李 哲，崔周全，徐前衛(wèi)(.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 0009；.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600；.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 0009)

采選技術(shù)

上向分層充填法地下采礦模型試驗(yàn)與分析

李 哲1，崔周全2，徐前衛(wèi)3
(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600；3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 200092)

依托于云南磷化集團(tuán)晉寧磷礦6#坑深部緩傾斜中厚磷礦充填法地下采礦工程，對(duì)充填法模型試驗(yàn)的試驗(yàn)方案、相似材料配比、試驗(yàn)臺(tái)架、開(kāi)挖模擬技術(shù)、試驗(yàn)量測(cè)方案與技術(shù)等進(jìn)行了探索研究，并通過(guò)室內(nèi)平面應(yīng)變相似模擬模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等對(duì)緩傾斜中厚磷礦層上向分層充填法地下開(kāi)采過(guò)程中地下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力和變形活動(dòng)規(guī)律、松動(dòng)范圍等進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明：模型試驗(yàn)圍巖破壞主要發(fā)生在頂板中部，破壞模式為塊體塌落，且圍巖豎向應(yīng)力的變化呈現(xiàn)拱形，并且以采空區(qū)為中心向外擴(kuò)展，位移最大的位置在頂板中部，朝向采空區(qū)，應(yīng)注意靠近開(kāi)挖側(cè)的圍巖位移的變化。

充填法；地下開(kāi)采；模型試驗(yàn)；數(shù)值分析；圍巖應(yīng)力；松動(dòng)范圍

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，社會(huì)生活對(duì)各種礦石的需求量也日益增大，極大地促進(jìn)了采礦工業(yè)的發(fā)展和礦山企業(yè)采礦能力的提升。由于露天與淺部礦床越來(lái)越少，采礦深度不斷增加，地壓控制、礦石資源的充分回收和礦山環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越突出。充填采礦法能夠最大限度地回采各種復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的難采礦體和深部礦體，可以有效抑制圍巖移動(dòng)，控制地壓增高，保護(hù)地表環(huán)境，處理大量固體廢棄物的優(yōu)點(diǎn)，因而在礦山開(kāi)采中的比例逐步上升和逐漸推廣[1-2]。鑒于充填采礦法的優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用廣泛，科研人員對(duì)充填法等進(jìn)行了廣泛的研究。彭士群等[3]、李元輝等[4]、李飛等[5]、夏德勝等[6]、江文武等[7]、趙海軍等[2]、葉義成等[8]、王曉軍等[9]、李猛等[10]、于世波等[11]分別對(duì)充填法應(yīng)用、充填工藝、地表變形、回采順序、圍巖的應(yīng)力應(yīng)變及位移、頂?shù)装宸€(wěn)定性等方面進(jìn)行了深入的研究。

本文以云南磷化集團(tuán)晉寧磷礦6#坑深部緩傾斜中厚磷礦為工程背景，依據(jù)相似原理，借用同濟(jì)大學(xué)隧道及地下工程多功能綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)室內(nèi)平面應(yīng)變相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等對(duì)緩傾斜中厚磷礦層上向分層充填法地下開(kāi)采過(guò)程中地下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力和變形活動(dòng)規(guī)律、松動(dòng)范圍等進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果可為晉寧磷礦及類似條件下深部礦體上向分層充填法地下開(kāi)采設(shè)計(jì)施工和方案的選用提供指導(dǎo)和建議，以確保礦山可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

晉寧磷礦6#坑位于云南省昆明市晉寧縣。前期的露天開(kāi)采形成深凹露天礦坑，礦山地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，規(guī)模小，構(gòu)造對(duì)礦山開(kāi)采影響較小；礦體頂、底板巖石堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石穩(wěn)固性好，圍巖屬以堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組為主的簡(jiǎn)單類型，礦層西高東低，為向東傾斜的單斜礦體。由于地表不允許崩落，設(shè)計(jì)采用充填采礦法。前期露天開(kāi)采地表存在大量剝離廢石，采用上向分層廢石充填法進(jìn)行地下采礦。

