基于跨度比和充填體強(qiáng)度的采場(chǎng)穩(wěn)定性分析*

馬志平，劉福春，劉恩彥

(1.四川能投鋰業(yè)有限公司， 四川 成都 610023；2.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

充填采礦法在采場(chǎng)穩(wěn)定性和礦石回收率方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，在地下金屬礦山的應(yīng)用十分廣泛[1-3]。應(yīng)用充填采礦法時(shí)，尤其是兩步驟充填采礦，學(xué)者們的研究重點(diǎn)在于保障礦體回采過(guò)程中的安全穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段采礦工作者分析采場(chǎng)穩(wěn)定性的主流方法有理論模型、工程類(lèi)別、相似模擬以及仿真模擬等[4]。郭進(jìn)平、李江、夏長(zhǎng)念等[5-7]結(jié)合Mathews圖法和數(shù)值模擬分析采場(chǎng)跨度與間柱的組合回采方案，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。羊羽翔、阮喜清、張?jiān)祈f等[8-10]分析采場(chǎng)沉降位移對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。姚囝、李小雙、王東旭等[11-13]建立相似模擬試驗(yàn)，分析回采過(guò)程中圍巖的變形破壞模型，研究其受力變形規(guī)律，揭示充填礦柱承載機(jī)理，并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。上述研究基本從穩(wěn)定性的角度分析不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸、不同開(kāi)挖深度以及爆破擾動(dòng)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步揭示采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的演變規(guī)律。李炎峰、安東亮等[14-15]將數(shù)學(xué)方法和數(shù)值模擬相結(jié)合，以數(shù)值模擬結(jié)果為主要指標(biāo)，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)和層次分析法賦予權(quán)重，建立采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化體系，優(yōu)選出最佳回采方案。上述文獻(xiàn)中均以采場(chǎng)穩(wěn)定性為主體目標(biāo)，研究不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力和變形的影響，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

本文在保障采場(chǎng)安全的前提下，結(jié)合礦山企業(yè)控制采礦成本的需求，基于不同跨度比（二步驟和一步驟采場(chǎng)跨度的比值）和充填體強(qiáng)度提出9種回采方案，并開(kāi)展FLAC3D數(shù)值模擬分析，確定最優(yōu)的采場(chǎng)參數(shù)。

1 工程概況

四川某礦礦體賦存于花崗偉晶巖脈中，礦石主要為鋰輝石，巖脈系較硬工程地質(zhì)巖組，巖石質(zhì)量好，巖體較完整，穩(wěn)固性好。頂?shù)装逑等B系上統(tǒng)侏倭組（T3zh）堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組，巖體主要呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖組的RQD平均值為80.56%，巖石質(zhì)量好，巖體較完整，穩(wěn)固性好。主礦體走向長(zhǎng)約2000 m，礦體厚度為30～50 m，傾角61°，開(kāi)采標(biāo)高為+4074～+3150 m，主要的采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，兩步驟回采，采場(chǎng)垂直走向布置，長(zhǎng)度等于礦體厚度，高度為中段高度50 m，寬度20 m，每5個(gè)采場(chǎng)劃分為1個(gè)盤(pán)區(qū)，并設(shè)立15 m寬的盤(pán)區(qū)礦柱。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)礦體的地質(zhì)條件和采礦方法建立數(shù)值仿真模型，建立三維數(shù)值計(jì)算概念模型，計(jì)算模型如圖1所示。模型整體長(zhǎng)500 m，寬300 m，高180 m，礦體水平厚度為50 m，傾角61°。完成后的網(wǎng)格模型共有450 000個(gè)單元和467 321個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 計(jì)算模型

根據(jù)礦山水文地質(zhì)資料及礦巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，選定的材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 原巖應(yīng)力場(chǎng)

根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到原巖應(yīng)力的分布情況如下：

式中，σh,max為最大主應(yīng)力，MPa；σh,min為最小主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；h為測(cè)點(diǎn)埋深，m。

