廟嶺金礦采空區混合強度充填方法研究①

徐衛東， 張永亮， 陳曉利， 楊 勇， 吳 迪

（1.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000； 2.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520； 3.河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471023； 4.中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院，北京 100083； 5.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

膠結充填是一種既能解決地表尾礦堆存問題，又能控制采場地壓、提高回采率，同時防止地表沉陷的采空區處理方式［1－2］。 充填采礦法在金屬非金屬礦山得到了廣泛應用［3－4］，但充填成本高依然是阻礙膠結充填更大范圍應用的因素之一。 在以水泥為膠結劑的膠結充填采礦法中，水泥成本占到總充填成本的60%～80%［5］，因此控制充填成本通常從減少水泥用量和尋求低成本、高性能膠結充填材料兩方面著手。 主流的膠結充填材料包括堿激發膠凝材料［6］、高水材料、膠固粉［7］等，根據充填材料性質的不同，可以選擇合適的膠凝材料［8］。 水泥作為膠結充填中的主要膠結材料，對充填體強度有重要影響［9－11］，且充填體強度與料漿中水泥摻量成正相關［12］。 根據強度需求，針對不同充填部位使用不同強度的充填體能在一定程度上減少水泥用量，降低充填成本。 比如，在上向水平分層充填采礦法中，對礦房使用高強度充填體充填，礦柱則使用低強度充填體充填。 本文以廟嶺金礦某采空區為例，通過數值模擬方法，研究了在不改變現有采場參數和充填體參數基礎上，使用高強度充填體充填礦房、低強度充填體充填礦柱（簡稱混合強度充填體充填）處理采空區的可行性。

1 工程概況

廟嶺金礦位于河南省洛陽市西南約89 km 處的嵩縣大章鄉東灣村，礦巖以流紋巖和碎裂巖為主，其中流紋巖及凝灰熔巖一般致密、堅硬，裂隙不發育，穩固性較好。 礦體主要為層狀結構，穩定性較好，局部礦段硅化較強，巖石致密堅硬，巖石質量指標（RQD 值）大于50%，礦體巖體基本質量等級為Ⅱ級，巖體為較完整結構。 本文所選采場埋深312 ～352 m，使用上向水平分層充填采礦法。 采場所在礦體平均傾角27.5°，平均水平厚度39.38 m，平均真厚度18.19 m。

2 數值模型建立與設定

2.1 構建模型

COMSOL Multiphysics 是一款先進的、功能強大的有限元模擬軟件，能有效模擬和解決巖土力學問題。根據已有地質勘探資料和采場參數確定了建立幾何模型所需參數，見表1。

表1 采場參數

按表1 所示參數，以1 ∶1建立如圖1 所示的幾何模型，模型尺寸（長×寬×高）為700 m×400 m×500 m。模型以垂直礦體走向為X方向、礦體走向為Y方向、豎直向上為Z方向。

圖1 數值模擬幾何模型

2.2 確定模擬方案

為了驗證在不改變現有采場參數和充填體參數條件下配合使用混合強度充填體處理采空區方案的可行性，采用數值模擬的方法對比不同采空區處理方案的巖層應力分布情況和位移分布情況，具體數值模擬方案如下：

1） 模擬計算礦體開采前巖層應力分布，為后續模型應力平衡提供數據。

2） 模擬計算礦體開采后不充填采空區情況下采空區附近及巖層應力、位移分布。

3） 模擬計算礦體開采后使用高強度充填體充填采空區時充填體附近及巖層應力、位移分布。

4） 模擬計算礦體開采后使用混合強度充填體處理采空區時充填體附近及巖層應力、位移分布。

5） 通過對比各采空區處理方案的應力、位移分布情況得出結論。

不同充填體配比參數見表2。

表2 充填體配比參數

為了更直觀觀測采空區及充填體附近及其巖層的應力、位移分布，在與礦塊底部垂直距離20 m、50 m 和80 m 處設置了高度h分別為20 m、50 m 和80 m 共3組水平截面，同時在礦塊的合適位置設置了垂直截面。各截面布置示意如圖2 所示。

圖2 觀測截面布置示意

2.3 邊界條件和物理參數設置

模型中用到的具體邊界條件設置見表3。 數值模擬中需要用到的礦巖物理力學參數見表4。

表3 模型邊界條件設置

表4 礦巖物理力學參數

3 模擬結果及分析

3.1 礦體開采前巖層應力分布

圖3 為礦體未開采時模型整體應力分布云圖。 從圖3可以看出，巖層中應力分布均勻，無明顯應力集中，最大應力約為10 MPa；隨著埋深加大，巖層中應力值也逐步均勻增長，且同一埋深的水平面應力大小相近。

