基于斷層影響下的充填體強度需求優(yōu)化研究

李廣波， 盛宇航， 吳再海， 宋澤普

（1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司， 濟南 250100； 2.山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實驗室分公司，山東 萊州 261441）

隨著金屬礦山逐漸進入深井開采，充填采礦法得到廣泛應用，充填體與礦體的變形破壞過程變得越來越復雜，研究其相互作用具有重要意義，特別是開采至斷層處存在應力釋放的風險[1-4]。當工作面向斷層推進時，斷層的構造應力與工作面超前支承壓力疊加，形成的高應力集中作用于兩側的充填體及礦體上[5-6]。目前，研究者對充填體與礦體相互作用、斷層影響下的圍巖失穩(wěn)機理等開展了大量研究。吳愛祥等[7]利用Belem模型分析計算了充填體3種應力狀態(tài)下的目標強度，對比拱架效應引入前后充填體垂直應力降低比率。劉光生等[8-9]基于實際采充時序過程，考慮充填體與礦體接觸作用，提出了充填體強度要求修正解析方法，并采用FLAC3D進行驗證。還有研究者采用3種力學理論模型進行了分層膠結充填體強度需求解析計算，得到了膠結充填體強度與充填次數(shù)之間的數(shù)學模型及折減系數(shù)[10-11]；利用數(shù)值模擬、物理模型、解析公式和現(xiàn)場監(jiān)測等方法對充填體成拱作用和應力分布進行研究[12-15]。目前的研究大多只考慮單一因素，并沒有考慮斷層對于充填體強度需求的影響，使得采場回采至上盤斷層附近，因斷層不穩(wěn)固極易導致塌落[16-20]。現(xiàn)場施工時，經(jīng)常出現(xiàn)2種情況，一是為保證安全偏離上盤斷層較遠，導致礦體損失；二是沿上盤斷層施工時，上盤暴露面積過大，礦柱位置選擇不合理，導致上盤塌落，礦體難以采出。

本文針對以上不足，以山東某礦的斷層賦存特點為研究對象，首先根據(jù)該礦采場尺寸和充填體與礦體的物理力學參數(shù)，開展斷層處充填體與礦體的兩步采力學分析，確定出合理的充填體強度需求解析解；再利用FLAC3D建立采場三維數(shù)值模型，對兩步采過程中斷層處的充填體與礦體穩(wěn)固性進行模擬研究，得到采充過程中兩步采采場充填體強度需求數(shù)值解，對比研究充填體強度需求解析解、數(shù)值解和實際生產(chǎn)值，校驗修正解析模型的可靠性，保證斷層處礦體安全高效開采。

1 工程背景

該礦原設計的充填體強度及礦柱尺寸，主要是利用同類礦山經(jīng)驗類比選取的強度指標，導致礦山存在充填強度設計不合理、充填成本居高不下等問題。為了有效解決礦山面臨的生產(chǎn)難題，本文選擇該礦100線以北、116線以南礦體進行斷層影響下的充填體強度需求研究。

1.1 礦體特征

該礦床屬于第四系松散沉積物廣泛分布，主斷層傾角55°，落差2 m，礦體上盤主要為絹英巖，下盤主要為閃長巖，在斷裂面上發(fā)育有一層厚約0.2 m的黑色斷層泥。礦體上盤與圍巖為斷層接觸關系，界線明顯；而礦體下盤與圍巖呈漸變過渡關系，無明顯的邊界線。斷層兩側礦體受其影響，強度明顯降低，破碎程度增大，并有一定的似層狀特點，施工至斷層處時極易發(fā)生冒頂、片幫等安全事故，所以亟需解決充填體強度需求問題。

1.2 采礦方法

由于礦區(qū)周邊臨近農(nóng)田和村莊，同時結合礦體賦存條件，經(jīng)綜合考慮采用上向水平分層充填采礦法，按隔一采一順序沿礦體走向先采礦房，出礦后膠結充填，再按順序依次進行相鄰兩側兩步采采場回采，如圖1所示。采場埋深600 m，走向長度120 m，傾向長度為80～100 m。

圖1 盤區(qū)式上向水平分層充填法Fig.1 Panel upward cut and fill method

2 基于斷層影響下的充填體強度需求力學分析

目前，對充填體力學特性的研究逐漸增多，但國內礦山仍然以經(jīng)驗類比進行充填強度計算研究，導致國內同類型礦山的充填水泥單耗遠大于國外。針對該礦地質賦存條件，礦體整體較為破碎，特別是臨近斷層時兩側礦體受斷層影響，強度明顯降低，破碎程度增大，極易發(fā)生冒頂、片幫等安全事故。

本文進行充填體強度要求解析計算時，重點研究兩步采回采過程中斷層處力學模型。在兩步采采場回采過程中，斷層與相鄰礦體、充填體并不是孤立存在的，受上盤巖體和斷層兩側膠結充填體的夾制，以此進行兩步采采場揭露前后膠結充填體的應力計算，如圖2所示。

