階段嗣后充填法采場應力與變形規律及穩定性研究

胡 超 丁成功 金長宇 東龍賓 陳五九

（1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600；4.安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，安徽 六安 237484）

隨著國家對礦山開采造成的地表塌陷、土地占用等環境問題越來越重視，空場嗣后充填采礦法逐漸成為金屬礦床地下開采的重要選擇［1-4］。為了增加礦石產量降低礦石回采成本，空場嗣后充填法的階段高度呈現出不斷上升的趨勢，同時采場穩定作為地下礦床開采的前提條件，又在一定程度上限制了采場階段高度的提升。采場穩定性涉及的影響因素眾多，使得采場穩定性分析存在極大困難。目前國內外學者主要采用相似材料試驗、數值模擬、理論分析、現場監測等［5-9］方法，對地下采場礦柱圍巖的應力變形及破壞規律進行研究。杜翠鳳等［10］采用現場鉆孔監測與相似材料試驗相結合的方法，得到了無底柱分段崩落法在開采過程中頂板圍巖的變形規律；宋衛東等［11］、徐文彬等［12］采用數值模擬方法研究了階段空場嗣后充填采場圍巖的破壞規律和采空區破壞機理；吳迪等［13］、李剛等［14］采用相似材料試驗方法研究了階段空場嗣后充填采場頂板和間柱的變形規律；徐偉蘭等［15］采用數值模擬方法對大直徑深孔階段空場嗣后充填采場穩定性進行了研究；吳亞斌等［16］、吳振坤等［17］通過數值模擬研究了礦房回采充填順序對采場穩定性的影響；張海波等［18］、王龍等［19］采用理論分析和數值模擬相結合的方法，研究了空場嗣后充填采場在不同礦柱間距情況下礦巖應力和位移變化規律。以上學者采用相似材料試驗、數值模擬、理論分析、現場監測等方法對不同礦山進行了研究，實踐證明以上方法均能為礦山安全生產提供理論指導。目前，對于急傾斜厚大礦體大尺寸階段空場嗣后充填開采使用數值模擬方法較多，在采場穩定性方面很少使用相似材料試驗這種直觀的研究方法。礦山開采環境各異，任何方法在面對不同礦山時均可能有不足之處，理論分析簡單易行，但對于復雜地質因素的討論過于理想化，理論模型過度簡化會導致較大誤差；現場監測具有真實可靠的優點，但監測工作量大、周期長、成本高；數值模擬具有豐富的本構模型，能夠求解各種復雜地質條件中的工程問題，在工程穩定性的判斷界線上不夠清楚；相似材料試驗將實際工程縮小到模型中，對模型按照實際工程方案進行模擬，能夠直觀反映采場應力、變形規律［20］，但相似材料試驗的定量描述不夠精確。因此，本研究采用相似材料試驗和數值模擬相結合的方法，對急傾斜厚大礦體礦房階段高度提升后新中段采場內礦柱和圍巖的應力、變形變化規律進行研究，通過模型直觀判斷采場破壞情況和穩定性，結合應力監測和變形監測，研究頂板變形規律、礦柱破壞位置和破壞模式，采用數值模擬方法分析礦柱寬度和礦房回采充填順序對采場應力及變形規律的影響。

1 工程概況

礦區位于霍邱縣城西北31 km，地處周集鎮和馮井鎮之間，北距淮河10 km、阜陽45 km。礦區東側為G105國道，西側有濟廣高速和阜陽—六安鐵路，向南與312國道、寧西鐵路相連，可至六安、合肥、南京等地，交通十分方便。礦床類型為大型鞍山式沉積變質鐵礦床，礦體埋藏在146～196 m厚的第四系覆蓋層之下，屬隱伏礦床。第四系之下為基巖古風化帶，厚度為20～70 m，一般為40 m左右，接近古風化帶礦石為氧化礦，氧化礦帶厚度為28～61 m。氧化帶以下為原生磁鐵礦體，主要為石英磁鐵礦，礦體較堅硬、完整。礦體頂板主要為黑云片巖，巖石堅硬，整體性好，底板主要為角閃斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖，頂底板穩固性中等。礦體走向長2 300 m，分布在2～24號勘探線之間，最大埋深近700 m，傾角30°～70°，自西向東由I、II、III號礦體組成。