2 地下開(kāi)采相似模擬試驗(yàn)研究

2.1 模擬剖面選擇及開(kāi)挖方案

2.1.1 剖面選擇

選取地下礦體分布復(fù)雜、厚度適中、工程地質(zhì)和采礦條件具有代表性的6#坑南部134#勘探線剖面作為本次試驗(yàn)相似模擬試驗(yàn)剖面圖。根據(jù)134#勘探線，并考慮其他勘探線的情況，為了減少模型幾何相似比過(guò)小而產(chǎn)生的誤差過(guò)大現(xiàn)象，針對(duì)開(kāi)采區(qū)域選取尺寸為長(zhǎng)100 m(模型中為2 m)，高100 m(模型中為2 m)的局部區(qū)域?yàn)楸敬卧囼?yàn)的模擬斷面。其中，磷礦層豎直厚度15 m(模型中為30 cm)，垂直厚度為7.4 m(模型中為14.8 cm)，傾角為36.6°。

2.1.2 開(kāi)挖方案

采用上向分層開(kāi)采廢石充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采。首先回采底部?jī)蓚€(gè)分層的礦石，第一個(gè)分層高度5.5 m，形成底部作業(yè)空間，再采第二個(gè)分層，分層高度3.5 m，采完第二分層后充填廢石，留出5.5 m的作業(yè)高度。在模型試驗(yàn)中開(kāi)采方案如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)中地采的中段

2.2 相似比的確定以及材料選取

綜合考慮采礦實(shí)際情況和已有的試驗(yàn)條件，結(jié)合彈塑性力學(xué)方程和量綱分析法得出地下開(kāi)采與邊坡模型試驗(yàn)的相似判據(jù)，見(jiàn)式(1)～(5)。

Cσ/CE=1

(1)

Cσ/Cc=1

(2)

Cσ/(CE×Cγ)=1

(3)

Cu/(CL×Cε)=1

(4)

Cμ=Cφ=Cf=Cε=1

(5)

式中：Cσ為應(yīng)力相似比；CE為彈性模量相似比；Cc為粘聚力相似比；CL為幾何相似比；Cγ為重度相似比；Cu為位移相似比；CE為應(yīng)變相似比；Cμ為泊松比相似比；Cφ為內(nèi)摩擦角相似比；Cf為摩擦因數(shù)相似比。

確定出幾何相似比CL=50，重度相似比Cγ=1，由相似判據(jù)可得：Cσ=CE=Cc=50，Cμ=Cφ=Cf=Cε=1。

依據(jù)云南磷化集團(tuán)晉寧6#坑口的實(shí)際地層巖體條件，巖體質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)，巖體質(zhì)量定性特征為：較堅(jiān)硬，巖體破碎。根據(jù)相似原理和原型材料的物理力學(xué)參數(shù)，由此可計(jì)算出所需模型材料的物理力學(xué)參數(shù)。參考部分學(xué)者關(guān)于模型配比試驗(yàn)研究成果[12-14]，采用由重晶石粉、砂、石膏、洗衣液、水作為相似材料。

根據(jù)大量的不同配比的試驗(yàn)，得出本試驗(yàn)中使用以下配比的相似材料，重晶石粉∶河砂∶石膏∶水∶洗衣液=15∶5∶2∶1∶0.3。

2.3 量測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布置

2.3.1 應(yīng)力觀測(cè)

模型中應(yīng)力的測(cè)量采用微型土壓力傳感器，在模型制作的過(guò)程中將微型土壓力傳感器埋設(shè)到預(yù)定位置，并將引線引出，接到數(shù)據(jù)采集儀上，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀來(lái)記錄模型中應(yīng)力的變化，試驗(yàn)中共布19個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2.3.2 位移觀測(cè)

PIV技術(shù)又稱顆粒圖像測(cè)速技術(shù)，GeoPIV是將顆粒圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)應(yīng)用到土體變形測(cè)量中而開(kāi)發(fā)的基于MATLAB軟件的程序模塊。GeoPIV通過(guò)分析和處理在試驗(yàn)期間的不同時(shí)間間隔內(nèi)采集的數(shù)字圖片的方式來(lái)分析巖土體等研究對(duì)象的位移，從而分析試驗(yàn)過(guò)程位移的變化情況[15-17]。

