下向進(jìn)路充填采礦法深部礦巖破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究

摘要：針對(duì)嵩縣山金深部礦體采用下向進(jìn)路充填采礦法開采礦巖破壞機(jī)理及地壓顯現(xiàn)技術(shù)問題，采用Rhino+Griddle+Flac3D快速建模技術(shù)，對(duì)礦區(qū)下向進(jìn)路開采1～8 a礦巖應(yīng)力及位移變化規(guī)律進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明：最小主應(yīng)力隨深度的增加而增加，靠近底部較大；未開采采場(chǎng)起到了臨時(shí)礦柱的作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，同時(shí)在采場(chǎng)附近的充填體中也形成應(yīng)力卸壓區(qū)；各中段的位移隨開采時(shí)間的增加而不斷增大，采場(chǎng)頂板的最大位移主要出現(xiàn)在頂板中間，在礦山不斷向深部推進(jìn)的過程中，最大位移值呈上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：深部開采；下向進(jìn)路；充填采礦法；礦巖破壞機(jī)理；地壓顯現(xiàn)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD853.34""""""""""文章編號(hào)：1001-1277（2024）08-0058-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240808

引"言

近年來，國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山都進(jìn)入了深部開采階段，由于高應(yīng)力的開采環(huán)境，井下礦巖出現(xiàn)巖爆、變形、坍塌等破壞現(xiàn)象［1-3］。下向進(jìn)路充填采礦法由于采礦損失貧化低、安全性能高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于深部礦山開采［4-7］。隨著數(shù)值模擬軟件的研究發(fā)展，數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于礦業(yè)工程中［8-11］。因此，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)礦巖破壞機(jī)理及下向進(jìn)路充填采礦法開采進(jìn)行研究。孫飛［12］開展了礦巖穩(wěn)定性對(duì)地下金礦開采的影響研究，研究表明，地下金礦安全開采的主要因素為礦區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，為保障安全開采，在設(shè)計(jì)開采前需考慮圍巖的穩(wěn)定性；肖云亮等［13］使用Flac3D軟件對(duì)金川龍首礦區(qū)下向進(jìn)路采礦進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果較好地證明了采用六邊形進(jìn)路巷道的可行性；段應(yīng)明等［14］依據(jù)ANASYS數(shù)值模擬軟件對(duì)井下充填體及圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，井下礦體回采對(duì)周邊充填體及圍巖穩(wěn)定性都會(huì)造成一定程度的影響。

本文采用Rhino+Griddle+Flac3D軟件對(duì)嵩縣山金礦業(yè)有限公司（下稱“嵩縣山金”）采用下向進(jìn)路充填采礦法回采深部礦體進(jìn)行數(shù)值模擬，研究回采過程中礦巖應(yīng)力及位移變化規(guī)律，以期為深部礦體安全高效開采提供技術(shù)支撐。

1"工程概況

嵩縣山金礦區(qū)山體標(biāo)高為705 m，井口標(biāo)高583 m，以井下300 m標(biāo)高為第一中段進(jìn)行開采，中段高度為40 m，礦區(qū)開采十多年來，井下220 m中段以上的礦體基本已采完，現(xiàn)階段主要開采220 m及以下中段礦體。礦區(qū)開采初期使用分段空?qǐng)鲋猩羁茁涞V法進(jìn)行開采，導(dǎo)致開采過程中采礦損失貧化較高，且留下大量采空區(qū)隱患［15］；隨著礦山引進(jìn)下向進(jìn)路充填采礦法并對(duì)掘進(jìn)爆破方法進(jìn)行革新［16］，有效降低了礦體開采過程中的采礦損失貧化，解決了采空區(qū)隱患。現(xiàn)階段礦區(qū)采用較多的回采方法為下向進(jìn)路充填采礦法，隨著礦區(qū)進(jìn)入深部開采，地應(yīng)力增加和地壓顯現(xiàn)導(dǎo)致下向開采過程中礦巖冒頂、片幫及圍巖變形破壞等災(zāi)害問題頻發(fā)［17］，且礦區(qū)深部礦巖較為破碎而使得礦體開采難度加大［18］?；诖耍芯康V區(qū)下向進(jìn)路充填采礦法開采過程中的礦巖破壞機(jī)理對(duì)礦區(qū)井下安全高效開采具有重大意義。

2"數(shù)值模擬分析研究

2.1"模型建立

根據(jù)礦山所提供的礦區(qū)地質(zhì)剖面圖，本次礦體主要建模區(qū)域在-20 m中段至220 m中段，礦區(qū)220 m中段之上礦體已開采完成，建模區(qū)域采空區(qū)包括民采空區(qū)等均按照充填體進(jìn)行建模。