目前-450 m中段的回采工作已經接近尾聲，需要對新中段進行開拓，擬將-390 m中段的階段礦房高度從上中段的60 m提升至90 m，階段礦房高度在原來的基礎上增加了50%，采場應力變形規律及穩定性有待研究。

2 相似材料試驗

2.1 相似理論

相似材料實質是將工程按照一定比例縮小制作成模型，并有相似理論作為基礎，模型與原型之間相同量綱參數具有相同相似比，無量綱參數相似比為1，保證了模型和原型之間的相似性。幾何相似比CL、容重相似比Cγ、摩擦系數相似比Cf、內摩擦角相似比Cφ、泊松比相似比Cμ、應變相似比Cε、彈性模量相似比CE、應力相似比Cσ之間滿足如下關系：

試驗選取3個盤區礦房設計相似材料試驗，盤區礦房長100 m，礦柱寬18 m，盤區內有3個寬度為15 m的一步膠結充填礦房和2個寬度為18.5 m的二步全尾砂充填礦房，模型長度對應工程長為480 m；豎直方向上為標高在-460～-240 m之間的區域，包含-450 m中段正在回采階段高度為60 m的采區和-390 m擬采中段階段高度為90 m的采區，總高220 m。試驗臺尺寸為2 400 mm×300 mm×1 100 mm，根據相似原理，確定幾何相似常數CL=1∶200，容重相似常數Cγ=1∶2，應力相似常數Cσ=1∶400。

2.2 相似材料配比

試驗為二維平面相似材料試驗，整個模型材料主要為礦體、膠結充填體和尾砂充填體3種材料，選用EPDM橡膠顆粒作為尾砂充填體的相似材料，珍珠棉為膠結充填體的相似材料，河沙、重晶石粉和石蠟為礦體的相似材料成分。根據相似原理，通過試驗，測試不同配比條件下材料的力學參數，得到的礦體相似材料配比見表1。

2.3 模型制備

按照河沙∶重晶石粉∶石蠟=8∶2∶1的配比進行試驗模型堆建，制備過程如圖1所示。將河沙和重晶石粉加入攪拌機中進行混合預熱，預熱完成后倒入融化的石蠟攪拌均勻，將制備好的材料裝填到試驗臺上，在設計的應力監測位置預埋應力傳感器，并壓實模型。模型養護完成后拆除擋板，在模型上確定礦體界線，并在模型上粘貼非編碼點，在試驗臺上設置編碼點。

2.4 試驗監測方案

試驗采用光學三維攝影測量系統和靜態應力采集系統兩種監測方法，對模型在回采充填過程中頂板圍巖變形和頂板、礦柱應力進行監測。在模型上布置了變形監測區域和4個應力監測點，如圖2所示。1、2步回采充填為1號礦房，3、4步回采充填為2號礦房，5、6步回采充填為3號礦房，7、8步回采充填為4號礦房，9、10步回采充填為5號礦房，11、12步回采充填為6號礦房。試驗中盤區礦房回采充填順序與現場施工方案一致，即1～6號礦房依次回采充填。

2.5 充填回采試驗

因試驗臺尺寸限制，模型頂部對應實際工程中埋深H為230 m的位置，礦區以自重應力場為主，物理模型無法模擬的上部巖層，使用試驗臺上方加載系統進行加壓等效上覆巖層產生的壓應力，模型兩側采用位移限制條件，磁鐵礦平均密度ρ為3 598.57 kg/m3，應力相似比C為400，試驗機加載壓頭面積S為0.18 m2，通過公式（3）、（4）計算可得到每個加載壓頭的等效壓力。

