充填假頂下采場穩(wěn)定性分析及回采順序優(yōu)化研究

賈住平，王堃，王能躍

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州 貴陽 550023；2.北京科技大學(xué)， 北京 100083；3.貴州錦豐礦業(yè)有限公司， 貴州 黔西南州 562204)

0 引言

上向進(jìn)路式水平分層膠結(jié)充填采礦法以其生產(chǎn)能力強(qiáng)、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)，在破碎、難采、高價(jià)值礦體的開采中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。錦豐金礦采用該采礦方法結(jié)合無軌機(jī)械化采掘，伴有巷道尺寸較大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、風(fēng)化作用強(qiáng)烈、巖體強(qiáng)度較低以及自穩(wěn)能力差等較多不良條件，深部回采進(jìn)路中，底鼓、片幫及冒落等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象嚴(yán)重。另外，錦豐金礦地應(yīng)力測量研究[1]表明：隨著開采深度的增加，水平最大主應(yīng)力顯著增大，已達(dá)到垂直應(yīng)力的1.5倍以上，充填假頂下采礦進(jìn)路穩(wěn)定性問題愈發(fā)突出。

目前，運(yùn)用數(shù)值模擬對巷道、采空區(qū)構(gòu)建無限接近現(xiàn)場的理論模型，能較好的對巷道和采空區(qū)穩(wěn)定性做分析研究，具有經(jīng)濟(jì)高效、操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。劉曉明、羅周全等[2]提出將Surpac與Phase2耦合構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對冬瓜山銅礦采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析；韓斌等[3]采用FLAC軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對金川二礦區(qū)多中段機(jī)械化盤區(qū)回采順序的優(yōu)化。此外，還有許多國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用各類數(shù)值模擬軟件針對礦山實(shí)際問題作了大量的研究。

由加拿大Rocscience公司開發(fā)Phase2軟件是一個(gè)專門模擬地下巖體開挖工程的應(yīng)力及應(yīng)變的二維有限元軟件。與其他數(shù)值模擬軟件相比，該軟件具有建模簡單、網(wǎng)格劃分容易和后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，尤其可以模擬礦體的開采以及開采后對周圍巖體及巷道工程的影響，優(yōu)化回采順序，分析巷道、采空區(qū)穩(wěn)定狀況[4-7]。針對錦豐金礦 230中段充填假頂下采礦進(jìn)路穩(wěn)定性問題，本文運(yùn)用Phase2軟件開展對該中段巷道穩(wěn)定性分析與評價(jià)，分別模擬從西到東、從兩邊到中間及從中間到兩邊的回采順序?qū)ο锏婪€(wěn)定性的影響，為今后同類礦山的回采順序的選擇提供參考依據(jù)。

1 工程概況

貴州錦豐金礦位于黔西南貞豐縣境內(nèi)，屬于典型的斷控型卡林金礦，其礦床規(guī)模為超大型，礦體主要賦存于控礦斷層F3、F2及F6斷層破碎帶內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)出露地層主要有中三疊統(tǒng)邊陽組（T2by）、尼羅組（T2nl）和許滿組（T2xm），邊陽組以灰色薄至中厚層狀、厚層狀（少許塊狀）細(xì)砂巖、粉砂巖、雜砂巖為主，夾灰色薄至中厚層狀粘土巖，是礦區(qū)的主要賦礦地層。礦體走向長約 1100 m，寬12 m～60 m，垂向延伸超過1000 m，礦體傾角較陡，為48°～86°。貴州錦豐地下礦采用斜坡道開拓，上向分層膠結(jié)進(jìn)路式采礦，按垂高60 m劃分為一個(gè)中段，垂高20 m劃分為一個(gè)分段，采礦進(jìn)路斷面尺寸為4.5 m×5.0 m。