為了體現(xiàn)材料紋理，增加光強(qiáng)改變范圍，利于網(wǎng)格劃分與單元識(shí)別，試驗(yàn)中在采集表面敷設(shè)薄層彩砂與相似材料的混合材料?；旌喜牧显谟袡C(jī)玻璃板內(nèi)的敷設(shè)厚度不超過(guò)3 mm，以免對(duì)其試驗(yàn)邊界條件的影響及相似材料性質(zhì)的改變。觀測(cè)區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)儀器中間0.8 m×0.8 m的一個(gè)范圍(圖3)。

圖2 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

圖3 觀測(cè)區(qū)域

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化情況

通過(guò)基于微型土壓力傳感器的圍巖壓力量測(cè)系統(tǒng)，得到在開(kāi)挖和充填過(guò)程中的圍巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，為了更直觀地對(duì)比各點(diǎn)應(yīng)力的變化，將各點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)減去初始應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)得到應(yīng)力數(shù)據(jù)增量圖，見(jiàn)圖4。

圖4 圍巖豎向應(yīng)力增量歷時(shí)曲線圖

通過(guò)圖4(a)可以看出，由于采空區(qū)的形成，圍巖由三向狀態(tài)變?yōu)殡p向狀態(tài)，使原始應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，并趨于新的平衡。形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的采空區(qū)上方的松動(dòng)區(qū)和隨開(kāi)挖推進(jìn)而不斷前移的沿采空區(qū)下腳傾斜前方的支承壓力區(qū)。采空區(qū)上方的巖體的豎向應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。第1、2、3步開(kāi)挖后，位于松動(dòng)圈內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)5498的應(yīng)力在這個(gè)過(guò)程中急劇下降，而測(cè)點(diǎn)5500位于開(kāi)挖區(qū)域的左側(cè)，該點(diǎn)的應(yīng)力在此過(guò)程中有小幅度的上升，認(rèn)為該點(diǎn)處在潛在壓力拱外邊界附近，由于壓力拱的處圍巖在應(yīng)力重分布中產(chǎn)生擠壓作用，因而豎向應(yīng)力有所上升。測(cè)點(diǎn)5496和測(cè)點(diǎn)5495的應(yīng)力增量基本歸為0，表明測(cè)點(diǎn)位置位于松動(dòng)圈以外，基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)挖完成并穩(wěn)定一段時(shí)間后，各測(cè)點(diǎn)變化值趨于穩(wěn)定，并且在充填過(guò)程中，應(yīng)力都處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本沒(méi)有發(fā)生變化。隨著第4、5步開(kāi)挖的進(jìn)行，開(kāi)挖擾動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)圈的范圍會(huì)擴(kuò)大，測(cè)點(diǎn)5496的應(yīng)力開(kāi)始緩慢降低，可見(jiàn)此時(shí)測(cè)點(diǎn)5496處的圍巖已經(jīng)出現(xiàn)了松動(dòng)，只是松動(dòng)程度較小，表明測(cè)點(diǎn)5496位于松動(dòng)圈內(nèi)靠近外邊界的區(qū)域。測(cè)點(diǎn)5498、測(cè)點(diǎn)5500和測(cè)點(diǎn)5495的應(yīng)力變化幅度都很小。在第6步開(kāi)挖完畢后，采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生大范圍應(yīng)力重組和調(diào)整，松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)大，使得測(cè)點(diǎn)5496松動(dòng)程度加劇，測(cè)點(diǎn)5496的應(yīng)力急劇降低，可認(rèn)為在測(cè)點(diǎn)5496的上方有形成水平向裂縫的趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)5498、測(cè)點(diǎn)5500和測(cè)點(diǎn)5495的應(yīng)力在此過(guò)程中都基本未發(fā)生變化，可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)5498、測(cè)點(diǎn)5500和測(cè)點(diǎn)5495并未在圍巖應(yīng)力調(diào)整的范圍內(nèi)。測(cè)點(diǎn)5495的應(yīng)力并未增大，表明并沒(méi)有處在壓力拱的范圍內(nèi)，未受到擠壓作用。

