劉 洋， 劉曉光， 侯奎奎， 吳欽正

（1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400； 2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 萊州 261400； 3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438）

地下采礦所引起的地表塌陷制約礦山企業(yè)安全運行［1-2］，它不僅會誘發(fā)嚴重的地質(zhì)災(zāi)害和浪費大量優(yōu)質(zhì)資源，更時刻威脅著井下作業(yè)人員的生命安全［3-4］。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一系列措施防治地表塌陷，主要包括：地表固體廢棄物回填、選廠尾砂沉淀濾餅回填、塌陷區(qū)改建尾礦庫、爆破崩落周圍巖體回填等［5-6］，前3 種措施可以在處理地表塌陷的同時解決生產(chǎn)廢石和尾礦問題，同時具有顯著經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境意義，已先后被大多數(shù)礦山采用。

某礦山一直采用空場法和崩落法開采，前期生產(chǎn)已導(dǎo)致地表發(fā)生大規(guī)模塌陷，為此，該礦啟動了地表塌陷區(qū)回填工程，采用尾砂回填處理地表塌陷區(qū)。 然而，塌陷區(qū)回填后，深部礦體開采引起的應(yīng)力重分布和巖層移動將會繼續(xù)影響塌陷區(qū)回填體的穩(wěn)定性，存在誘發(fā)二次災(zāi)害的風(fēng)險，如回填體大量塌陷或井下泥石流等［7］。 為了研判和分析能保證塌陷區(qū)回填體穩(wěn)定的更合理的回采方式［8-10］，本文結(jié)合該礦山生產(chǎn)實際，采用PFC2D數(shù)值模型開展了崩落法和充填法開采深部礦體對隔離礦柱以及塌陷區(qū)回填體穩(wěn)定性影響的研究，總結(jié)并對比分析了2 種回采方法下回填體和圍巖的應(yīng)力演化和移動規(guī)律，為礦山塌陷區(qū)和采空區(qū)治理以及深部資源安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦山概況

某礦山是以鉛、鋅為主的矽卡巖型多金屬礦，礦體賦存標高630～1 110 m，最大延深480 m。 目前，該礦采用盤區(qū)階段深孔空場崩落聯(lián)合采礦法，盤區(qū)內(nèi)礦房同樣采用兩翼后退式回采。 礦區(qū)標高1 035 ～665 m，每40 m 布置一個中段，共布置了9 個中段。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

資料顯示，8 中段（標高705 m）崩落開采后極易在地表形成巨大的塌陷區(qū)。 據(jù)此，本文首先利用尾砂對地表塌陷區(qū)進行回填，后在8 中段以下保留30 m 隔離礦柱，接著對深部礦體進行開采模擬，所建回填模型如圖1 所示。 圖中根據(jù)礦山生產(chǎn)實際給出了損傷邊界，在損傷邊界內(nèi)，平行黏結(jié)已經(jīng)破壞，對應(yīng)實際工程中的塌陷廢石。 塌陷廢石和回填體共同作用于下部隔離礦柱。

圖1 塌陷區(qū)回填模型

2.2 模擬步驟

首先采用非膠結(jié)充填回填地表塌陷區(qū)，運行20 000 時步至模型平衡。 然后，采用崩落法或充填法從9 中段（665 m）開始回采，每次回采10 m，直至605 m結(jié)束，共8 個回采步驟，每次開挖后運行20 000 時步。其中采用充填法回采時，充填材料采用膠結(jié)充填，膠結(jié)充填材料宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)如表1 所示。

表1 膠結(jié)充填材料宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)

2.3 監(jiān)測布置

為監(jiān)測深部礦體開采過程中的應(yīng)力和位移演化規(guī)律，在模型中設(shè)置了多處應(yīng)力監(jiān)測圓和位移監(jiān)測點，如圖2 所示。 其中，在上下盤地表分別設(shè)置3 個應(yīng)力監(jiān)測圓（A1～A3 和C1～C3），半徑12 m；在回填體中設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測圓B1，半徑25 m；在礦體4～7 中段分別設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測圓D1～D4，半徑25 m；在隔離礦柱中設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測圓E1，半徑15 m；在上盤地表和下盤地表分別設(shè)置5 個位移監(jiān)測點（F1 ～F5 和H1 ～H5）；在回填體中設(shè)置了3 個位移監(jiān)測點G1～G3；在隔離礦柱中設(shè)置了位移監(jiān)測點K1。

