上向分層充填法開采薄礦體的圍巖穩定性影響因素分析

雷 銀，李云安，胡麗珍，王欽剛，王 偉，劉 莎

(中國地質大學工程學院， 湖北武漢 430074)

0 引言

眾所周知，地下礦山開采的主要問題是礦柱及圍巖穩定性以及開采引起的地面沉降問題［1］，而影響礦山安全生產的最重要因素即空區頂板安全厚度和深部采場臨界跨度。目前，關于空區跨度和頂板厚度之間關系的文獻較多［2-4］，比如 K.B.魯別涅伊特公式法，波哥留波夫公式法，厚跨比經驗法，梁理論法，松散系數理論法等等，但將空區跨度和頂板厚度作為獨立并列因子來研究礦柱的穩定性以及開采引起地表沉降問題的文獻卻不多，本文利用傳統方法分析頂板厚度和空區跨度的大致范圍，確定不同開采方案，運用數值模擬的方法計算不同方案下采場的應力和位移情況，分析空區跨度和頂板厚度對采場穩定性的影響。三維快速拉格朗日在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程領域有其獨到的優點。本文以河北司家營鐵礦大賈莊礦段中間部位Ⅲ號礦體為例，運用FLAC3D三維顯示有限差分法程序，對該礦的開采過程進行數值模擬分析。

1 數值計算方案

1.1 地質背景

司家營鐵礦地處冀東灤河洪沖積平原區，鐵礦體賦存在片麻狀混合巖、黑云變粒巖中，上覆80～140 m厚第四系松散沉積物。礦體與圍巖產狀一致。深部礦、巖石致密堅硬，f≈10，節理、裂隙不發育。

由于礦體的賦存條件和水文地質條件、環境條件的復雜性，設計考慮采用充填法開采，以達到保護地表和不破壞上部含水層的要求。采用豎井開拓，采礦階段高度120 m，首采－400 m深度礦體，考慮到隔水與開采安全穩定等因素，在弱風化底板－160 m標高以下需留設20 m護頂點柱，即上部開采標高確定為－180 m。礦體平均厚度約20 m，沿礦體走向劃分盤區，盤區長度240 m，寬為礦體厚度(20～22 m)，階段高120 m，分段高30 m，分層高4 m。盤區中央留設10 m寬中央點柱，盤區間也留設10 m厚間柱，在盤區中央點柱兩側沿走向方向平均劃分為2個采場，每個采場長55 m，寬為礦體厚度，高120 m，每個盤區可劃分4個采場。在中央點柱兩側分別進行采礦和充填作業。

從上述開采及充填過程可以確定存在的主要問題為:采場頂板穩定性(特別是－180 m頂柱圍巖)、采場點柱穩定性及地表穩定性(沉降)問題。

1.2 數值計算模型

根據礦體賦存條件、地質勘查資料、設計方案及研究的需要，司家營鐵礦采場圍巖穩定性數值模擬研究選取具有代表性的薄礦體Ⅲ號礦體為例，建立FLAC3D原始地質數值計算模型及采場間柱、點柱布置模型(見圖1)。采用莫爾－庫倫(Mohr－Coulomb)屈服準則，在程序中加入滲流計算邊界條件［5-8］。計算中有四種類型的邊界條件，分別為:給定孔隙水壓力;給定邊界外法線流速分量;透水邊界;不透水邊界。其中透水邊界采用如下形式給出:

式中，qn是邊界外法線流速分量;r是滲透系數;p是邊界面上的孔隙水壓力;pc是滲流出口處的孔隙水壓力。

1.3 巖體物理力學參數

模擬過程中，依據巖石力學相關實驗結果并參考類似工程，選取巖體物理力學參數如表1所示。

1.4 計算方案

圖1 FLAC3D原始地質數值計算模型及采場間柱、點柱布置模型

表1 巖土體物理力學參數

以上向分層充填法為基礎，通過改變采場點柱布置間距、頂板厚度，設計12種計算方案，見表2。根據國內外工程類比及設計院初選方案，取－400，－340，－280，－220 m四個水平進行研究。