式中，σ′為模型加載應力，MPa；F為每個加載壓頭的加載力，N。

試驗開始前對模型加載，所有壓頭加載至3.725 kN保持穩定，使用位移監測系統記錄原始場，開啟應力采集儀采集應力數據，然后對模型進行回采充填試驗，加載保持穩定直至試驗結束后卸載。

圖3（a）和圖3（b）分別為一步膠結充填和二步全尾砂充填過程，礦房內3個一步膠結充填礦房同時開挖，形成的空區一次充填完成，膠結充填完成后對礦房內2個二步尾砂充填礦房進行回采，開挖結束形成空區后，使用有機玻璃板封堵模型兩側，然后進行散體充填。

按照圖3所示的兩步驟回采充填方案依次對1～6號礦房進行了回采充填，試驗過程持續采集應力監測點的數據，并在各中段回采充填結束后對位移場進行了記錄。-450 m中段回采充填完成和-390 m中段回采充填完成后的試驗結果，如圖4所示。分析可知：-450 m中段回采充填完成后盤區礦柱完整無明顯破壞現象，采場穩定性良好。-390 m中段在5號礦房的回采充填過程中，左礦柱在-370 m水平出現開裂破壞，在6號礦房的回采充填過程中，右礦柱在-380 m水平出現開裂破壞，左右礦柱均在礦柱兩側礦房被回采之后發生破壞，回采充填完成后礦柱破壞情況如圖5所示。

3 試驗結果分析

3.1 變形分析

通過各中段回采充填完成后的監測位移場與原始場進行對比分析，可以得到-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后相對于試驗前的變形情況，如圖6所示。分析得到：中間盤區礦房頂板沉降量大于兩側盤區礦房頂板沉降量。-450 m中段回采充填完成后，2號礦房頂板最大沉降量約0.332 mm，1、3號礦房頂板最大沉降量約0.291 mm，圍巖礦柱變形連續，最大變形出現在中間礦房頂板處，采場穩定性良好。-390 m中段回采充填完成后，5號礦房頂板最大沉降量為1.491 mm，4、6號礦房頂板最大沉降量約為1.193 mm，礦柱中部出現變形不連續現象，采場基本保持穩定。

3.2 應力分析

使用應力采集系統記錄了4個監測點的應力隨回采充填步驟變化的數據，得到如圖7所示的監測點應力隨時間的變化曲線。分析得到：1號監測點的應力在前8步回采充填過程中基本保持穩定，在第9步回采充填過程中出現應力跌落，導致此現象的原因是1號監測點位于5號礦房的頂板，第9步回采充填發生在5號礦房內，且位于監測點正下方；2號監測點的應力在前10步回采充填過程中基本保持穩定，在第11步回采充填過程中出現應力跌落，導致此現象的原因是2號監測點位于6號礦房的頂板，第11步回采充填發生在6號礦房內，且位于監測點正下方。1、2號頂板監測點從試驗開始至結束應力處于先穩定再下降后保持穩定的趨勢，在-450 m中段回采充填時1、2號監測點處于壓力拱內，隨著-390 m中段回采充填工作的進行應力拱位置上移，1、2號監測點位于應力拱下方，開挖卸荷作用和應力重分布導致了1、2號頂板監測點的應力出現下降。4號礦房內的第7步回采充填使得左礦柱被揭露出來，導致了3號監測點的應力突躍；5號礦房內的第9步回采充填使得右側礦柱被揭露出來，導致了4號監測點的應力突躍。3、4號礦柱監測點從試驗開始至結束，礦柱中應力處于持續增長趨勢，表明原巖礦柱作為采場主要支承結構并未失穩，一直發揮著支承作用。

將沉降量乘以幾何相似比CL，應力監測值乘以應力相似比Cσ可得到實際值，表2為各礦房頂板在-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后的實際變形量，表3為各監測點在-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后的實際應力值。在新中段開采前后，中間礦房頂板最大沉降量從66 mm增長為298 mm，在原來的基礎上增長了3.5倍；兩側礦房頂板最大沉降量從49 mm增長為236 mm，在原來的基礎上增長了3.8倍。3、4號礦柱應力從19.4 MPa增長到32.8 MPa，應力水平在原來的基礎上提升了69%。新中段的回采導致了礦房頂板沉降量和礦柱內應力集中程度顯著增大，有必要采取相關措施和技術減少采場環境惡化帶來的危害。