圖2 應(yīng)力和位移監(jiān)測點布置

3 崩落法回采結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力演化特征

表2給出了采用崩落法開采不同深度礦體時回填體和圍巖的應(yīng)力演化具體過程。 可以看出，9 中段礦體開挖以后，出現(xiàn)了采空區(qū)，導(dǎo)致隔離礦柱失去支撐。 在上部塌陷廢石和兩側(cè)圍巖的共同作用下，隔離礦柱出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中。 從平行黏結(jié)力分布圖可以看出，隔離礦柱已完全破壞。 在隨后的礦體開采過程中，塌陷廢石和回填體隨深部礦體的開挖逐漸下沉，地表再次出現(xiàn)塌陷區(qū)。

表2 崩落法開采時回填體和圍巖的應(yīng)力演化

圖3給出了深部礦體崩落法開采時模型中各監(jiān)測點的應(yīng)力演化規(guī)律。在整個模擬過程中定義壓應(yīng)力方向為正。 在深部礦體開挖過程中，監(jiān)測點A1 應(yīng)力變化不大，監(jiān)測點A2 和A3 拉應(yīng)力隨回采深度增加呈增加趨勢。 這表明，隨著深部礦體開挖，上盤地表有可能會因拉應(yīng)力集中而發(fā)生拉伸裂紋，甚至誘發(fā)大規(guī)模塌陷。 當(dāng)605 m 中段開挖以后，A3 監(jiān)測點拉應(yīng)力達到了2.3 MPa。 除了塌陷區(qū)回填時下盤地表水平應(yīng)力發(fā)生了波動外，下盤地表水平應(yīng)力變化不大，且以拉應(yīng)力為主。 回填體水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都隨礦體開挖而降低，說明回填體對圍巖的支撐作用隨礦體開挖而逐漸減弱。 礦體開挖過程中，回填體水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力相差不大。 隔離礦柱破壞前，塌陷廢石給圍巖提供的支撐為2.5 MPa，隔離礦柱破壞后，塌陷廢石和回填體向深部移動，此時塌陷廢石對圍巖的支撐力減小為1 MPa。 隔離礦柱塌陷前，隔離礦柱垂直應(yīng)力為4 MPa，其水平應(yīng)力達到了16 MPa。 這說明，隔離礦柱的破壞主要是水平應(yīng)力集中引起的，但以往對水平隔離礦柱的穩(wěn)定性研究主要都是考慮上覆廢石的荷載，這說明實際上應(yīng)主要考慮水平應(yīng)力的影響而不是上覆廢石產(chǎn)生的垂向荷載。

圖3 崩落法開采模型中各監(jiān)測點的應(yīng)力演化規(guī)律

3.2 回填體及圍巖移動規(guī)律

圖4給出了深部礦體崩落開采時模型中各監(jiān)測點的位移演化規(guī)律。 隨著深部礦體開挖，上盤地表沉降量逐漸增加，且離回填塌陷區(qū)越近的監(jiān)測點沉降量越大。 但上盤地表沉降并非隨著礦體回采均勻變化而是呈現(xiàn)出一定的突變性，7.5 s 時發(fā)生了第1 次較大的沉降，隨后沉降增量比較平穩(wěn)，24 s 時發(fā)生了第2 次較大的沉降。 地表塌陷區(qū)回填時，下盤地表形成了一定沉降，且隔離礦柱發(fā)生破壞前，下盤地表豎向位移變化不大。 當(dāng)隔離礦柱發(fā)生破壞時，下盤地表豎向位移發(fā)生了一定跌落，且離塌陷區(qū)越近的監(jiān)測點豎向沉降越小。

圖4 崩落法開采模型中各監(jiān)測點的位移演化規(guī)律

采用崩落法開采深部礦體時，上盤沉降量要遠大于下盤，上盤最大沉降量為下盤最大沉降量的8 倍。隔離礦柱破壞前，回填體基本不發(fā)生移動。 但隔離礦柱破壞后，回填體豎向沉降迅速增加，且位于回填體中部監(jiān)測點G2 位移大于兩側(cè)位移。 隔離礦柱破壞前，隔離礦柱豎向沉降基本為0。 但隔離礦柱破壞后，隔離礦柱沉降隨礦體回采而增加，此時隔離礦柱失去了承載力，已基本成為廢石。

4 充填法回采結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力演化特征

表3給出了采用充填法開采深部礦體時回填體和圍巖的應(yīng)力演化過程。 可以看出，深部礦體剛開挖時，隔離礦柱能夠保持整體穩(wěn)定。 隨著深部礦體持續(xù)開采與采空區(qū)持續(xù)回填，由于黏結(jié)回填材料強度較低，回填材料發(fā)生了明顯破壞。

