下向進路充填采礦法深部礦巖破壞機理數值模擬研究

摘要：針對嵩縣山金深部礦體采用下向進路充填采礦法開采礦巖破壞機理及地壓顯現技術問題，采用Rhino+Griddle+Flac3D快速建模技術，對礦區下向進路開采1～8 a礦巖應力及位移變化規律進行研究。模擬結果表明：最小主應力隨深度的增加而增加，靠近底部較大；未開采采場起到了臨時礦柱的作用，應力集中現象較明顯，同時在采場附近的充填體中也形成應力卸壓區；各中段的位移隨開采時間的增加而不斷增大，采場頂板的最大位移主要出現在頂板中間，在礦山不斷向深部推進的過程中，最大位移值呈上升趨勢。

關鍵詞：深部開采；下向進路；充填采礦法；礦巖破壞機理；地壓顯現；數值模擬

中圖分類號：TD853.34""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0058-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240808

引"言

近年來，國內大多數礦山都進入了深部開采階段，由于高應力的開采環境，井下礦巖出現巖爆、變形、坍塌等破壞現象［1-3］。下向進路充填采礦法由于采礦損失貧化低、安全性能高等優勢而被廣泛應用于深部礦山開采［4-7］。隨著數值模擬軟件的研究發展，數值模擬方法被廣泛應用于礦業工程中［8-11］。因此，許多學者采用數值模擬方法對礦巖破壞機理及下向進路充填采礦法開采進行研究。孫飛［12］開展了礦巖穩定性對地下金礦開采的影響研究，研究表明，地下金礦安全開采的主要因素為礦區圍巖的穩定性，為保障安全開采，在設計開采前需考慮圍巖的穩定性；肖云亮等［13］使用Flac3D軟件對金川龍首礦區下向進路采礦進行了數值模擬研究，結果較好地證明了采用六邊形進路巷道的可行性；段應明等［14］依據ANASYS數值模擬軟件對井下充填體及圍巖的穩定性進行模擬，結果表明，井下礦體回采對周邊充填體及圍巖穩定性都會造成一定程度的影響。

本文采用Rhino+Griddle+Flac3D軟件對嵩縣山金礦業有限公司（下稱“嵩縣山金”）采用下向進路充填采礦法回采深部礦體進行數值模擬，研究回采過程中礦巖應力及位移變化規律，以期為深部礦體安全高效開采提供技術支撐。

1"工程概況

嵩縣山金礦區山體標高為705 m，井口標高583 m，以井下300 m標高為第一中段進行開采，中段高度為40 m，礦區開采十多年來，井下220 m中段以上的礦體基本已采完，現階段主要開采220 m及以下中段礦體。礦區開采初期使用分段空場中深孔落礦法進行開采，導致開采過程中采礦損失貧化較高，且留下大量采空區隱患［15］；隨著礦山引進下向進路充填采礦法并對掘進爆破方法進行革新［16］，有效降低了礦體開采過程中的采礦損失貧化，解決了采空區隱患。現階段礦區采用較多的回采方法為下向進路充填采礦法，隨著礦區進入深部開采，地應力增加和地壓顯現導致下向開采過程中礦巖冒頂、片幫及圍巖變形破壞等災害問題頻發［17］，且礦區深部礦巖較為破碎而使得礦體開采難度加大［18］。基于此，研究礦區下向進路充填采礦法開采過程中的礦巖破壞機理對礦區井下安全高效開采具有重大意義。

2"數值模擬分析研究

2.1"模型建立

根據礦山所提供的礦區地質剖面圖，本次礦體主要建模區域在-20 m中段至220 m中段，礦區220 m中段之上礦體已開采完成，建模區域采空區包括民采空區等均按照充填體進行建模。

為方便快速建模，同時保證模型精度，每個中段礦體厚度根據地質剖面線0勘探線—9勘探線所得到的礦體厚度求出平均值，同時走向長度按照嵩縣山金2018年二季度末儲量估算縱投影圖得出，具體數值如表1、表2所示。

基于圣維南原理，認為開挖礦體引起的礦巖應力變化控制在開挖范圍的3～5倍，整體模型框架的邊界范圍據此而定。根據礦區地質剖面圖，地表為實際剖面線，底面延伸到-60 m，滿足數值計算對邊界條件的要求。Rhino劃分網格模型如圖1所示，礦體模型如圖2所示。

2.2"參數計算

依據嵩縣山金礦區地質調查結果及室內多種巖石力學試驗結果，確定本次數值模擬所需的主要巖體工程力學參數，結果如表3所示。

由于礦區現場構造應力的作用［19］，使得原巖水平應力在不同方向上大小不同。根據礦區現場取樣加工試樣室內地應力測量結果，礦區井下-20～140 m標高的側壓力系數為1.43～1.68，該測量結果符合國內大陸區域地壓的側壓力系數分布規律。通過分析礦區地應力室內測量試驗數據可知，最大水平主應力與最小水平主應力數值相差較大，故礦區井下-20～140 m標高剪應力較大。在本次數值模擬研究

