深部大規模開采巖體穩定性數值模擬研究

李占金 郝家旺 孫文誠 楊美宏

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009；3.承德市天寶礦業集團；河北 承德 067000)

深部資源開采受“三高一擾動”的影響，導致圍巖呈現非線性力學性質，諸如不同于淺部開采過程的空區塌陷、巖爆、突水等事故難以有效解決，這將會嚴重阻礙礦山規模化的發展，因此深部圍巖長期穩定性研究是采礦開采理論的前沿方向之一[1-3]。而在維護深部采場穩定性、控制地壓以及預防巖爆方面，充填采礦法具有顯著優勢[4]。研究表明數值模擬可以把握巖體的力學性質，直觀準確反映深部巖石力學的變化，其分析結果可以指導工程實踐[5-6]。國內利用數值模擬方法研究該類性質也取得了豐碩成果：李占金等[7]通過對魯地鐵礦應用充填時不接頂方案進行數值模擬研究，分析其新方案進路應力和位移等值區域，結果表明該方案可以有效地提高采礦出礦的效率；甘德清等[8]基于數值模擬軟件對司家營鐵礦3#盤區提出了2種回采方案，并進行了對比分析計算，選出了采場安全性較好的回采方案；胡麗珍等[9]通過對某礦采用的上向分層充填法建立數值模擬，研究了在水巖耦合條件對于地表沉降的影響，得出了從采區到地面，沉降量不斷增大的結論。

馬城鐵礦屬于深部大規模開采礦山，其礦體埋藏深，地質條件復雜，根據礦體的厚度、傾角和夾石情況，數值模擬方案決定采用兩步回采及充填方案。使用FLAC3D對馬城鐵礦V礦體回采和充填前后采場圍巖與充填體穩定性、圍巖破壞特征以及應力、位移變化規律進行數值模擬，研究在回采卸荷擾動作用下，圍巖與充填體的穩定性，以期為馬城鐵礦的實際生產提供指導建議。

1 地質概況

1.1 地質特征及采場結構參數設計

馬城鐵礦設計生產規模2 500萬t/a，是國內特大型地下開采礦山。該鐵礦Ⅴ號礦體屬于鞍山式沉積變質貧鐵礦床，是礦區里資源儲量最多的一條礦體，礦體賦存標高-47～-1 404 m。礦體傾角大于40°，傾向為南西，由平行的2層礦體組成，上層礦平均水平厚度110 m，下層礦水平厚度小于70 m，并且在深部合并為一條礦體，中間夾石的數量隨礦體賦存深度的增加而減少。

Ⅴ號礦體選用階段空場嗣后充填采礦法。開采最深到-900 m，設計為高階段、大采場，按采場長軸垂直礦體走向方向和沿礦體走向方向劃分采場。礦體上層礦盤區長度為108 m，其下盤三角部位沿礦體垂直走向方向布置采場，礦房結構參數為高度60 m，寬度18 m，長度不大于70 m；盤區里剩余的厚大礦體的采場平行走向布置，每個采場寬度也是18 m。采用大直徑深孔爆破落礦，采場圍巖在開挖卸荷和爆炸沖擊荷載多步擾動作用下，巖體中的應力集中、變形產生擾動能量，在高應力、大暴露面積條件下易誘發巖爆。V號礦體布置形式見圖1。

1.2 礦巖力學參數

根據《GB/T50266—99 工程巖體試驗方法標準》的有關規定，分別制作了6個尺寸為φ50 mm×100 mm及6個φ50 mm×50 mm的混合花崗巖試塊和礦體試件，使用TAW-300三軸實驗壓力機，分別進行室內巖石力學單軸壓縮實驗以及劈裂實驗，如圖2所示，得到基本力學參數如表1(充填體實驗類似)。

圖1 采場布置圖(單位：m)Fig.1 Stope layout drawing

圖2 圍巖力學實驗Fig.2 Mechanical test of surrounding rocks

表1 基本力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2 數值模擬的構建及模擬方案

2.1 模型構建

本次針對上層沿走向礦體進行圍巖與充填體數值模擬，選用摩爾-庫倫模型作為本構模型，在V號礦體-900 ～-540 m的范圍內。上層礦的階段高度為60 m，寬度為110 m。所模擬尺寸的X方向為640 m，Y方向500 m，Z方向為360 m，如圖3。

圖3 三維實體模型Fig.3 3-dimensial model

2.2 模擬方案

對V號礦體分步開挖回采，隔一采一，同時分兩步充填，先進行膠結充填，再進行尾砂充填。采場長寬高為110 m×18 m×60 m，用沿礦體走向和垂直礦體走向布置采場，如圖4所示。上層礦的下盤三角礦體以及下層礦體用垂直礦體走向采場回收，上層礦體用沿礦體走向采場回收。