當(dāng)回采到230W2#采場第 4層礦體時(shí)，其上方為250 m中段采場充填假底，且該采場上方從240 m水平以上至350 m水平均為充填體。膠結(jié)充填采用人工砂+尾砂按照1:4進(jìn)行混合添加適量水泥進(jìn)行，分為打底充填部分和接頂充填部分，打底充填體強(qiáng)度為3 MPa，厚3.0 m，接頂充填體強(qiáng)度為0.85 MPa，厚1.5 m。該采場礦體長約90 m，寬約30 m，巷道布置為垂向布置，即與礦體走向及上層充填假頂走向相垂直（見圖1）。

圖1 230W2#采場平面布置

由于該采場礦體較長，上方均為充填體，為確保采礦安全，需對該采場巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評估。本文主要采用 Phase2軟件對其不同回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬，對不同回采順序下的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評估，以確定最佳回采順序。

2 力學(xué)參數(shù)及模型建立

2.1 力學(xué)參數(shù)

根據(jù) 230W2#采場圍巖性質(zhì)、礦體性質(zhì)及上方充填體情況，確定參與數(shù)值模擬的介質(zhì)為4種，分別為圍巖、礦體、打底充填體（水泥摻量為20%）、普通充填體（水泥摻量為 10.5%），其力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 邊界條件及地應(yīng)力

力學(xué)模型邊界條件均采用位移約束，對模型左右兩邊及底部進(jìn)行約束，頂部通向地表，設(shè)為自由邊界[8-9]。根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果，230W2#采場埋深約400 m，選擇埋深400 m時(shí)地應(yīng)力值，其中最大主應(yīng)力為10.6 MPa，傾角為9°，最小水平主應(yīng)力為5.5 MPa，垂直應(yīng)力為8.5 MPa，詳見表2。

2.3 力學(xué)模型

根據(jù) 230W2#采場布置及上方充填情況，采場巷道尺寸為4.5 m×5 m，共15個(gè)采場，上方打底充填體厚度為3 m，普通充填體厚度為57 m，充填體總厚60 m。本次研究介質(zhì)假設(shè)為彈塑性材料，選用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，建立力學(xué)模型，如圖2所示。

表1 力學(xué)參數(shù)

表2 230W2#采場地應(yīng)力參數(shù)

3 不同回采順序巷道穩(wěn)定性分析

本次研究從巷道穩(wěn)定性、采礦效率、可操作性等多方面進(jìn)行綜合評估，以確定最佳回采順序，回采順序按照3種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分別為：方案一，從西向東單向回采；方案二，從中間向兩邊同時(shí)回采；方案三，從兩邊向中間同時(shí)回采。

圖2 230W2#采場數(shù)值計(jì)算模型

3.1 穩(wěn)定性分析

利用Phase2建立計(jì)算模型，從巷道變形量、應(yīng)力分布、圍巖強(qiáng)度系數(shù)及屈服情況進(jìn)行整體評估。

采用從西往東（或從東往西）單向順序開采時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：位移最大區(qū)域出現(xiàn)在充填體與圍巖交界處，采場進(jìn)路頂板位移量較小，最大位移量出現(xiàn)在回采第13條進(jìn)路時(shí)的右上角區(qū)域，為12.5 mm；當(dāng)回采到第13條采礦進(jìn)路時(shí)，采場上方充填體達(dá)到位移最大值為 20 mm，強(qiáng)度系數(shù)最小值為1.26，最大主應(yīng)力為22.5 MPa，出現(xiàn)在最后一條進(jìn)路回采后右下方區(qū)域。從模擬結(jié)果來看，除局部單元發(fā)生剪切或拉伸破壞外，按照該回采順序開采，進(jìn)路整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。為便于展示，僅羅列部分典型采場位移變化趨勢，見表3。

表3 方案一的從西向東單向回采位移量變化趨勢

從中間向兩邊同時(shí)回采時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：位移最大區(qū)域發(fā)生在充填體與圍巖交界處，最大位移量為20 mm，出現(xiàn)在步驟7中同時(shí)回采2、14號采場時(shí)。頂板位移量較從西往東單向開采時(shí)大，為14.5 mm，發(fā)生在步驟6回采3、13號采場時(shí)，強(qiáng)度系數(shù)（Strength factor）最小值為1.58，最大主應(yīng)力為 18 MPa，出現(xiàn)在步驟 5中采場 5、11號回采后。頂部未出現(xiàn)單元破壞情況，采場整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬結(jié)果見表4。