圖3 礦體開采前模型整體應力分布

3.2 礦體開采后巖層應力分布

圖4 為采用不同方案處理采空區后模型整體應力分布云圖。 對比開采前巖層中應力分布情況，3種采空區處理方案都出現了不同程度的應力集中，主要出現在采空區附近或充填體與圍巖交界處附近。 采用不充填采空區方案時，巖層中最大應力由未開采時的10 MPa升至約36 MPa；而采用高強度充填體和混合強度充填體充填采空區時其巖層中最大應力分別約為15 MPa 和16 MPa，說明相較于不充填采空區方案，采用高強度充填體或混合強度充填體對采空區進行充填處理都能有效減弱巖層中的應力集中。 同時可以看到，在遠離采空區或充填體區域，巖層應力分布與礦體開挖前巖層應力分布接近。 這主要是因為礦體開采破壞了原有應力平衡，應力需要重新分布達到新的平衡，這會導致采空區附近一定范圍內形成應力增高區或應力降低區，超出該區域范圍的區域則表現為原巖應力。

圖4 不同處理方案下模型整體應力分布

圖5 和圖6分別為采用不同方案處理采空區后垂直截面和h＝20 m 截面應力分布云圖。 從圖5 ～6可以看出，采用3種采空區處理方案處理采空區后，巖層中應力分布呈現出相同規律。 從垂直截面來看，在采空區或充填體上方和底部形成應力降低區，在采空區或充填體兩側則會形成應力增高區；礦體上盤巖層相當于其下部采空區或充填體上方巖層，礦體下盤相當于其上部采空區或充填體下方巖層，故水平截面左右兩側為應力降低區、前后兩側為應力增高區。 從截面應力分布云圖來看，由于充填體強度低于礦巖，承受的應力也低。 值得注意的是，使用混合強度充填體充填采空區時，礦房充填體和礦柱充填體承受的應力有所差異。 出現這一現象的主要原因是礦柱充填體強度較低，受到相同應力時變形量更大，使得應力向強度較高的礦房充填體和附近礦巖轉移，這也是使用高強度充填體處理采空區方案相較于使用混合強度充填體處理采空區方案能更有效減弱應力集中的原因。

圖5 不同處理方案下垂直截面應力分布

圖6 不同處理方案h＝20 m 截面應力分布

3.3 礦體開采后巖層位移分布

圖7 為不充填采空區時不同水平截面的垂直位移分布云圖。h＝20 m 截面位于采空區內，故垂直位移量最大；礦體開采導致巖層中應力重新分布，采場伴隨有頂板下沉和底鼓現象，即礦體上盤發生下沉位移，礦體下盤發生上向位移，其中上向位移達到0.122 m、下沉位移達到0.130 m。h＝50 m 和h＝80 m 截面位于采空區上方，因而截面內采空區上方位置發生不同程度的下沉位移，但位移量相較h＝20 m 截面有所減少。h＝80 m 截面與采空區垂直距離更大，截面內發生的位移比h＝50 m 截面小，且位移分布更接近放射狀。

圖7 不充填采空區時水平截面垂直位移分布

圖8～9 為高強度充填體與混合強度充填體處理采空區方案水平截面垂直位移分布云圖。 對比2種方案的位移分布云圖可以得出與不充填方案類似的結論。 值得注意的是，對采空區進行充填處理的2種方案在相應水平截面的位移要遠小于不充填采空區方案。 同時，混合強度充填體處理采空區方案由于使用了部分低強度充填體，其各截面位移要略大于高強度充填體處理采空區方案。 以h＝50 m 截面為例，不充填采空區時截面最大位移為0.105 m，采用高強度充填體和混合強度充填體充填采空區后，該截面最大位移分別減至0.040 m 和0.046 m。 從h＝20 m 截面可以看出，該截面最大位移發生在充填體邊緣，從充填體邊緣到中部，位移逐漸減小，且充填體附近巖層位移隨著與充填體邊緣距離增大而減小。

圖8 高強度充填體充填采空區水平截面垂直位移分布

圖9 混合強度充填體充填采空區水平截面垂直位移分布

圖10 為采用不同方案處理采空區時水平截面最大下沉位移變化曲線圖。 從圖10可以清晰地看出，對采空區進行充填處理在控制采場位移方面有顯著作用。 使用混合強度充填體處理采空區時，采場周圍和上覆巖層位移與使用高強度充填體處理采空區方案相差不大，結合圖6，可以認為使用混合強度充填體處理采空區方案能在保證充填效果較好的同時減少水泥用量、降低充填成本。

圖10 不同處理方案水平截面最大下沉位移

4 結 語

1） 對采空區進行充填處理能將采空區圍巖由二維應力狀態變為三維應力狀態，有效改善采場應力狀態，減弱應力集中，同時減小礦體開采帶來的巖層位移，更好地保護地表環境。

2） 充填體力學性能（主要為強度）越高，其控制巖層位移和減弱應力集中的效果越明顯，但充填體強度越高則充填成本越高。 使用混合強度充填體處理采空區可以在保證良好充填效果的同時一定程度上降低充填成本。

3） 通過數值模擬對比了使用混合強度充填體和高強度充填體處理采空區的巖層位移及應力分布情況，認為在不改變現有采場參數和充填體參數基礎上，使用混合強度充填體處理采空區方案可行。