偽傾斜分段條帶充填采礦法采場穩定性分析

曾佳龍，周勇，高新，賀保龍，郭虎強，劉瓊，王金連

(1.中藍長化工程科技有限公司， 湖南 長沙 410007； 2.湖南中礦資安工程技術有限公司， 湖南 長沙 410007)

0 引言

云南某礦地層由新至老主要為第四系（Q）、二疊系下統倒石頭組（P1d）、石炭系中統威寧組（C2w）、石炭系下統大塘組（C1d）、泥盆系上統宰格組（D3z）、泥盆系中統海口組（D2h）、寒武系下統滄浪鋪組（∈1c）、筇竹寺組（∈1q)、中誼村組（∈1z)及漁戶村組（∈1y)。礦層位于寒武系下統中誼村組，中誼村組一段中共發育兩層礦，即上礦層和下礦層，上、下兩礦層均具有工業價值，在兩層礦間還發育有一層黏土質頁巖夾層，即開采礦體總體分為上、下礦層及中部夾層共三層。

礦總體為一向南東緩傾斜的單斜構造，礦層產狀較穩定，其產狀與上覆地層基本一致，礦層產狀一般為走向NE～SW，傾向SE，傾角一般為2°～31°，平均傾角為15°，開采范圍內僅有局部區域傾角大于20°。礦區內斷裂構造不發育，對礦層影響不大。

由于礦體賦存特殊，即埋深淺且有兩層礦發育，同類型礦山在云南地區開采實例較少，無可提供參考借鑒的工程經驗。本文借助有限元軟件Midas-GTS及有限差分軟件FLAC3D對該磷礦采場結構參數進行模擬，研究分析不同采場結構參數下的采場頂底板及礦柱的應力應變情況，為科學確定采場結構參數提供依據和理論支撐。

1 開采技術條件及采礦方法

礦體頂板為白云巖、含磷白云巖，裂隙發育，風化弱，性脆易碎，巖石質量極劣-中等，巖體破碎-中等完整，穩定性較好；上覆巖層巖性為細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖，地表裂隙發育，深部不發育，巖體質量劣-好，巖體完整性淺部差，中部較完整，穩固性較好；底板巖層為寒武系下統漁戶村組白云巖、硅質白云巖，風化弱，性脆易碎，巖石質量極劣-好，巖體破碎-較完整，穩固性好。

設計開采范圍內礦層平均厚度為12.37 m。其中，上礦層根據單工程統計結果顯示，厚度為2.62～12.69 m，平均厚度為6.7 m，厚度變化系數為33%，屬穩定類型；夾層巖性為灰白、黃色黏土，厚度為0～3.15 m，平均為1.01 m，呈不連續分布，與上、下礦層均為過渡漸變的整合接觸關系；下礦層根據單工程統計結果顯示，厚度為0.34～12.77 m，平均厚度為5.67 m，厚度變化系數為36%，屬穩定類型。

根據礦體開采技術條件以及地表環境保護的要求，設計推薦盤區式偽傾斜分段條帶充填采礦法，各巖層巖石力學參數見表1，采礦方法見圖1。設計的回采工藝采用下行式開采順序，傾向上先開挖下層礦體，充填后再開挖上層礦體，夾層剔除 處理。

2 數值模擬分析

2.1 有限元法模型建立及模型開挖布置

以偽傾斜分段進路采礦法一個盤區為計算模型，走向長為610 m，傾向寬度為385 m，礦房結構參數：長×寬×高=16 m×8 m×5 m，礦房礦柱 結構參數一致。模擬計算時，礦體埋深選取220 m，采用Mohr-Coulomb本構模型，且根據礦井資料結合現場情況，預計地應力場為水平應力為主導的構造應力場，取模型中礦體下部的初始應力為sxx=syy=1.5szz=11.6 MPa。幾何模型如圖2所示。

表1 巖體物理力學性能參數

圖1 偽傾斜分段條帶充填采礦法三維示意

圖2 偽傾斜分段條帶采礦法采動模擬與穩定性分析模型

本次針對下層礦體回采過程中的應力、位移情況進行模擬分析。

（1）第一步驟: 先開采5個礦房；

（2）第二步驟: 充填第一步驟回采礦房并同時開采剩余礦房；

（3）第三步驟: 充填第二步驟回采礦房并同時開采5個礦柱；

（4）第四步驟: 充填第三步驟回采礦柱并同時開采剩余礦柱。

2.2 有限差分法模型建立及開挖

2.2.1 數值模型范圍及基本假定

數值模型范圍大小及單元劃分對數值模擬結果的精度及可靠性有著十分重要的影響。本次模型建立進行的簡化處理如下：

（1）將巖體視為連續均質、各向同性的力學介質。

（2）忽略小斷層、節理裂隙等不連續面對礦體開采的影響。

（3）計算過程只對靜荷載進行分析且不考慮巖體的流變效應，不考慮地下水、地震和爆破振動對采場穩定性的影響。

（4）井下的開拓巷道、采場工程等對采空區圍巖力學狀態的影響只在局部區域，故在數值模擬中忽略其對采空區圍巖應力分布的影響。

2.2.2 原巖應力場及邊界條件

2.2.2.1 應力場

由于云南某礦尚未進行地應力測量，并且云南某礦屬于露天轉地下礦體，埋深較淺，構造應力影響較小，因此結合云南某礦礦體賦存條件和礦山實際，本次模擬主要考慮自重應力。

2.2.2.2 邊界條件

由于開挖擾動范圍有限，較遠處的巖體位移值很小，可將邊界模型處位移視為0。

此次采空區模型取為：取地表為上邊界，以X軸為法線的立面為左右界面，以Y軸為法線的立面為前后界面，以Z軸為法線的立面為上下界面。對于約束問題，為了與實際情況相符合，將模型中的上表面設為自由邊界（即真實邊界），其他5個面都施加了約束。