3 數值模擬分析

為了便于對上層礦體模型各個計算參數的提取與變形的觀測，將模型進行切片處理，根據切片處理的結果，從3個角度進行分析如下。

3.1 應力分析

提取礦體分步回采與模型Z方向應力云圖的計算結果，見圖5所示。一步回采后，礦柱底部和頂板處產生了應力集中現象，出現36.45 MPa的最大壓應力和14.67 MPa的最大拉應力；二步回采后，應力集中分布在底板與頂板處，最大應力達69.35 MPa，部分圍巖處于失穩。一步膠結充填后，經充填體的作用，側幫與頂板處出現32.3 MPa的應力值，膠結充填體初始狀態下其自身的強度和自重使得礦房和礦柱的穩定性在一定程度上得以增加，恢復了采場圍巖三維受力狀態，起到了抑制底鼓和礦房頂板沉降的作用；二步尾砂充填后，應力重新分布，使得尾砂充填體、膠結充填礦柱及其圍巖共同協調承載，礦柱及圍巖受力趨向均勻化分布，保證了采場的穩定性。

圖4 礦體回采及充填步驟圖Fig.4 Mining and filling sequence diagram

圖5 Z方向應力云圖Fig.5 Z-direction stress cloud

3.2 位移分析

提取礦體回采的頂板最大沉降位移隨礦體回采及充填的計算結果及豎直位移云圖，如圖6所示。一步回采后，礦房上部的沉降和底部底鼓現象明顯，頂板處出現2.26 cm的最大沉降位移，底部出現1.96 cm的最大底鼓位移；二步回采時，可以看到側幫有15.01 cm位移出現，原因是由于充填體抗拉強度較小，相對于頂板垮塌與底鼓，更容易出現側幫破壞。礦房逐步回采后，礦體下層與右側圍巖的底鼓現象明顯(底鼓最大可達4.75 cm)，隨著礦房的分步回采與充填后，采場的最大底鼓位移逐步增大。一步膠結充填后，充填體一定程度上起到了抑制底鼓和礦房頂板沉降的作用，由于膠結充填體充當礦柱作用，導致其位移變化明顯；二步尾砂充填后，最大沉降位移與之前相比基本不變，說明充填體較好地維護了采場圍巖的穩定性。

圖6 Z方向位移云圖Fig.6 Z-direction displacement cloud

3.3 塑性區分析

圖7為礦房的塑性區模擬結果。根據圖7得出，礦房一步回采后，在礦房底板的位置，出現了有規律分布的塑性區，大部分的破壞方式為拉伸破壞；二步回采后，深部礦房頂底板塑性區明顯增大。一步膠結充填后，充填體出現了拉伸和剪切破壞的區域；經過尾砂充填后，尾砂充填體周圍的塑性區沒有繼續增大，充填體進一步抑制了采空區塑性區的發展。

圖7 塑性區分布圖Fig.7 Plastic distribution maps

4 工程應用效果分析

根據本研究所得到的采場結構參數、回采及充填順序，選取了現場Ⅴ號礦體上層礦盤區為試驗礦塊，采用間隔相鄰礦塊二步回采，采場寬度18 m、采場長度30 m、高度30 m。一步回采充填料漿灰砂比1∶6，二步回采充填料漿灰砂比1∶12，采用階段空場嗣后充填采礦法。根據現場回采、充填效果來看，一步充填工作后，充填體穩定性較好，充填過程圖片見圖8(a)，充填體強度達到了5 MPa左右，為相鄰二步礦塊回采起到了較好的支撐作用。二步回采過程中采場頂板圍巖總體上穩定性中等，局部出現了掉塊、小范圍冒頂，鄰幫充填體局部出現零星脫落，總體穩定性較好(二步回采充填后的采場見圖8(b))。試驗礦塊回采充填效果表明：該技術方案充填體對采場圍巖起到了較好的支撐作用，采場穩定性控制效果較為理想，方案可靠性較高。

圖8 工程應用效果Fig.8 Engineering application effect

5 結 論

(1)確定了對V號礦體分步開挖回采，隔一采一的回采順序，然后再分別進行膠結與尾砂充填的充填順序。該回采與充填順序可以有效地控制空區圍巖破壞，恢復采場圍巖三維受力狀態。

(2)一步回采后，礦房出現頂板下沉和底板上鼓現象，最大應力達到36.45 MPa，說明深部高應力條件下大采場回采，應力集中現象明顯，采場圍巖局部出現塑性破壞；二步回采時，由于巖層受到前一步回采擾動，導致采場暴露面積加大，原巖應力狀態急劇變化，使礦柱位置應力集中加劇，最大集中應力達到69.35 MPa，頂板最大位移15.01 cm，采場部分圍巖處于失穩狀態。因此礦山企業應加強圍巖變形監測、地應力變化特征、充填體強度變化等監測工作，以確保井下安全生產。

(3)一步回采膠結充填后，膠結充填體在一定程度上恢復了圍巖三向受力狀態，礦房頂底板應力集中程度減弱；二步回采尾砂充填后，充填體進一步抑制了空區塑性區的發展，圍巖受力分布相對均勻，頂底板變形得到了有效控制，保證了深部大采場開采的安全性和可靠性。現場施工中，可采用灰砂比1∶4～1∶6的充填體，以保證后續二步開挖采場圍巖的穩定性。

(4)現場工程應用表明，采用該方案確定的結構參數及二步回采順序確定的灰砂比，可保證采場回采的穩定性，從而驗證了試驗方案的可靠性。

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