圖4(b)展示了距離采空區(qū)15 m的豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化。在第1步、2步開(kāi)挖的過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)5493、測(cè)點(diǎn)5492、測(cè)點(diǎn)5485、測(cè)點(diǎn)5490的應(yīng)力變化基本為0。采空區(qū)形成后，圍巖的松動(dòng)圈范圍處于一個(gè)緩慢擴(kuò)大的過(guò)程之中，在第1步開(kāi)挖完畢之后，測(cè)點(diǎn)5493的應(yīng)力則開(kāi)始緩慢降低。在第3步、4步開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)力變化最大的是測(cè)點(diǎn)5493，由于有充填體的存在，圍巖表面收到充填體的支撐力，且這個(gè)力與充填體被壓實(shí)的程度有關(guān)，故而測(cè)點(diǎn)5493呈現(xiàn)臺(tái)階式下降。在第3、4步開(kāi)挖完畢后，測(cè)點(diǎn)5492應(yīng)力處于緩慢降低的狀態(tài)。測(cè)點(diǎn)5485和測(cè)點(diǎn)5490的應(yīng)力的變化范圍很小，可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)5485和測(cè)點(diǎn)5490位于松動(dòng)圈之外。第5步、6步開(kāi)挖后，松動(dòng)圈的范圍增大，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)5493、測(cè)點(diǎn)5492位置的松動(dòng)程度增加，應(yīng)力出現(xiàn)降低。測(cè)點(diǎn)5485和測(cè)點(diǎn)5490的應(yīng)力基本沒(méi)有發(fā)生變化，未受到開(kāi)挖的擾動(dòng)。如若繼續(xù)向上開(kāi)采，隨著松動(dòng)圈的擴(kuò)大，測(cè)點(diǎn)5492的應(yīng)力將出現(xiàn)臺(tái)階式下降，測(cè)點(diǎn)5485和測(cè)點(diǎn)5490的位置也將進(jìn)入松動(dòng)圈，出現(xiàn)應(yīng)力緩慢降低，再急劇降低，最后緩慢變化直至穩(wěn)定。

由圖4(c)可知，在第1步、2步、3步開(kāi)挖后，采空區(qū)位于測(cè)點(diǎn)5503的上方，壓力釋放導(dǎo)致該點(diǎn)的應(yīng)力值急劇降低，而測(cè)點(diǎn)5501和測(cè)點(diǎn)5505并沒(méi)有位于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生較大變化。在第4步開(kāi)挖進(jìn)行中，應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中，采空區(qū)上方的荷載傳遞給采空區(qū)兩側(cè)的穩(wěn)定巖體，形成支撐壓力區(qū)，測(cè)點(diǎn)5501位于支承壓力區(qū)，受到擠壓作用，應(yīng)力升高。在此過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)5505和測(cè)點(diǎn)5503處于未受影響狀態(tài)。在第5步、6步開(kāi)挖結(jié)束后，測(cè)點(diǎn)5501的應(yīng)力急劇下降，由于測(cè)點(diǎn)5501上方被采空，傳遞荷載的路徑被中斷，導(dǎo)致卸荷效果，故而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此可知，采空區(qū)前方的底板豎向應(yīng)力都會(huì)呈現(xiàn)先增大，后降低的趨勢(shì)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，上向分成充填法開(kāi)采圍巖的應(yīng)力根據(jù)變化的速率不同分4個(gè)階段：緩慢變化階段，急劇變化階段(時(shí)間較短)，緩慢變化階段(時(shí)間較長(zhǎng))，穩(wěn)定。隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，松動(dòng)范圍也會(huì)增大，圍巖所處于的應(yīng)力區(qū)域依次為：原巖應(yīng)力區(qū)，松動(dòng)圈外邊界附近，松動(dòng)圈內(nèi)部。

3.2 圍巖變形分析

通過(guò)基于PIV技術(shù)的位移量測(cè)系統(tǒng)，分析各個(gè)施工步后的位移情況，限于篇幅，此處只列出了第6步開(kāi)挖后的位移情況，見(jiàn)圖5。在第6步開(kāi)挖之后，位移已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化，在頂板的中部區(qū)域的位移變化最大，朝向采空區(qū)，而開(kāi)挖區(qū)域頂部圍巖的位移變化還是較小，開(kāi)挖區(qū)域上方中間發(fā)生圍巖塌落的現(xiàn)象，塌落部分約有5 cm的高度，呈現(xiàn)不規(guī)則拱形垮落，見(jiàn)圖6。