2.2.2.3 初始應力場模擬結果

在地應力生成過程中，不加任何位移速度邊界條件，而在各個表面添加應力邊界，兩高程之間的應力采用等差分布。程序先自動采用彈性模型進行求解，并增大模型的黏聚力和抗拉強度，直至體系達到應力平衡狀態，接著將黏聚力和抗拉強度重置為初始設定值進行塑性階段的求解，直至體系最終達到力平衡狀態。經過兩次計算循環過程后，此時，表面的應力場己逐步擴散到整個計算模型內，可得到初始地應力場。

本次采用Mohr Coulomb塑性體模型，盤區、采場基本參數及開挖步驟同有限元模型，模型見 圖3。

圖3 模型示意

2.3 采動模擬及采場穩定性分析

2.3.1 位移沉降分析

采用偽傾斜分段進路采礦法，各步驟開采結束后礦房充填體頂部、底部的位移及變形特征情況見表2。由圖4可得出，采用偽傾斜分段進路采礦法第四步驟開采結束后礦房充填體頂部體現為受壓變形，最大位移沉降量為6.95 mm；礦房充填體底部體現為受拉變形，最大位移變形量為3.89 mm。 同時由于充填體力學強度達不到原巖強度，最大位移分布區域分布更為明顯，受拉變形最大位移區占17.5%。

表2 各步驟開采位移沉降

圖4 第四步驟開采位移沉降

2.3.2最大主應力分析

采用偽傾斜分段進路采礦法各步驟開采結束后，最大主應力在礦房開挖后重新分布，礦房充填體頂部、底部的受力情況見表3。由圖5可得出，第四步驟開采結束后最大主應力重新分布，全部體現為壓應力，最大值為11.6 MPa。

2.3.3 最小主應力分析

由圖6可得出，最小主應力在回采后重新分布，已回采礦柱周圍礦房充填體所受最小主應力大于已充填礦柱周圍礦房充填體所受最小主應力，且最小主應力主要體現為壓應力，最大值為7.94 MPa，局部體現為拉應力，最大值為0.11 MPa，最小主應力最大值表現區域明顯增大。

表3 各步驟開采應力分布

圖5 第四步驟開采最大主應力分布

圖6 第四步驟開采最小主應力分布

2.3.4 采動模擬及采場穩定性分析小結

綜合分析可知，偽傾斜分段進路法多個采場同采時，各采場頂板主要受壓應力作用而產生位移變化，最大值為6.95 mm；采場底板主要受拉應力作用而產生位移變化，底板上鼓的最大位移為4.21 mm，隨著回采采場數目的增加，最大主應力有增大趨勢，主要體現為壓應力，最大值為20.1 MPa，且最大值分布區域也明顯增加。同時隨回采采場數目的增加，最小主應力也有增大趨勢，主要體現為壓應力，最大值為8.02 MPa，且最大值分布區域也明顯增加。由以上分析可知，采用偽傾斜分段進路法開采下層礦體時，礦柱頂板及周圍區域均處于受壓狀態，并未出現拉應力，且最大壓應力小于抗壓強度，說明礦體采出后，采場頂板較為穩定。但由于下層礦體直接頂板為夾層，夾層在首采區零星分布，開采過程中連通礦體一起開采，部分剔除，因此下層礦直接暴露頂板為上層礦體，通過模擬分析，位移變形和最大主應力處于安全范圍內。另外，隨著開采采場數目的增多，各采場頂板沉降量呈增大趨勢，說明各采場開采引起的巖體擾動會影響其他采場。采后各采場頂板最大沉降量較小，說明達到設計同采采場數目時，采場穩定性較好。

2.4 采場參數的數值模擬研究

位移是評價地下采場穩定最直觀的方式，通過分析模型Z方向位移變化，可直觀看出采場上下盤圍巖位移變形情況。

采用偽傾斜條帶分段充填采礦法，分段內沿偽傾斜布置條帶，條帶寬度考慮6 m、8 m、10 m、12 m四種方案進行數值模擬分析，對上述理論計算的采場結構參數進行驗證分析。10 m、12 m模擬結果見圖7至圖10，其他結果省略。

圖7 10 m條帶位移計算結果圖

圖8 10 m條帶應力計算結果圖

圖9 12 m條帶位移計算結果圖

圖10 12 m條帶應力計算結果圖

由上述分析可以看出，條帶進路寬度為6 m、8 m與10 m三者間的變化幅度相差不大，但采用條帶寬度為12 m時，由于暴露面積太大使得采場的位移與拉應力顯著增加，計算數值是條帶寬度前 三者的兩倍以上，說明采場條帶寬度不超過10 m較好。

3 結論

基于Midas-GTS有限元分析及FLAC3D有限差分，對偽傾斜分段條帶充填采礦法在不同條帶寬度等情況下各采場頂板因受壓應力作用而產生位移 的變化的情況，可得出如下結論。

（1）采用偽傾斜分段進路法開采下層礦體時，礦柱頂板及周圍區域均處于受壓狀態，并未出現拉應力，且最大壓應力小于抗壓強度，說明礦體采出后，采場頂板較為穩定。但由于下層礦體直接頂板為夾層，夾層在首采區零星分布，開采過程中連通礦體一起開采，部分剔除，因此下層礦直接暴露頂板為上層礦體，通過模擬分析可知，位移變形和最大主應力處于安全范圍內。

（2）條帶進路寬度為6 m、8 m與10 m三者間的變化幅度相差不大，但采用條帶寬度為12 m時，由于暴露面積太大使得采場的位移與拉應力顯著增加，計算數值是條帶寬度前三者的兩倍以上，說明采場條帶寬度不超過10 m較好。