加載變形破壞過(guò)程分為3個(gè)階段，即礦柱主要承載階段、礦柱破壞階段、破壞礦柱和充填體共同承載階段。各階段礦柱—充填體系統(tǒng)特征如表2所示。

20世紀(jì)80年代，BRADY等［21］初步分析了礦柱和充填體的作用關(guān)系，總結(jié)出充填體對(duì)礦柱的支撐作用主要包括位移約束作用、被動(dòng)抗力作用及總體支護(hù)作用。本研究在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)承載過(guò)程中礦柱—充填體的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析。礦柱在到達(dá)峰值強(qiáng)度前，充填體支撐作用主要體現(xiàn)為總體支護(hù)作用，礦柱和充填體應(yīng)力同時(shí)上升，但礦柱應(yīng)力遠(yuǎn)大于充填體，本質(zhì)上是二者彈性模量的差異致使礦柱成為主要承載體；位于階段Ⅱ時(shí)，礦柱承載力達(dá)到峰值開始下降，但充填體由于自身存在承載強(qiáng)度，其承載力仍不斷上升，結(jié)合圖5和圖6分析發(fā)現(xiàn)，該階段礦柱徑向位移相對(duì)較小，故充填體作用主要體現(xiàn)為被動(dòng)抗力作用；位于階段Ⅲ時(shí)，礦柱徑向膨脹受到充填體擠壓作用承載能力改善顯著，充填體位移約束作用更加突出，礦柱對(duì)充填體的反作用力使得破壞后的礦柱承載能力進(jìn)一步增強(qiáng)，二者以共同承載的方式維持系統(tǒng)的承載能力。

2.2.2 系統(tǒng)不同部位單元體協(xié)同關(guān)系分析

為了進(jìn)一步分析礦柱和充填體的協(xié)同作用關(guān)系，從系統(tǒng)不同部位選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)礦柱—充填體系統(tǒng)展開分析。由于該模型具有對(duì)稱性，取礦柱中軸線左半部分的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，取模型頂面高度為100 mm，高度向下依次遞減。此外，高度為25 mm處與高度為75 mm處應(yīng)力—加載步數(shù)曲線基本相同，不再贅述。結(jié)合圖7系統(tǒng)應(yīng)力—加載步數(shù)曲線，本研究進(jìn)行了如下分析：

（1）h=75 mm各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力—加載步數(shù)特性。當(dāng)高度為75 mm時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于礦柱—充填體系統(tǒng)內(nèi)部。在該平面內(nèi)加載初始階段，礦柱和充填體接觸帶處監(jiān)測(cè)點(diǎn)事先具有應(yīng)力，同時(shí)充填體監(jiān)測(cè)點(diǎn)承載力逐漸上升，但處于較低水平。當(dāng)?shù)V柱和充填體接觸帶處應(yīng)力曲線趨于平緩時(shí)，礦柱應(yīng)力曲線急劇增長(zhǎng)，彌補(bǔ)了該平面整體的承載能力。當(dāng)?shù)V柱應(yīng)力曲線達(dá)到第一個(gè)峰值時(shí)，接觸帶處應(yīng)力值處于平穩(wěn)階段的最低值，隨后礦柱曲線驟降，但充填體及接觸帶處維持了該平面承載力。此后接觸帶應(yīng)力一直呈上升趨勢(shì)，礦柱應(yīng)力出現(xiàn)多次峰值且波動(dòng)幅度較大，表明礦柱在該平面破壞過(guò)程較為劇烈。其中礦柱最大峰值強(qiáng)度達(dá)到66 MPa，充填體在礦柱的擠壓作用下，軸向應(yīng)力一直在不斷提高。

（2）h=50 mm各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力—加載步數(shù)特性。該位置為模型的中間部位，加載初始階段的承載依然主要由礦柱和充填體接觸帶處承擔(dān)。充填體應(yīng)力曲線相對(duì)于75 mm高度處幾乎無(wú)較大變化，曲線近似呈直線，處于彈性變形階段，而接觸帶處經(jīng)過(guò)彈性變形后率先進(jìn)入塑性變形階段。在接觸帶處應(yīng)力第一次達(dá)到峰值開始下降后，礦柱應(yīng)力迅速上升來(lái)維持該平面的整體承載力，此后二者曲線呈此降彼長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明礦柱與充填體具有良好的協(xié)同承載作用。該平面內(nèi)礦柱應(yīng)力曲線波動(dòng)相對(duì)較小，在整個(gè)過(guò)程中基本處于彈性范圍內(nèi)，說(shuō)明礦柱在該位置未發(fā)生塑性破壞。正是由于礦柱和充填體處于彈性變形范圍才使得該平面具有較好的承載能力。

綜上所述：充填體內(nèi)的單元體承載力一直呈上升趨勢(shì)，與充填體整體表征相一致。在礦柱高度的1/2處，充填體與礦柱具有明顯的協(xié)同承載機(jī)制。此外，在h=75 mm位置的充填體及礦柱的應(yīng)力狀態(tài)明顯高于h=50 mm位置，為此可在充填區(qū)域不同高度處設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度，以降低充填成本。

3 結(jié) 論

本研究針對(duì)礦山點(diǎn)柱式充填開采工藝，利用FLAC3D軟件模擬分析了礦柱—充填體系統(tǒng)承載過(guò)程，并綜合分析了礦柱和充填體的協(xié)同作用關(guān)系及其承載機(jī)制，得到以下結(jié)論：

（1）充填體對(duì)礦柱存在4種作用效果，即提高礦柱峰值強(qiáng)度、限制礦柱徑向位移、延緩礦柱破壞、加強(qiáng)破壞礦柱承載能力。在礦柱—充填體系統(tǒng)中，相對(duì)于礦柱單軸承載而言，在充填體包裹下的礦柱峰值強(qiáng)度提高了34%。

（2）礦柱—充填體系統(tǒng)在整個(gè)承載期間，礦柱在到達(dá)峰值強(qiáng)度前，充填體支撐作用主要體現(xiàn)為總體支護(hù)作用，二者彈性模量的差異是使礦柱成為該階段主要承載體的本質(zhì)原因；在礦柱破壞階段，充填體作用主要體現(xiàn)為被動(dòng)抗力作用；在破壞礦柱和充填體共同承載階段，礦柱徑向膨脹受到充填體擠壓約束使其承載力得到提高，充填體的位移約束作用更加突出，二者以共同承載的方式維持系統(tǒng)承載能力。

（3）在礦柱—充填體系統(tǒng)中部礦柱與充填體之間具有明顯的協(xié)同承載機(jī)制，即在礦柱—充填體系統(tǒng)承載過(guò)程中，二者相互作用、協(xié)同承載，從而維持了該平面的整體承載能力。系統(tǒng)高度h=75 mm位置的充填體及礦柱應(yīng)力狀態(tài)明顯高于h=50 mm位置，可為礦山分層充填優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。