充填開采覆巖及地表移動規律數值模擬研究

李洪波，周 聰，李瑞峰

（華北地質勘查局第四地質大隊，河北 秦皇島 066000）

1 引言

我國各種有色金屬的開采量均在世界前列。隨著有色金屬礦井開采年限的增加，很多有色金屬礦面臨著資源枯竭危機，進入殘采階段或者進入衰退期。對于這些有衰退現象的礦井，大部分礦井不得不采用傳統技術無法開采的“三下”（建筑物下，鐵路下，水體下）壓物的問題。為解決三下采有色金屬所帶來的的問題，充填開采逐漸普及起來。一般將矸石作為充填材料。近年來充填開采的研究，在控制地表移動及礦層上覆巖層的變形中起到了很大的保護作用，對提高有色金屬資源的經濟效益起到了重要意義。然而，目前關于上覆巖層移動規律的研究較少，本文針對這一特點，主要研究了以下兩點：

（1）通過改變巖塊的力學參數，研究某有色金屬礦地區，巖塊的力學參數對地表下沉的影響，從而對參數調整提拱較為準確的意見。并對上覆巖石移動規律進行分析，對比了同一水平覆巖移動和不同水平覆巖移動的區別。

（2）本文針對某有色金屬礦的1312工作面和1316工作面利用FLAC軟件進行數值模擬，分析對比了垮落開采和充填開采對某有色金屬礦地表的影響，從下沉值、水平移動值、水平變形、傾斜變形等多個角度闡述了充填開采給巖層控制帶來的巨大改變。并研究垮落開采和充填開采的動態變化，分析了兩種開采方法在動態過程中的區別和特點。

2 巖體力學參數對地表下沉的影響

通過改變巖體的物理參數，觀察地表下沉情況。本節的模型依據某有色金屬礦實際情況建立，具體模型如下：以礦層傾向為x方向，走向為y方向，重力方向為z軸建立直角坐標系xyz，其中傾向寬度為1520m，走向長度為1680m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分走向部分為240m，傾向部分為140m，具體模型本文省略。所有巖層的本構模型均選擇摩爾-庫倫模型。實驗室所獲巖體物理參數如表1。

表1 巖層物理力學參數

3 數值模擬模型建立及參數調整

3.1 礦區工作面簡介

以某有色金屬礦某工作面采礦條件模型為例，該工作面平均采挖礦層厚為3.01m，地面標高為+36.5～+37.2m，工作面標高為-500～-555m，工作面采用前進式即采即充的充填方法。為了獲取可靠、準確的地表移動觀測數據，在1312、1316充填工作面上建立3條地表移動觀測線2條不規則的觀測線（如圖1）：A線、B線垂直于充填工作面推進方向布設，C線沿工作面推進方向布設，D、E線為不規則觀測線。

圖1 觀測線分布圖

3.2 數值模型巖樣物理參數校準

為了準確高效地反演出模型參數，本文采用不同的方案擬合出的結果與實際經驗值作比較，對巖體的抗拉強度等參數利用均勻設計的方法進行初始參數計算。建立的模型基本情況如上文，其中傾向寬度與走向長度均為2000m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分為800m×800m，具體模型如圖2所示。

圖2 某礦的實際模型

本文在對巖體力學參數進行反演分析時，采用均勻正交設計的方法。該方法優點為可研究多種因素相互作用的結果。該方法可利用正交性原理，有選擇性挑選出典型的具有代表性的實驗點進行實驗，從而比較全面的反映實驗結果的同時又能大大的減少實驗次數。該方法初步解決了由于選擇初值不合理和由實測數值計算工作面參數失敗的問題。各因素水平及正交實驗表如表2所示。

表2 正交實驗表

根據實驗室模擬與計算結果得出：該地區的垮落下沉系數在0.8～0.9之間，所以地表的最大下沉數值應該在2.5m左右。通過正交實驗，得出了第7組正交實驗結果較好的結論。由第7組巖層參數與實際巖層參數更為吻合。垮落法下，頂板的下沉值在2.5m左右，符合實際情況。