圖2 兩步采回采時斷層力學分析Fig.2 Mechanical analysis of fault in two step mining

考慮充填體與礦體接觸作用以及斷層受到一步采采場充填體的水平擠壓力，斷層兩側壁接觸面產(chǎn)生相應摩擦力，對斷層進行應力平衡分析，得到：

式（1）中：W上盤為上盤巖體作用于兩步采斷層處的擠壓力，單位kN；W斷為斷層自身重力，單位kN；f1為斷層受到兩側壁的一步采采場膠結充填體水平擠壓力產(chǎn)生的摩擦力，單位kN；?斷為斷層的傾角，單位（°）。

上盤礦體的重力W上盤為：

式（2）中：γ1是上盤巖體的容重；h埋為礦體埋深高度；B和H為礦房的寬度和高度。由于上盤巖層較厚大，只考慮其投影等效面積。

斷層的局部自重為：

式（3）中：γ2是斷層的容重；h斷為斷層的厚度。

斷層受到兩側壁的一步采采場膠結充填體摩擦力f1計算如下：

式（4）中：cs為接觸面內聚力；H為礦房的高度。

假設采場巖壁十分粗糙，接觸面內聚力cs與充填體內聚力c相等[21-23]，則膠結充填體內聚力c為：

假設充填體服從直線型摩爾庫侖準則，則充填體內聚力c與單軸抗壓強度σc的關系滿足：

式（6）中：?c為一步采膠結充填體的內摩擦角，單位（°）。

將式（5）代入式（6）后，計算得出充填體單軸抗壓強度σc：

將礦山采場尺寸及充填體參數(shù)γ1=26.87 kN/m3、γ2=15.47 kN/m3、B=4 m、H=5 m、?斷=55°、h斷=0.2 m、h埋= 600 m、?c=30°代入式（7），可得極限平衡狀態(tài)兩步采采場回采時充填體強度需求解析解σc=2.85 MPa。

為進一步對比采場兩步采過程中斷層處充填體強度需求，需要利用FLAC3D建立采場三維數(shù)值模型，對兩步采過程中斷層處的充填體與礦體穩(wěn)固性進行數(shù)值模擬研究，得到采場兩步采過程中充填體強度需求數(shù)值解，將充填體強度需求解析解和數(shù)值解進行對比研究。

3 基于斷層影響下的充填體與礦體數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

該礦經(jīng)過巖石分級評價、鉆探取芯和室內力學實驗等后，得到各巖體的物理力學參數(shù)，如表1所列；同時，利用該礦的分級尾砂和膠凝材料開展充填體配比實驗（質量濃度為68%），得到不同灰砂比充填體物理力學參數(shù)，如表2所列。

表1 各巖體物理力學參數(shù)表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock masses

表2 不同灰砂比充填體物理力學參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of filling body with different lime sand ratio

在前人研究的基礎上，結合該礦的地質賦存條件和物理力學參數(shù)，建立斷層與采場的數(shù)值計算模型，模型尺寸為300 m×200 m×100 m，如圖3所示。計算采用摩爾庫侖準則。

圖3 斷層計算三維模型Fig.3 3D model of fault calculation

邊界條件為：模型Z方向上部為自由面，施加15 MPa的均布荷載，模擬上覆巖層600 m的自重荷載；模型X方向施加最大水平主應力17.72 MPa；Y方向施加最小水平主應力13.45 MPa。模型Z方向下部限制垂直方向位移，模型X、Y方向限制水平移動，工作面布置在斷層下盤中。采場規(guī)格為長×寬×高=100 m×4 m×5 m，斷層傾角55°。

開挖順序為：①一步采：按照隔一采一順序沿X軸正方向推進，分步開挖20、40、60、80、90 m，逐步向斷層推進，記錄斷層處應力和位移變化情況，達到計算平衡后，將模型中的彈性位移清零（實際采場開挖后圍巖的彈性位移在充填之前己基本釋放完成）。②充填：開挖空間充填模擬時，采用多層充填加載方式，模擬礦山實際充填情況對開挖空間重新賦值（底部1 m采用質量濃度68%、灰砂質量比1∶4進行充填；接頂0.5 m采用質量濃度68%、灰砂質量比1∶10進行充填；中間層采用質量濃度68%、灰砂質量比1∶20進行充填）。待模型重新計算平衡后，進行兩步采回采。③兩步采：按順序依次進行相鄰兩側兩步采采場的回采，分步開挖20、40、60、80、90 m，逐步向斷層推進，記錄斷層處應力和位移變化情況，如圖4所示。

圖4 開挖示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Excavation

3.2 一步采——工作面推進至距斷層不同距離應力演化規(guī)律

一步采回采過程中，工作面推進至距斷層不同距離應力演化規(guī)律如圖5所示。

圖5 一步采過程中工作面推進至距斷層不同距離處應力云圖：（a） 80 m；（b） 60 m；（c） 40 m；（d） 20 m；（e） 10 mFig.5 Stress nephogram of working face advancing to different distances from the fault in one-step mining process：（a） 80 m；（b） 60 m；（c） 40 m；（d） 20 m；（e） 10 m