2.3 優(yōu)化方案

礦山現(xiàn)行采礦工藝為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，盤(pán)區(qū)內(nèi)共5個(gè)采場(chǎng)，劃分為一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)，采場(chǎng)跨度均為20 m，首先開(kāi)采一步驟采場(chǎng)，采用膠結(jié)充填，其強(qiáng)度達(dá)4 MPa，待一步驟采場(chǎng)回采充填完畢，再開(kāi)采二步驟采場(chǎng)，采用非膠結(jié)充填。該工藝雖能實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采，但充填成本較高，主要是因?yàn)橐徊襟E采場(chǎng)跨度大和充填強(qiáng)度高。因此，本文在保障安全生產(chǎn)的前提下，從節(jié)約充填成本的角度，同時(shí)確保現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)不進(jìn)行大調(diào)整，重新調(diào)整采場(chǎng)布置參數(shù)和充填體強(qiáng)度，并設(shè)計(jì)9種優(yōu)化方案，并依據(jù)礦體回采時(shí)序，即采場(chǎng) 1→采場(chǎng) 3→采場(chǎng)5→采場(chǎng)2→采場(chǎng)4，開(kāi)展仿真模擬研究。開(kāi)挖步驟如圖2所示，具體采場(chǎng)優(yōu)化方案見(jiàn)表2。

圖2 開(kāi)挖步驟

表2 優(yōu)化方案

3 模擬結(jié)果分析

3.1 采場(chǎng)變形特征

采場(chǎng)的垂直位移是判斷采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要依據(jù)，采場(chǎng)逐步回采過(guò)程中頂?shù)装宓呢Q向位移變化如圖3所示。從圖3可以看出，采場(chǎng)開(kāi)挖后，采空區(qū)頂板出現(xiàn)沉降，底板出現(xiàn)底鼓，其頂?shù)装宓淖冃问浅掷m(xù)增加且不可逆的。采場(chǎng)1和采場(chǎng)5的頂板最終變形量約為0.2 m，采場(chǎng)2、采場(chǎng)3和采場(chǎng)4的頂板最終變形量約為0.25 m，采場(chǎng)1和采場(chǎng)5的底鼓變形量約為0.04 m，其余采場(chǎng)的底鼓變形量約為0.08 m，這主要是因?yàn)椴蓤?chǎng)1和采場(chǎng)5側(cè)幫均有盤(pán)區(qū)礦柱，起到了較好的支撐作用，而中間3個(gè)采場(chǎng)的頂?shù)装逡恢笔芟噜彶蓤?chǎng)回采的擾動(dòng)影響，故其采場(chǎng)變形量較大。相較于底板位移，采空區(qū)頂板明顯變形較大，屬采場(chǎng)潛在失穩(wěn)區(qū)域。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng) 2和采場(chǎng)4的位移增量遠(yuǎn)大于另外3個(gè)采場(chǎng)，如采場(chǎng)4的頂板增量達(dá)0.159 m，而采場(chǎng)1的頂板增量?jī)H為0.047 m，主要是因?yàn)椴蓤?chǎng)2和采場(chǎng)4為二步驟采場(chǎng)，其回采是在充填礦柱保護(hù)下進(jìn)行的，充填體的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如礦巖體穩(wěn)定，故進(jìn)一步導(dǎo)致采場(chǎng)變形量的增大。

圖3 采場(chǎng)變形特征曲線(xiàn)

3.2 采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律

圖4為采場(chǎng)開(kāi)挖后采場(chǎng)的應(yīng)力分布云圖，反映采場(chǎng)回采和充填的應(yīng)力變化規(guī)律。從圖4可以看出，回采一步驟采場(chǎng)（采場(chǎng)1、采場(chǎng)3和采場(chǎng)5）時(shí)，采空區(qū)主要受壓力作用，其最大壓應(yīng)力可達(dá)45 MPa左右，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在采場(chǎng)邊角帶，其影響范圍較小，故在此應(yīng)力條件下采場(chǎng)整體穩(wěn)定性較好?；夭啥襟E采場(chǎng)（采場(chǎng)2和采場(chǎng)3）時(shí)，采場(chǎng)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的增大，如采場(chǎng)2的最大壓應(yīng)力為 50.24 MPa，采場(chǎng) 4的最大壓應(yīng)力為 45.67 MPa。二步驟采場(chǎng)頂?shù)装寰霈F(xiàn)拉應(yīng)力，雖僅為0.6 MPa左右，但圍巖明顯處于受拉狀態(tài)，結(jié)合采場(chǎng)頂?shù)装宓淖冃翁卣鳎砻鞫襟E采場(chǎng)回采時(shí)，其采場(chǎng)存在潛在的穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖4 采場(chǎng)應(yīng)力云圖