表2 計算方案

2 計算結果分析

2.1 圍巖應力狀態

采用三維有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬，得到用上向分層充填法開采－400～－180 m礦體的垂直應力云圖(見圖2)。

采礦過程中，采場兩幫礦巖基本處于受壓狀態，但在頂板和底板處形成了部分拉應力區，同時點柱位置應力集中較明顯，點柱承受著該區域最大的壓應力，最大值達到40.3 MPa。隨著開采的向上進行以及采空區被充填體所充填，周圍礦巖的最大壓應力和拉應力逐漸減小，應力向附近區域的圍巖轉移，點柱承受的較大壓應力得到一定釋放，說明設計方案中所選用的充填法對于維護礦巖的穩定性具有一定的作用［9-12］。

2.2 圍巖位移

按方案6回采Ⅲ號礦體過程中－400～－160 m礦巖的豎直方向位移如圖3所示。由圖3可知，采礦過程中，采場均出現一定程度的頂板冒落和底鼓的現象，同時隨著開采的向上進行以及采空區被充填體所充填，充填體自身產生較大的豎向沉降。

圖4為Ⅲ號礦體－500 m水平以上礦巖垂直方向位移分布情況。由圖4可知，受礦體賦存形狀的影響，在礦體開采后，礦體上盤圍巖產生一定的位移，且隨著開采活動逐漸向上推進，礦巖豎向位移逐漸小幅增加，范圍有所擴大，說明離地表越近的采礦活動對地表沉降影響越大。但從整體上看，由于Ⅲ號礦體本身較薄，一次性開采范圍較小，對周邊礦巖的擾動較小，由此引發的地表沉降及不均勻沉降均很小，礦巖能保持較好的穩定性［12］。

2.3 塑性區

此外，Ⅲ號礦體回采過程中，除了充填體、部分點柱產生拉伸、剪切屈服外，周圍礦巖處于彈性狀態，基本穩定。

圖2 Ⅲ號礦體－400～－160 m水平礦體垂直應力

圖3 Ⅲ號礦體－400～－160 m水平礦體垂直方向位移

3 結論

司家營鐵礦Ⅲ號礦體12個開采方案的計算結果如表3所示。

為了更加清晰地反映采場頂板厚度和點柱間距對礦區開采穩定性即礦巖垂直方向最大位移和點柱垂直方向最大應力的影響，以方案6為例繪出圖5～圖7所示的曲線。由各條曲線可看出，礦巖垂直方向位移隨頂板厚度的變化趨于平緩，說明對于薄礦體，頂板厚度在一定范圍內對礦巖位移并沒有太大影響;而點柱間距對礦巖位移的影響趨勢較大，點柱間距主要對頂板沉降的影響較明顯，特別是20 m間距之后，曲率增大，增長較快，對底鼓和地表沉降影響不是很大。

表3 Ⅲ號礦體12個開采方案的計算結果

圖4 Ⅲ號礦體－500 m水平以上礦巖垂直方向位移

圖5 礦巖垂直方向位移隨點柱間距變化曲線

圖6 礦巖垂直方向位移隨頂板厚度變化曲線

綜上所述，依據不同點柱間距、頂板覆蓋層厚度條件下的計算結果，綜合各方案下的礦巖彈塑性狀態、應力分布以及位移場情況，建議該礦開采深部采場時，增大點柱尺寸(可增大至5 m×5 m)或減小點柱間距;根據計算結果以及周邊類似礦山頂板覆蓋層厚度的工程實際，15 m頂板覆蓋層厚度可以保證礦巖穩定性，但是，實際開采過程影響采場穩定性因素是極其復雜的，在生產過程中，要及時對圍巖的應力與應變及地下水情況進行監測，以便及時采取防范措施。

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