由圖5可知，一步采回采礦體時，原巖應力的平衡狀態(tài)被打破，應力重新分布，造成相鄰的礦體應力集中。隨著一步采工作面的推進，工作面頂?shù)装宕怪睉谐潭冗M一步增加，在工作面端部及兩側幫1～5 m處形成規(guī)則的應力集中區(qū)，當工作面距斷層距離分別為80、60、40、20、10 m時，工作面端部的垂直應力值依次分別為2.72、3.65、4.57、5.29、4.21 MPa，兩側幫的垂直應力值依次分別為1.98、2.57、2.92、3.53、4.15 MPa。

由此可以看出，隨著工作面的推進，工作面端部及兩側幫應力逐漸增加，當工作面推進至距斷層10 m處，應力集中程度有減弱的趨勢，工作面端部應力集中區(qū)與斷層貫通，說明此處極易發(fā)生斷層垮落等事故。

3.3 兩步采——工作面推進至距斷層不同距離應力演化規(guī)律

兩步采回采過程中，工作面推進至距斷層不同距離應力演化規(guī)律如圖6所示。

圖6 兩步采過程中工作面推進至距斷層不同距離處應力云圖：（a） 80 m；（b） 60 m；（c） 40 m；（d） 20 m；（e） 10 mFig.6 Stress nephogram of working face advancing to different distances from the fault in two-step mining process：（a） 80 m；（b） 60 m；（c） 40 m；（d） 20 m；（e） 10 m

由圖6可知：一步采采空區(qū)膠結充填后，兩側的充填體與礦體形成應力的二次平衡狀態(tài)，此時膠結充填體既能夠限制礦體的變形，又能夠與礦體共同承載。隨著兩步采回采礦體，造成應力的二次分布。隨著兩步采工作面的推進，工作面頂?shù)装寮皟蓚葞痛怪睉^開挖前明顯減小，應力集中區(qū)向外移動。當工作面距斷層距離分別為80、60、40、20、10 m時，工作面端部的垂直應力值依次分別為1.65、2.37、3.25、4.43、2.91 MPa，兩側幫的垂直應力值依次分別為1.47、1.95、2.61、2.88、2.97 MPa。與一步采應力值相比可知，一步采膠結充填體可減輕采場斷層處因應力集中而導致的破壞，進而為采場安全施工及礦柱回采提供便利。

對比圖6（c）和圖6（d）可知：隨著工作面的推進，工作面端部和兩側幫應力同樣逐漸增加，當工作面推進至距斷層20 m處，工作面端部應力集中區(qū)與斷層應力集中區(qū)貫通，說明此時充填體可能已處于失穩(wěn)狀態(tài)，據(jù)此得出了該礦兩步采的充填體強度需求解析解2.97 MPa。同時，由圖6（d）和圖6（e）可以明顯看出，斷層對于應力傳遞起到阻隔作用，在工作面上方30 m處形成應力釋放區(qū)。

3.4 礦山充填體強度需求對比

通過上述研究分別得到該礦斷層影響下兩步采采場采充過程中充填體強度需求的解析解和數(shù)值解，對比可知解析解和數(shù)值解吻合度較好，說明基于斷層影響下的充填體強度需求模型和數(shù)值模擬可以很好地計算兩步采采場充填體的強度需求。經(jīng)礦山調研，該礦充填質量管理規(guī)定根據(jù)經(jīng)驗公式求得，要求采場充填體強度大于兩者，如表3所列。

表3 3種方式充填體強度需求Table 3 Strength requirements of three filling methods

為了進一步驗證優(yōu)化滿足礦山充填開采技術現(xiàn)狀的采場充填體實際強度需求，下一步將與礦方溝通進行試驗采場驗證。

4 結 論

1）通過對斷層處的充填體和礦體進行力學分析，建立基于斷層影響下的充填體強度需求力學模型，推導獲得了極限平衡條件下充填體強度需求計算公式，得到了該礦二步采的充填體強度需求解析解為2.85 MPa。

2）利用FLAC3D構建了兩步采回采充填體與礦體的數(shù)值計算模型，可以看出：隨著工作面的推進，工作面端部及兩側幫應力逐漸增加，當工作面推進至距斷層10～20 m處，應力集中程度有減弱的趨勢，工作面前端應力集中區(qū)與斷層貫通，得到了該礦兩步采的充填體強度需求解析解為2.97 MPa。

3）通過進行充填體強度需求解析解和數(shù)值解對比，進一步驗證了基于斷層影響下的充填體強度需求力學模型的有效性；但礦山實際充填強度要求大于兩者，需進一步驗證優(yōu)化。

4）雖然本文所建立的力學模型可以反映充填體內應力演化規(guī)律，但以上研究只涉及了力學推導和數(shù)值模擬等理論驗證，未開展現(xiàn)場充填體應力監(jiān)測驗證，下一步通過開展現(xiàn)場應力監(jiān)測來進一步驗證力學模型的有效性。