3.3 跨度比對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響

圖5和圖6為不同跨度比對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，跨度比對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力和采場(chǎng)變形的影響顯著?？缍缺葹?時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為9.43 MPa，最大位移為6.52 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為15.13 MPa，最大位移為26.36 cm；跨度比為 1.3時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為 8.42 MPa，最大位移為4.69 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為15.15 MPa，最大位移為26.91 cm；跨度比為1.6時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為9.43 MPa，最大位移為3.87 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為15.4 MPa，最大位移為 27.2 cm。分析表明，一步驟采場(chǎng)的應(yīng)力和變形隨跨度比的增大而降低，且降低幅度較為明顯，這對(duì)一步驟采場(chǎng)的穩(wěn)定性是有利的，跨度比對(duì)二步驟采場(chǎng)的穩(wěn)定性影響與之相反，呈上升趨勢(shì)，間接增加二步驟采場(chǎng)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，但采場(chǎng)應(yīng)力和采場(chǎng)變形變化幅度不大，如應(yīng)力增長(zhǎng)率約為1.7%，位移增長(zhǎng)率約為3.2%，故二步驟采場(chǎng)的穩(wěn)定性整體上仍是安全可控的。

圖5 跨度比對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力的影響

圖6 跨度比對(duì)采場(chǎng)變形的影響

3.4 充填強(qiáng)度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響

圖7和圖8為不同跨度比對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，充填強(qiáng)度對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力和采場(chǎng)變形的影響較小。當(dāng)充填強(qiáng)度為2 MPa時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為9.39 MPa，最大位移為6.51 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為18.08 MPa，最大位移為30.87 cm；當(dāng)充填強(qiáng)度為3 MPa時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為9.41 MPa，最大位移為6.49 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為16.68 MPa，最大位移為29.46 cm；當(dāng)充填強(qiáng)度為4 MPa時(shí)，一步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為9.43 MPa，最大位移為6.52 cm，二步驟采場(chǎng)最大主應(yīng)力為15.4 MPa，最大位移為27.2 cm。分析表明，充填強(qiáng)度對(duì)一步驟采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響極小，對(duì)二步驟采場(chǎng)的影響顯著，尤其是二步驟采場(chǎng)跨度比為1.6時(shí)，采場(chǎng)變形呈明顯的下降趨勢(shì)，表明充填體主要為二步驟采場(chǎng)的回采提供支撐保護(hù)作用，充填強(qiáng)度的提高有利于控制采場(chǎng)變形，提高采場(chǎng)穩(wěn)定性。

圖7 跨度比對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力的影響

圖8 跨度比對(duì)采場(chǎng)變形的影響

4 結(jié)論

（1）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行模擬研究，結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力和最大豎向位移均在礦巖穩(wěn)定范圍內(nèi)，采場(chǎng)未發(fā)生破壞。

（2）礦體開(kāi)采引起頂板沉降，底板底鼓，隨著采場(chǎng)逐步推進(jìn)，圍巖變形也逐漸增加。其中采空區(qū)頂板變形較為明顯，更容易失穩(wěn)，采空區(qū)主要受壓應(yīng)力影響，應(yīng)力主要集中在采場(chǎng)邊角帶，二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)圍巖局部受拉，影響采場(chǎng)整體穩(wěn)定性。

（3）跨度比對(duì)一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)的影響趨勢(shì)是不同的，其中一步驟采場(chǎng)的應(yīng)力和變形隨跨度比的增大而降低，其變化幅度較大，而二步驟采場(chǎng)隨跨度比的增大而增大。

（4）相較于跨度比，充填強(qiáng)度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響較小，主要影響二步驟采場(chǎng)，隨著充填強(qiáng)度的提高，二步驟采場(chǎng)的穩(wěn)定性也越好。