采用從兩邊同時(shí)向中間回采時(shí)，位移最大區(qū)域仍然發(fā)生在充填體與圍巖交界處，最大位移量為20 mm，發(fā)生在最后一步回采時(shí)。頂板位移量較其他2種方式小，最大為10 mm，發(fā)生在步驟3回采3、13號采場時(shí)。強(qiáng)度系數(shù)最小值為1.26，采場進(jìn)路頂部局部出現(xiàn)剪切破壞，但采場整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬結(jié)果見表5。

通過數(shù)值模擬對3種不同回采方式進(jìn)行逐步模擬分析，發(fā)生變形量較大的區(qū)域?yàn)槌涮铙w與圍巖交界處，進(jìn)路頂板位移量均較?。?0 mm～15 mm），進(jìn)路頂板局部發(fā)生剪切破壞，圍巖強(qiáng)度系數(shù)均大于1，模擬結(jié)果顯示3種回采方式下采場均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

盡管不同回采方式下采場均處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但是采用方案一和方案三的回采順序進(jìn)行開采時(shí)，進(jìn)路頂板均出現(xiàn)了局部剪切破壞情況；且方案一和方案三的強(qiáng)度系數(shù)均低于方案二，即采用方案二開采時(shí)采場相對更穩(wěn)定。因此，從采礦作業(yè)安全性和采礦效率考慮，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最終選擇方案二，即從中間同時(shí)向兩邊推進(jìn)的回采方式，為確保采礦作業(yè)安全，需要對采場進(jìn)行加固處理。

3.2 采場進(jìn)路加固措施

針對 230W2#采場局部剪切破壞及拉伸破壞區(qū)域，采用管縫式錨桿+掛網(wǎng)+濕噴混凝土的方式進(jìn)行加固（見圖3），主要參數(shù)如下：

管縫式錨桿：排間距1.2 m×1.2 m，錨桿長2.4 m，直徑47.5 mm，采用直徑為43 mm鉆頭鉆孔，抗拉拔力達(dá)到60 kN以上。

表4 方案二的從中間向兩邊回采位移量變化趨勢

表5 方案三的從兩邊向中間同時(shí)回采位移量變化趨勢

掛網(wǎng)：采用2 m×4 m鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為5 mm，鋼網(wǎng)采用管縫式錨桿進(jìn)行固定，掛網(wǎng)區(qū)域主要為巖石破碎點(diǎn)。

濕噴混凝土：采用強(qiáng)度等級為C30混凝土進(jìn)行巷道圍巖表面支護(hù)，噴漿厚度為80 mm，全斷面噴射混凝土，要求2 h早期強(qiáng)度達(dá)到1 MPa。

3.3 回采效果

圖3 采場進(jìn)路圍巖支護(hù)（單位：mm）

230W2#采場按照從中間向兩邊同時(shí)回采，采礦過程中對巷道兩側(cè)采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，采用10.5%水泥添加全尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填，充填后養(yǎng)護(hù) 7 d，充填體強(qiáng)度達(dá)到0.35 MPa后回采下一條進(jìn)路，通過近半年的回采，直至全部礦體回采結(jié)束，采礦巷道及充填假頂處于穩(wěn)定狀態(tài)，采礦效率較單向開采提高約65%。

4 結(jié)論

通過對3種回采方式下的采場穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最終確定了最優(yōu)的采礦方式。

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，最大變形量出現(xiàn)在充填體與圍巖交界處，最大值為20 mm，巷道頂板變形量均較小，為10 mm～15 mm。

（2）結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定最終回采方案為從中間向兩邊同時(shí)回采，實(shí)踐表明：該回采方式下巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，且提高采礦效率約65%。

（3）結(jié)合230W2#采場圍巖實(shí)際情況，選用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+濕噴混凝土對采場進(jìn)行加固，實(shí)踐表明：加固效果良好，確保了采礦作業(yè)安全。