4 數值模擬

4.1 模擬方案

通過相似材料試驗中的應力和變形監測數據發現，在-390 m新中段回采充填過程中，礦柱內應力集中程度明顯提升，并發生了破壞現象，礦房頂板是采場內變形量最大的部位，但并沒有發生明顯破壞現象。因此實際回采中礦柱是最有可能發生破壞的部位，為提高礦柱承載能力，增加礦柱寬度是普遍做法。本研究通過數值模擬方法研究不同礦柱寬度（表4）和不同回采順序對采場穩定性的影響。

計算模型如圖8所示，模型中-450 m中段和-390 m中段各5個盤區礦房，計算采用了與現場一致的順序回采方案，即按照1～10號礦房依次回采充填，同時采用了間隔回采方案，即按照1、3、5、2、4、6、8、10、7、9號礦房的順序回采充填。

4.2 計算分析

對表4中的3種方案分別進行建模計算，以塑性區、變形和應力為指標，分析對比不同方案之間各指標的變化趨勢，圖9為不同回采方案與不同回采充填順序的計算結果。

分析圖9可知：不同回采方案均在礦柱內出現應力集中現象，最大值出現在礦柱底部，隨著礦柱寬度增加礦柱內最大主應力逐漸減小，順序回采充填與間隔回采充填的最大主應力基本一致；不同回采方案的最大拉應力均出現在兩側礦房的頂角處，間隔回采充填比順序回采充填形成的最大拉應力??；不同回采方案最大沉降變形出現在8號礦房頂板中，兩側礦房頂板逐漸減小，呈現出對稱趨勢，間隔回采充填比順序回采充填的頂板沉降量小；不同回采充填方案的塑性區主要集中在礦柱中下部和礦房頂板中，隨著礦柱寬度的增加礦柱中的塑性區范圍逐漸減小，順序回采比間隔回采在礦柱中形成的塑性區更小。由于礦房內礦體的回采充填，采場內應力平衡狀態被打破并重新分布，位移和塑性區隨著回采充填而不斷積累，最大沉降出現在中間礦房頂板，導致中間2、3號礦柱應力集中程度和塑性區范圍大于兩側1、4號礦柱，礦房內礦體的回采充填使得采區上方形成應力拱，導致在兩側6、10號礦房邊墻頂部形成了剪切破壞區域。

各方案及不同順序回采情況下采場內各項指標數據統計結果如表5所示。分析可知：隨著礦柱寬度增加，采場內頂板沉降量、最大主應力、最小主應力、塑性區范圍都呈現出下降趨勢。各方案采場沉降量順序回采比間隔回采大，但相差較小均不超過10 mm，采場最大拉應力值順序回采大于間隔回采，順序回采與間隔回采在礦柱內的應力集中程度基本行相同。

5 結 論

通過相似材料試驗和數值模擬對采場穩定性及采場應力變形規律進行研究，得出了以下結論：

（1）采用18 m寬礦柱進行-390 m中段回采充填時，礦柱會在-380～-370 m水平發生剪切破壞，但礦柱并未完全失穩且能夠發揮主要支承作用，采場基本穩定。

（2）礦柱是階段空場嗣后充填采場中主要支撐結構，在礦體回采過程中當礦柱被揭露時，礦柱內應力會明顯增大，隨著礦柱應力逐步積累會出現剪切破壞現象。

（3）巖石質量中等以上的急傾斜厚大礦體在進行階段空場嗣后充填開采時，采場礦柱內會產生應力集中，最大應力出現在礦柱底部；采場最大變形出現在中間盤區礦房頂板，兩側盤區礦房頂板變形呈對稱性減小；盤區礦房間隔回采充填引起采場頂板變形比順序回采充填小，有利于控制采場變形，提高采場穩定性。