圖5 位移矢量圖(單位：mm，放大15倍)

緩傾斜磷礦層開(kāi)采的垮落，其覆巖斷裂高度沿工作面傾斜方向非線性變化，表現(xiàn)出不規(guī)則拱形特征，與之對(duì)應(yīng)的頂板應(yīng)力釋放區(qū)呈不規(guī)則拱形分布。在本次試驗(yàn)中圍巖破壞產(chǎn)生的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)為開(kāi)挖5和開(kāi)挖6施工步，由于在開(kāi)挖過(guò)程中，采空區(qū)上方的頂板處于拉應(yīng)力區(qū)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，拉應(yīng)力增大，加上之前施工步導(dǎo)致的位移的累加，并且由于充填體并不能主動(dòng)的承擔(dān)荷載，只有在頂板圍巖繼續(xù)變形的過(guò)程中，充填體才可能變成承擔(dān)荷載，因此，頂板中部發(fā)生塌落破壞。如果繼續(xù)開(kāi)挖，則可能會(huì)發(fā)生更大程度的塌落破壞。

3.3 松動(dòng)圈分析

根據(jù)圍巖的應(yīng)力和位移的結(jié)果分析，表明沿著采空區(qū)輪廓線指向圍巖內(nèi)部的方向，圍巖分別處于松動(dòng)圈→壓力拱→原巖應(yīng)力狀態(tài)[18]。隨著開(kāi)采及充填的進(jìn)行，松動(dòng)區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)不規(guī)則的拱形，并且有擴(kuò)大的趨勢(shì)?？烧J(rèn)為開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖的松動(dòng)范圍如圖7所示，在實(shí)際中如果繼續(xù)開(kāi)挖的話，充填的效果雖然一定程度上提供了支撐，但是由于充填體是被動(dòng)發(fā)揮作用而且充填時(shí)周圍巖體已經(jīng)發(fā)生了松動(dòng)，因此影響范圍可能會(huì)隨之?dāng)U大。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖7 開(kāi)挖松動(dòng)范圍圖(單位：mm)

4 地下開(kāi)采數(shù)值模擬研究

為了對(duì)比模型試驗(yàn)的結(jié)果，采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型對(duì)上向分層充填法地下開(kāi)采進(jìn)行分析。

4.1 模型建立

根據(jù)相似模型試驗(yàn)的類型是平面應(yīng)變模型(圖8)，故采用ABAQUS中的模型采用平面應(yīng)變單元建立磷礦層地下充填法開(kāi)采模型。本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型，模型中采用均質(zhì)材料，材料的重度是2 100 kg/m3，彈性模量為1.2 GPa，泊松比為0.35，內(nèi)摩擦角是35°，粘聚力為1.4 kPa。根據(jù)試驗(yàn)的邊界條件，對(duì)模型施加重力荷載以及頂部和側(cè)邊施加約束和壓力。磷礦的開(kāi)采方案與試驗(yàn)相同。在ABAQUS中，首先生成自重應(yīng)力場(chǎng)，開(kāi)始時(shí)回采底部11 cm的礦段，接著向上開(kāi)采7 cm，回填7 cm，直至開(kāi)采完成，總共分6步回采，6步充填。

圖8 有限元計(jì)算模型

4.2 應(yīng)力和位移規(guī)律研究

由圖9可知，在開(kāi)挖區(qū)域的兩側(cè)出現(xiàn)了豎向壓應(yīng)力的最大值，此區(qū)域由于開(kāi)挖的作用，使得中采空區(qū)的豎向荷載被兩側(cè)的圍巖體承擔(dān)，故而出現(xiàn)了壓應(yīng)力的增大在采空區(qū)兩側(cè)。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圍巖豎向應(yīng)力的變化呈現(xiàn)不規(guī)則的拱形，并且以采空區(qū)為中心向外擴(kuò)展。這與試驗(yàn)結(jié)果豎向應(yīng)力的變化趨勢(shì)相符合。其中采空區(qū)中心的小范圍的圍巖內(nèi)的豎向應(yīng)力為拉應(yīng)力，這部分圍巖，在自身重力作用下最可能發(fā)生破壞。