3.3 某有色金屬礦實際模型的建立

根據上節中獲取的工作面實際巖體物理參數，建立非充分采動工作面模型如下：模型建立坐標系基情況如上文所示。其中傾向寬度為1520m，走向長度為1680m，巖層總厚度為573m，模型開挖部分為240m＊140m，采用即采即充開采，具體模型如圖2所示。所有巖層的本構模型均選擇摩爾-庫倫模型。經計算可知地表的最大下沉值在125mm左右，頂板的垮落高度在600mm左右，充填體的充實率在80%左右，符合實際情況值。取模型地表距邊界60左右沿傾向的10個點，與B觀測線中的B20-B30的10個點做數據對比，對比圖如3所示。

圖3 B20-B30實測值和模擬值對比圖

發現地表的下沉曲線較為相似，最大值也較為相近。證明上節進行的參數反演是較為準確的。

4 固體充填巖層移動規律

4.1 數值模型建立

根據前章節得到的各巖塊物理力學參數，結合工作面1312和工作面1316建立如下工作面。模型大小為1520m×1680m，開采深度為573m，有礦層實際采厚為3m，礦層為水平礦層，建立模型如圖2。礦層參數采用上一章的調參得到的巖體力學參數表1。

4.2 覆巖及地表移動規律研究

4.2.1 垮落開采和充填開采結果分析

（1）地表下沉對比

圖4 垮落法與充填法地表下沉對比

提取地表走向主斷面上的最大下沉值與水平移動值進行比較，如表3所示。

表3 充填開采和垮落開采的表土主斷面數據對比

從以上數據得知，充填開采與垮落開采最大下沉值分別為0.13和0.62；充填開采與垮落開采最大水平移動值分別為0.07和0.23。由以上數據此可知垮落開采的下沉值和水平移動值都比充填開采要大。從減小的幅度可以看出，充填開采的下沉值減小了73%，水平移動值減小了70%。

（2）頂板下沉對比

可以明顯看出充填法開采和垮落法開采對于頂板的管理效果是十分有別的，在頂板的正下方，垮落開采的頂板可以下沉2.8m左右，而充填開采的頂板下沉僅為0.5m左右。由于頂板的下沉量占地表總體下沉量的70%～80%之間，這就直接導致了地表下沉值和水平移動值的區別。

圖5 垮落法與充填法開采頂板下沉圖

（3）水平變形和傾斜變形

從表4數據可知，充填開采中最大下水平變形和最大傾斜變形為0.42m和0.43m，而垮落開采的最大水平變形和最大傾斜變形分別為1.38和1.48。再次說明充填開采對地表的控制效果更好。

表4 水平變形和傾斜變形對比

4.2.2 垮落開采和充填開采動態分析

在上一節中對充填開采與跨落開采做了數值模擬分析，并對二者的結果做了比較，為了解充填開采與傳統垮落開采上覆巖層的動態變形過程，現對原模型進行分步充填開挖，及工作面推進60m，推進120m，推進180m，推進240m時分別提取地表主斷面的下沉值，將其綜合比較。先將充填開采與傳統垮落開采的下沉過程進行對比分析如下：

（1）下沉值對比

圖6 充填開采不同推進距離地表下沉圖

圖7 垮落開采不同推進距離地表下沉圖

表5 動態下沉值數據對比

（2）水平移動

圖8 充填開采不同推進距離地表水平移動值

圖9 垮落開采不同推進距離地表水平移動值

表6 動態移動數據對比

通過對比充填開采與傳統垮落開采每一推進距離的最大下沉值可知，隨工作面推進距離的增大，充填開采與傳統垮落開采下沉的最大值都在增加。但是，充填開采的下沉值是一直都比垮落開采小的，從上兩數據表的橫向上比較可知，充填開采的最大下沉值，工作面推進同樣的距離后，地表的最大下沉值變化幅度是不同的，明顯可以看出，充填開采沒開挖60m的距離后，最大下沉值的變化幅度變小了，而垮落開采變化的幅度基本沒有變化。