為方便快速建模，同時(shí)保證模型精度，每個(gè)中段礦體厚度根據(jù)地質(zhì)剖面線0勘探線—9勘探線所得到的礦體厚度求出平均值，同時(shí)走向長(zhǎng)度按照嵩縣山金2018年二季度末儲(chǔ)量估算縱投影圖得出，具體數(shù)值如表1、表2所示。

基于圣維南原理，認(rèn)為開挖礦體引起的礦巖應(yīng)力變化控制在開挖范圍的3～5倍，整體模型框架的邊界范圍據(jù)此而定。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)剖面圖，地表為實(shí)際剖面線，底面延伸到-60 m，滿足數(shù)值計(jì)算對(duì)邊界條件的要求。Rhino劃分網(wǎng)格模型如圖1所示，礦體模型如圖2所示。

2.2"參數(shù)計(jì)算

依據(jù)嵩縣山金礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及室內(nèi)多種巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，確定本次數(shù)值模擬所需的主要巖體工程力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

由于礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力的作用［19］，使得原巖水平應(yīng)力在不同方向上大小不同。根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取樣加工試樣室內(nèi)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，礦區(qū)井下-20～140 m標(biāo)高的側(cè)壓力系數(shù)為1.43～1.68，該測(cè)量結(jié)果符合國(guó)內(nèi)大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律。通過分析礦區(qū)地應(yīng)力室內(nèi)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力數(shù)值相差較大，故礦區(qū)井下-20～140 m標(biāo)高剪應(yīng)力較大。在本次數(shù)值模擬研究

過程中，結(jié)合已知數(shù)據(jù)及相應(yīng)方法計(jì)算，不同埋深的K值（平均標(biāo)高應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值）不同，具體取值結(jié)果如表4所示。

2.3"數(shù)值模擬方案

數(shù)值模擬主要分析礦體開挖、充填過程中圍巖應(yīng)力、位移的變化情況。一方面，通過觀測(cè)變形云圖來模擬開挖充填過程中的應(yīng)力、位移變化過程，以判斷其是否滿足安全生產(chǎn)需求；另一方面，通過監(jiān)測(cè)并記錄部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、位移值，分析其變化規(guī)律及是否能夠滿足控制地表沉陷的要求。為確定分級(jí)尾砂充填效果，將充填開采與崩落采礦法開采后的地表沉陷情況進(jìn)行對(duì)比，確定模擬方案。即對(duì)比分析充填前后地表移動(dòng)變形情況，主要分析下沉、水平移動(dòng)這2種地表移動(dòng)變形曲線，并對(duì)比分析充填開采的模擬地表下沉值與實(shí)測(cè)地表下沉值，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。本次模擬將礦區(qū)220 m中段以下礦體開采充填完成后的狀態(tài)作為模擬的初始狀態(tài)，從該水平開始，按每分層4 m向下進(jìn)行回采，回采后立即進(jìn)行充填。各回采年份所模擬的回采礦體范圍如表5所示。

2.4"應(yīng)力分析

2.4.1"最大主應(yīng)力

不同回采年份礦區(qū)礦體開采后最大主應(yīng)力整體分布如圖3所示。

從圖3可以看出：在各個(gè)開采年份內(nèi)，周圍未開采的采場(chǎng)起到了臨時(shí)礦柱的作用［20］，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采場(chǎng)上下盤，同時(shí)在采場(chǎng)附近的充填體中也形成應(yīng)力卸壓區(qū)。采場(chǎng)周圍的頂?shù)装甯浇纬尚秹簠^(qū)，由于底板附近均為充填體，因此，底板的卸壓區(qū)范圍較大，同時(shí)臨時(shí)礦柱中的部分應(yīng)力也轉(zhuǎn)移到充填體中。各開采年份充填體中主應(yīng)力小于圍巖應(yīng)力水平，應(yīng)力較大的地方是各階段的礦柱，說明礦體開采過程中礦柱對(duì)整體開采起到了保護(hù)作用。

2.4.2"最小主應(yīng)力

不同開采年份礦區(qū)礦體開采后最小主應(yīng)力整體分布如圖4所示。

從圖4可以看出：整個(gè)模型的最小主應(yīng)力隨開采深度的增加而增加，靠近底部較大，約為15 MPa。最小主應(yīng)力的最小值為1～15 MPa，且隨開采年份的增加而增大。同時(shí)，最小值出現(xiàn)在充填體內(nèi)，這與最大主應(yīng)力分布相同，但與最大主應(yīng)力不同的是，其最大值沒有出現(xiàn)在礦柱內(nèi)。