由圖10可知，大部分圍巖處于受壓區(qū)域，充填后的區(qū)域也處在受壓區(qū)，破壞的可能性較小，可見(jiàn)充填對(duì)于抑制圍巖破壞，限制圍巖的位移有著明顯的作用。而拉應(yīng)力區(qū)主要集中在采空區(qū)周圍，分布范圍較小，其中以采空區(qū)上方的拉應(yīng)力分布范圍較大。受拉區(qū)將率先出現(xiàn)破壞，開(kāi)挖6的云圖中受拉區(qū)的形狀與試驗(yàn)中發(fā)生破壞的形狀相符合。

根據(jù)圖11，在地下開(kāi)采之后，發(fā)生位移最大的位置都是位于頂板的中間部分，并且指向采空區(qū)方向，而遠(yuǎn)離開(kāi)挖區(qū)域越遠(yuǎn)的地方，位移越小，整影響的范圍呈漏斗狀。在開(kāi)挖區(qū)域上方的巖體位移量比開(kāi)挖區(qū)域下方巖體的位移量要大。而在開(kāi)挖過(guò)程中的開(kāi)挖4施工步和開(kāi)挖6施工步中，圍巖的變形量較大，應(yīng)予以關(guān)注。

圖9 第6步開(kāi)挖后豎向應(yīng)力云圖

圖10 第6步開(kāi)挖后最大主應(yīng)力云圖

圖11 第6步開(kāi)挖后位移矢量圖

由圖12可知，位移在靠近充填的那一側(cè)位移量小，而在另外一側(cè)位移量大，這是因?yàn)樵陂_(kāi)始開(kāi)挖的過(guò)程中由于開(kāi)挖范圍小，在開(kāi)挖后圍巖的位移量還不大，而且充填體能抑制位移的后續(xù)發(fā)展。而在開(kāi)挖側(cè)，由于開(kāi)挖的進(jìn)行，逐步把支撐的礦體給采空，位移不斷的累加，所以較充填側(cè)位移變化較大。并且，頂板位移最大點(diǎn)是向著開(kāi)挖側(cè)轉(zhuǎn)移，總是處在靠近已經(jīng)開(kāi)挖部分的頂板中間位置。因此，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)注意靠近開(kāi)挖側(cè)的圍巖的位移變化。

圖12 頂板位移觀測(cè)點(diǎn)隨著開(kāi)挖的位移曲線圖

4.3 松動(dòng)范圍分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)自采空區(qū)指向圍巖深部方向，圍巖分別處于松動(dòng)狀態(tài)、壓力拱狀態(tài)、原巖應(yīng)力狀態(tài)。認(rèn)為壓力拱內(nèi)邊界以內(nèi)的巖體都發(fā)生了松動(dòng)，只是幅度不同而已，因此可以用確定壓力拱內(nèi)邊界的方法來(lái)判斷巖體的松動(dòng)范圍。

所謂圍巖的拱效應(yīng)，是指圍巖為了抵抗開(kāi)挖引起的圍巖不均勻變形而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的一種現(xiàn)象，即主應(yīng)力大小發(fā)生變化且方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，荷載傳遞路線發(fā)生偏離，圍巖內(nèi)將產(chǎn)生類似拱梁結(jié)構(gòu)切向壓緊作用，同時(shí)將荷載傳遞給拱腳處的穩(wěn)定巖體[19-21]?？筛鶕?jù)，壓力拱內(nèi)邊界處是距離開(kāi)挖側(cè)最近最小主應(yīng)力形成一個(gè)完成的拱形結(jié)構(gòu)，而外邊界則是指主應(yīng)力由水平應(yīng)力轉(zhuǎn)向豎直應(yīng)力的位置。