表3 充填法開采時回填體和圍巖的應(yīng)力演化

圖5為深部礦體充填開采時模型中各監(jiān)測點的應(yīng)力演化規(guī)律。地表塌陷坑回填后，上下盤地表的水平應(yīng)力發(fā)生了一定程度跌落，在此之后基本保持恒定。同時，距離塌陷區(qū)越遠的監(jiān)測點，其水平拉應(yīng)力越大，這說明隨著深部礦體回采，地表水平拉應(yīng)力集中區(qū)向塌陷坑兩側(cè)轉(zhuǎn)移。 在回填過程中，回填體水平應(yīng)力有小幅波動，且回填體水平應(yīng)力略大于豎向應(yīng)力，這是因為圍巖水平構(gòu)造應(yīng)力部分轉(zhuǎn)移到了回填體上。 采空區(qū)塌陷廢石水平應(yīng)力隨深部礦體回采逐漸增加，說明廢石對圍巖的支撐作用逐漸增加。 當(dāng)深部礦體被開挖和采空區(qū)被回填后，膠結(jié)回填體剛度較低，能承受的圍巖水平應(yīng)力有限，部分水平圍巖應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到了上部的塌陷廢石和隔離礦柱上。 隨著深部礦體回采，圍巖水平應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到隔離礦柱上，隔離礦柱水平應(yīng)力隨礦體開采而不斷增加。 當(dāng)水平應(yīng)力增加到23 MPa時，隔離礦柱發(fā)生了一定程度破壞，但仍具備一定的承載能力，為12 MPa。

圖5 充填法開采模型中各監(jiān)測點的應(yīng)力演化規(guī)律

4.2 回填體及圍巖移動規(guī)律

圖6給出了深部礦體充填開采時模型中各監(jiān)測點的位移變化規(guī)律。 上下盤地表沉降都隨著深部礦體開采而增加，但上盤監(jiān)測點離塌陷區(qū)越近位移越小，而下盤監(jiān)測點離塌陷區(qū)越近位移越大。 整個過程中，上下盤地表沉降量相差不大，9 中段開采以后，上下盤地表的最大沉降量分別為12 mm 和15 mm。 在礦體回采過程中，回填體沉降量不大，且位于回填體中部監(jiān)測點G2 位移大于兩側(cè)位移。 雖然隔離礦柱沒有破壞，但隔離礦柱沉降隨礦體回采而增加，9 中段開挖以后，隔離礦柱最大沉降量為0.1 m。

圖6 充填法開采模型中各監(jiān)測點的位移演化規(guī)律

5 兩種采礦方法對比分析

圖7為2 種不同采礦方法引起的圍巖應(yīng)力演化對比。 采用崩落法開采時引起的上盤地表水平拉應(yīng)力較充填法大，說明崩落法更容易引起上盤發(fā)生拉伸破壞。充填法開采在下盤地表引起的拉應(yīng)力要略大于崩落法，但均不足0.4 MPa，所以基本可以判斷該礦山深部礦體開采時下盤基本不受影響。 采用充填法開采時，采空區(qū)塌陷廢石提供的支撐力要遠優(yōu)于崩落法開采，說明充填法更有利于維持圍巖的穩(wěn)定性。

圖7 2 種采礦方法引起的圍巖應(yīng)力演化對比

圖8給出了2 種不同采礦方法引起的圍巖位移變化對比圖。 采用崩落法回采深部礦體引起的沉降量要遠大于采用充填法引起的沉降量，這說明充填法能夠很好地控制上盤地表沉降量。 2 種方法的下盤地表沉降都基本可以忽略，說明該礦山地表塌陷有可能發(fā)生在上盤。 崩落法開采在回填體和隔離礦柱引起的沉降遠大于充填法開采引起的，說明充填法能夠很好地控制回填體和隔離礦柱沉降。

圖8 2 種采礦方法引起的圍巖位移變化規(guī)律對比

6 結(jié) 論

1） 采用崩落法開采深部礦體時，隔離礦柱會發(fā)生破壞，導(dǎo)致上盤地表出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，塌陷區(qū)回填體和圍巖發(fā)生較大沉降。 隔離礦柱的破壞主要是水平應(yīng)力集中引起的，而非上部回填體產(chǎn)生的垂向荷載。 隔離礦柱破壞前，回填體圍巖應(yīng)力和位移變化不大。 隔離礦柱破壞后，隔離礦柱水平應(yīng)力發(fā)生較大跌落。

2） 采用充填法開采深部礦體時，隨著深部礦體持續(xù)回采，上下盤地表和回填體水平應(yīng)力變化不大，但塌陷廢石和隔離礦柱水平應(yīng)力隨礦體開采深度增加而顯著增加。 整個過程中，隔離礦柱未被破壞，地表未出現(xiàn)明顯塌陷區(qū)，可以很好地解決該礦山地表塌陷問題。