2.5"位移分析

2.5.1"總位移

不同開采年份礦區(qū)礦體開采后總位移分布如圖5所示。從圖5可以看出：采場(chǎng)頂板的最大位移主要出現(xiàn)在頂板中間，因此對(duì)采場(chǎng)頂板中間位置進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)可以判斷頂板潛在失穩(wěn)的可能［21］。同時(shí)，位移變化規(guī)律與應(yīng)力變化規(guī)律基本相似，隨著礦體開采的進(jìn)行，位移區(qū)域由原本的局部區(qū)域開始形成一個(gè)大的區(qū)域。位移較大的區(qū)域發(fā)生在充填內(nèi)，這對(duì)充填體的強(qiáng)度提出較高要求，一方面，充填體的強(qiáng)度本就低于礦（巖）體；另一方面，開采擾動(dòng)造成應(yīng)力重新分布，會(huì)在充填體內(nèi)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.5.2"垂直位移

不同開采年份礦區(qū)礦體開采后垂直位移分布如圖6所示。

從圖6可以看出：隨著礦體開采年份的增加，各中段的垂直位移不斷增大，垂直位移為-0.016～0.012 m，可能出現(xiàn)頂板垮落的位置主要在礦體上盤，礦體下盤則可能出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。為更好地說明礦體內(nèi)部位移變化，選擇部分具有代表性的位置切片進(jìn)行說明（如圖7所示）。從圖7可以看出，礦體上下盤垂直位移方向在充填體附近發(fā)生改變，上盤最大值為-0.012 m，下盤最大值為0.008 m。

2.5.3"最大位移變化曲線分析

不同開采年份礦區(qū)礦體開采后最大位移變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出：在礦山礦體開采不斷向深部推進(jìn)的過程中，最大位移呈上升趨勢(shì)，在第5年發(fā)生變化，可能的原因是受到礦體資源的限制，前4年的開采方案，已無法滿足要求，在第5年開采的分層位置不再是每個(gè)分段一層，而是同一個(gè)分段內(nèi)可能同時(shí)開采不同的分層，之后幾年的變化規(guī)律同前幾年相同，說明模擬開采的方案很好地模擬了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3"結(jié)"論

1）開采區(qū)周圍未開采的采場(chǎng)起到了臨時(shí)礦柱的作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采場(chǎng)上下盤，同時(shí)在采場(chǎng)附近的充填體中也形成應(yīng)力卸壓區(qū)。整個(gè)模型的最小主應(yīng)力隨開采深度的增加而增加，靠近底部較大，約為15 MPa。最小主應(yīng)力的最小值為1～15 MPa，且隨回采時(shí)間的增加而增大。

2）采場(chǎng)頂板的最大位移主要出現(xiàn)在頂板中間，因此對(duì)采場(chǎng)頂板中間位置進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)可以判斷其潛在失穩(wěn)的可能，位移較大的區(qū)域發(fā)生在充填內(nèi)，這對(duì)充填的強(qiáng)度提出較高要求。

3）隨著礦體開采年份的遞增，各中段的垂直位移在不斷增大，垂直位移為-0.016～0.012 m，礦體上盤位置可能出現(xiàn)頂板垮落現(xiàn)象，下盤位置則可能出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

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Study of deep-mine ore rock failure mechanism using downward approach

filling mining method by numerical simulation

Xing Chao1，Gao Mingyang2，Qiu Yangyang1，Yu Lekui3，Zhang Yapeng1，Xue Chao1

，Peng Kang3

（1.Songxian Shanjin Mining Co.，Ltd.;

2.Shandong Gold Mining （Xinhui）Co.，Ltd.;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：To study the deep-mine rock failure mechanism and the technical issue of ground pressure manifestation using the downward approach filling mining method in the deep ore bodies in the mining area of Songxian Shanjin，the research employs rapid modeling techniques using Rhino+Griddle+Flac3D to investigate the stress and displacement patterns of ore rock during 1-8 a of downward approach mining.The simulation results indicate that the minimum principal stress increases with depth，being greater near the bottom.The unmined stope acts as a temporary ore pillar，exhibiting significant stress concentration，and a stress relief zone forms in the filling body near the stope.The displacement in each level increases with mining time，with the maximum displacement at the stope roof appearing mainly in the middle of the roof.As the mine progresses deeper，the maximum displacement value shows an upward trend.

Keywords：deep mining;downward approach;filling mining method;ore rock failure mechanism;ground pressure manifestation;numerical simulation