由圖13的分析結(jié)果，壓力拱內(nèi)邊界是位于采空區(qū)上方的一個(gè)非對(duì)稱的拱形，在開(kāi)挖6施工不結(jié)束后，此時(shí)壓力拱的內(nèi)邊界頂點(diǎn)到采空區(qū)的距離為30 cm(實(shí)際中為15 m)，內(nèi)邊界以內(nèi)的巖體都發(fā)生了松動(dòng)，比試驗(yàn)分析的松動(dòng)區(qū)域偏小，但相差不大。

圖13 第6步開(kāi)挖后最小主應(yīng)力矢量圖

5 結(jié) 論

1)模型試驗(yàn)圍巖破壞主要發(fā)生在開(kāi)挖6施工步中的頂板中部，破壞模式為塊體塌落，表明開(kāi)挖時(shí)的圍巖破壞主要發(fā)生在上述區(qū)域。根據(jù)試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬，該區(qū)域在開(kāi)挖過(guò)程中，由于開(kāi)挖面的推進(jìn)導(dǎo)致拉應(yīng)力增大，且充填未及時(shí)跟上，位移的進(jìn)一步累加，最終導(dǎo)致圍巖破壞的發(fā)生。

2)試驗(yàn)和數(shù)值分析都表明，在開(kāi)挖區(qū)域的上方的圍巖，豎向壓應(yīng)力都有不同程度降低，而距離采空區(qū)50 cm處的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化幅度不大，可認(rèn)為沒(méi)有收到開(kāi)采的影響。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圍巖豎向應(yīng)力的變化呈現(xiàn)拱形，并且以采空區(qū)為中心向外擴(kuò)展。采空區(qū)上下側(cè)的豎向應(yīng)力最小。在充填后，后續(xù)的開(kāi)挖對(duì)充填區(qū)域的上豎向應(yīng)力的影響不大。

3)對(duì)于圍巖的位移變化，試驗(yàn)中使用PIV量測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)位移矢量圖，可知位移最大的位置在與頂板中部，且方向是朝著采空區(qū)，是由于頂板部分中間暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且開(kāi)挖部分增大，使得頂板中間所受到的彎矩增大。這個(gè)也與數(shù)值分析結(jié)果一致。因此，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)注意靠近開(kāi)挖側(cè)的圍巖位移的變化。

4)磷礦層開(kāi)挖后，由采空區(qū)指向圍巖內(nèi)部，圍巖分別處于松動(dòng)圈→壓力拱→原巖應(yīng)力狀態(tài)。在圍巖松動(dòng)范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)給出的圍巖松動(dòng)圈頂點(diǎn)距離采空區(qū)35～40 cm(實(shí)際距離為17.5～20 m)，而數(shù)值分析給出的結(jié)果為30 cm(15 m)。此范圍內(nèi)的圍巖都有出現(xiàn)了松動(dòng)，只是松動(dòng)程度不同。

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Model test and analysis of the overhand cut and fill stoping

LI Zhe1，CUI Zhouquan2，XU Qianwei3

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd.，Kunming 650600，China；3.School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Based on the underground mining engineering with overhead cut and fill stoping in the slightly inclined medium thick phosphate layer of pit 6#of Jinning phosphate mine of Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，the test scheme，the material proportion，the test rig，the excavation simulation method，and the measurement technology of the model test for overhand cut and fill stoping are researched and explored.Moreover，the laws of rock stress and deformation，and the loose zone in the process of overhand cut and fill stoping are researched and analyzed，through plane strain similar simulation model test and numerical simulation.Research results show that：① rock failure mainly appears in the middle of roof in the model test，and the failure mode is block falling；② the variation of the vertical stress of the rock forms an arch shape，and the center of the arch is the mine goaf；③maximum displacement occurs in the middle of the roof，and develops towards the goaf，thus the displacement variation of the surrounding rock near excavation side should be paid much attention.

fill stoping；underground mining；model test；numerical simulation；rock stress；loose zone

2017-03-12 責(zé)任編輯：劉艷敏

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2011BAB08B01)

李哲(1991-)，男，碩士研究生，主要從事巖土計(jì)算方法方面的研究工作， E-mail:jacksperal@126.com。

TD353

A

1004-4051(2017)06-0095-07