（3）充填開采巖層動態分析

為更詳細的分析框層上覆巖層的變換，在模型上取若干條測線進行分析。如圖20所示測線1在礦層頂板3m水平處、測線2在頂板上方43m水平處、測線3在表土層水平處。縱向上布設測線4（開切眼處）和測線5（采空區中心）上距頂板3m、23m、43m、73m和143m處布設觀測點。

圖10 測線分布

同一水平覆巖運動特點。本節的主要做法是，在開挖到不同距離的階段，取測線1和測線2的地表下沉值，進行對比分析。

由圖11可知結論為：當模擬條件與實際情況基本吻合時，測線1最大數值623mm，這主要原因是隨著采掘的進行，礦矸石運至采空區并充滿采空區，大大限制了頂板的下沉數值，從而直接阻止了上覆巖層下沉與水平移動，間接控制了地表沉降與移動的趨勢。當采空區內的矸石受上覆巖層的擠壓時，矸石受擠壓的空間與上覆巖層沉降空間相等，所以上覆巖層的沉降空間受礦矸石的作用減小，相應沉降速度也隨之減小。由圖12可知測線1與測線2各個監測點沉降數值差值基本均勻，即覆巖層與層之間沒有出現所謂的離層現象發生，這歸咎于采空區內的矸石阻礙了上覆巖層的下沉，巖層內部抗拉強度遠遠大于其內部應力，覆巖無垮落、斷裂、破碎的現象發生。基本頂覆巖隨著工作面推進向法向方向彎曲、移動。

圖11 測線1地表走向主斷面下沉圖

圖12 測線1與測線2地表走向主斷面下沉對比

不同水平覆巖運動特點。圖13為測線4上各點隨工作面推進的下沉曲線。在該圖中整體覆巖表現出連續、漸進沉降的特點。該圖中所示，在同一豎直面內各監測點隨掘進面工作點與點之間距離較為平穩，開始挖掘階段，各點的下沉幅度都較大，隨著工作面的推進，上覆巖層各點下沉速度在減小。在圖中，礦層開始推進階段，各點的下沉較小，當推進到120m時候，采空區中心上方的各點有明顯的下沉變化。隨著工作面的繼續推進，下方巖層與充填的矸石接觸漸漸飽和，下沉趨勢減小，隨著充填材料破碎再壓實再到破碎這一過程反復進行，壓密過程漸漸達到平穩。

圖13 測線4不同點隨著開挖距離動態下沉

5 結束語

本文運用FLAC軟件對覆巖巖體力學參數對地表下沉的影響進行模擬計算，建立了某礦實際采礦區工作面模型，對充填開采對覆巖及地表下沉影響進行分析，總結了以下幾點結論：

（1）對于某有色金屬礦的巖層各物理參數對地表變形的影響，做出了總結概括，不同物理參數對于地表下沉值有不同程度的影響，合理的選擇參數變化，才能更快速的得到符合實際情況的巖體物理力學參數。

（2）矸石充填開采圍巖力學參數環境隨之改變，隨著工作面的推進，充填率的提高，采空區周圍主應力顯著減小。矸石充填物料的壓實度與殘余壓縮率對圍巖活動具有良好的控制影響作用。

（3）充填開采與垮落開采相比，無論是最終結果還是動態開采過程，在地表下沉、水平移動、水平變形和傾斜變形等多方面，充填開采都顯示出它對上覆巖層移動更好的控制。在模擬計算矸石充填采空區時，工作面向前推進，上覆巖層表現出相對穩定的特性，且覆巖層緩慢下沉，表明了充填開采對覆巖及地表沉降具有良好的控制作用。

（4）垮落法與充填法開采上覆巖層及周邊圍巖巖層的應力變化特征有相同，但也存在一定差別，掘進工作面壁兩側范圍與支撐壓力均遠遠小于垮落法開采。充填開采上覆巖層應力保持完整規律一致性，不會出現劇烈沉降現象。