過程中，結合已知數據及相應方法計算，不同埋深的K值（平均標高應力與垂直應力比值）不同，具體取值結果如表4所示。

2.3"數值模擬方案

數值模擬主要分析礦體開挖、充填過程中圍巖應力、位移的變化情況。一方面，通過觀測變形云圖來模擬開挖充填過程中的應力、位移變化過程，以判斷其是否滿足安全生產需求；另一方面，通過監測并記錄部分節點的應力、位移值，分析其變化規律及是否能夠滿足控制地表沉陷的要求。為確定分級尾砂充填效果，將充填開采與崩落采礦法開采后的地表沉陷情況進行對比，確定模擬方案。即對比分析充填前后地表移動變形情況，主要分析下沉、水平移動這2種地表移動變形曲線，并對比分析充填開采的模擬地表下沉值與實測地表下沉值，以驗證模型的準確性。本次模擬將礦區220 m中段以下礦體開采充填完成后的狀態作為模擬的初始狀態，從該水平開始，按每分層4 m向下進行回采，回采后立即進行充填。各回采年份所模擬的回采礦體范圍如表5所示。

2.4"應力分析

2.4.1"最大主應力

不同回采年份礦區礦體開采后最大主應力整體分布如圖3所示。

從圖3可以看出：在各個開采年份內，周圍未開采的采場起到了臨時礦柱的作用［20］，應力集中現象較明顯，部分應力轉移至采場上下盤，同時在采場附近的充填體中也形成應力卸壓區。采場周圍的頂底板附近形成卸壓區，由于底板附近均為充填體，因此，底板的卸壓區范圍較大，同時臨時礦柱中的部分應力也轉移到充填體中。各開采年份充填體中主應力小于圍巖應力水平，應力較大的地方是各階段的礦柱，說明礦體開采過程中礦柱對整體開采起到了保護作用。

2.4.2"最小主應力

不同開采年份礦區礦體開采后最小主應力整體分布如圖4所示。

從圖4可以看出：整個模型的最小主應力隨開采深度的增加而增加，靠近底部較大，約為15 MPa。最小主應力的最小值為1～15 MPa，且隨開采年份的增加而增大。同時，最小值出現在充填體內，這與最大主應力分布相同，但與最大主應力不同的是，其最大值沒有出現在礦柱內。

2.5"位移分析

2.5.1"總位移

不同開采年份礦區礦體開采后總位移分布如圖5所示。從圖5可以看出：采場頂板的最大位移主要出現在頂板中間，因此對采場頂板中間位置進行位移監測可以判斷頂板潛在失穩的可能［21］。同時，位移變化規律與應力變化規律基本相似，隨著礦體開采的進行，位移區域由原本的局部區域開始形成一個大的區域。位移較大的區域發生在充填內，這對充填體的強度提出較高要求，一方面，充填體的強度本就低于礦（巖）體；另一方面，開采擾動造成應力重新分布，會在充填體內形成應力集中現象。

2.5.2"垂直位移

不同開采年份礦區礦體開采后垂直位移分布如圖6所示。

從圖6可以看出：隨著礦體開采年份的增加，各中段的垂直位移不斷增大，垂直位移為-0.016～0.012 m，可能出現頂板垮落的位置主要在礦體上盤，礦體下盤則可能出現底鼓現象。為更好地說明礦體內部位移變化，選擇部分具有代表性的位置切片進行說明（如圖7所示）。從圖7可以看出，礦體上下盤垂直位移方向在充填體附近發生改變，上盤最大值為-0.012 m，下盤最大值為0.008 m。

2.5.3"最大位移變化曲線分析

不同開采年份礦區礦體開采后最大位移變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出：在礦山礦體開采不斷向深部推進的過程中，最大位移呈上升趨勢，在第5年發生變化，可能的原因是受到礦體資源的限制，前4年的開采方案，已無法滿足要求，在第5年開采的分層位置不再是每個分段一層，而是同一個分段內可能同時開采不同的分層，之后幾年的變化規律同前幾年相同，說明模擬開采的方案很好地模擬了現場實際情況。

3"結"論

1）開采區周圍未開采的采場起到了臨時礦柱的作用，應力集中現象較明顯，部分應力轉移至采場上下盤，同時在采場附近的充填體中也形成應力卸壓區。整個模型的最小主應力隨開采深度的增加而增加，靠近底部較大，約為15 MPa。最小主應力的最小值為1～15 MPa，且隨回采時間的增加而增大。

2）采場頂板的最大位移主要出現在頂板中間，因此對采場頂板中間位置進行位移監測可以判斷其潛在失穩的可能，位移較大的區域發生在充填內，這對充填的強度提出較高要求。

3）隨著礦體開采年份的遞增，各中段的垂直位移在不斷增大，垂直位移為-0.016～0.012 m，礦體上盤位置可能出現頂板垮落現象，下盤位置則可能出現底鼓現象。

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Study of deep-mine ore rock failure mechanism using downward approach

filling mining method by numerical simulation

Xing Chao1，Gao Mingyang2，Qiu Yangyang1，Yu Lekui3，Zhang Yapeng1，Xue Chao1

，Peng Kang3

（1.Songxian Shanjin Mining Co.，Ltd.;

2.Shandong Gold Mining （Xinhui）Co.，Ltd.;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：To study the deep-mine rock failure mechanism and the technical issue of ground pressure manifestation using the downward approach filling mining method in the deep ore bodies in the mining area of Songxian Shanjin，the research employs rapid modeling techniques using Rhino+Griddle+Flac3D to investigate the stress and displacement patterns of ore rock during 1-8 a of downward approach mining.The simulation results indicate that the minimum principal stress increases with depth，being greater near the bottom.The unmined stope acts as a temporary ore pillar，exhibiting significant stress concentration，and a stress relief zone forms in the filling body near the stope.The displacement in each level increases with mining time，with the maximum displacement at the stope roof appearing mainly in the middle of the roof.As the mine progresses deeper，the maximum displacement value shows an upward trend.

Keywords：deep mining;downward approach;filling mining method;ore rock failure mechanism;ground pressure manifestation;numerical simulation