闞明寶，吳永剛，王艷超

（1.首鋼集團有限公司礦業(yè)公司，河北 唐山 063000；2.北京國信安科技術有限公司，北京 100160）

充填采礦法符合綠色礦山的發(fā)展理念，隨著充填工藝和充填材料的不斷發(fā)展進步，充填采礦法在有色金屬礦山和貴重金屬礦山等各類礦山生產(chǎn)中的應用比重也越來越大［1］。但是回采和充填過程破壞了巖體最初的自然平衡狀態(tài)，容易出現(xiàn)極大的礦山地質危害［2］。所以，保證采空區(qū)圍巖和充填體的安全穩(wěn)定十分重要。

根據(jù)國內(nèi)外對采空區(qū)穩(wěn)定性分析的研究現(xiàn)狀，常用的方法有理論分析法［3-4］、預測法［5］、數(shù)值模擬法［6-7］等。以上研究方法均為采充過程的安全穩(wěn)定性分析提供了參考，在當前的技術條件下，地表變形監(jiān)測取得了采空區(qū)上方的地表位移及沉降變形量數(shù)據(jù)，結合數(shù)值模擬技術對礦體采充過程進行模擬分析，不失為一種更加科學有效的方法。地表監(jiān)測與地下模擬相結合，可以更加充分地分析評價采空區(qū)的安全穩(wěn)定性，方便于為后續(xù)的設施設計階段提供更加安全的措施和建議。

1 地表變形監(jiān)測

由于巖體中存在著大量的斷層、節(jié)理裂隙，巖體呈現(xiàn)出非連續(xù)性、非均質性和各向異性等特征［8-9］，特別是地下巖體受開采強度、設計、地下水和地表降雨等多因素的影響，地表的變形與破壞往往表現(xiàn)出復雜的力學行為［10-11］。通過地表變形監(jiān)測可以將礦區(qū)巖層復雜的力學行為直觀、可靠地定量展示，便于后續(xù)研究分析。

1.1 礦山開采現(xiàn)狀

某礦山目前主要開采井下－400 m水平，－300 m水平布置有少數(shù)采場，礦山開采正處于由－400 m中段至－300 m中段的轉段階段。礦山采用階段空場嗣后充填采礦法，采場垂直走向布置，階段高度100 m，分段高度25 m。

－400 m中段、－300 m中段共有采空區(qū)63個，采空區(qū)量總計為4 917 769.81 m3。其中已經(jīng)充填完成的采空區(qū)54個，采空區(qū)量為4 307 265.81 m3；現(xiàn)階段正在充填的采空區(qū)6個，采空區(qū)量為445 501 m3，其中已充填159 925 m3，剩余285 576 m3；現(xiàn)狀未充填采空區(qū)3個，采空區(qū)量為165 003 m3。

為確保安全生產(chǎn)，對其礦區(qū)內(nèi)以及礦區(qū)周界布設了10個位移監(jiān)測點用來監(jiān)測地表變形。

1.2 監(jiān)測結果統(tǒng)計

每個季度對地表所有監(jiān)測點進行監(jiān)測一次，并形成記錄進行保存。其中NP3號點、NP21、NP22點遭到破壞，數(shù)據(jù)收集較少。在搜集了該礦山的監(jiān)測原始數(shù)據(jù)后，其礦山地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總結果如表1所示。

表1 地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Surface deformation monitoring data statistics

1.3 監(jiān)測結果分析

該礦山地表的水平位移量和高程變化量隨時間的變化形勢如圖1和圖2所示。根據(jù)《冶金礦山測量規(guī)范》規(guī)定：巖體變形監(jiān)測的水平限差為±40 mm、垂直限差為±20 mm。表明該礦山地表位移及沉降變形量總體符合規(guī)范要求，即地表沒有明顯位移及沉降。

圖1 地表水平位移Fig.1 Surface horizontal displacement

圖2 地表高程沉降Fig.2 Surface elevation settlement

因此，在該礦山的地下開采和填充過程中，地表巖體一直保持著穩(wěn)定，間接地說明了采場圍巖和充填體能夠保持采空區(qū)的安全穩(wěn)定。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 數(shù)值模擬的基本假設

為了構建數(shù)值模型，按照目前礦山巖體工程數(shù)值分析研究的通常做法，做如下假設［12］：

1）假定每一種巖體和充填體均為各向同性的連續(xù)介質。

2）假定充填體是充分接頂?shù)模?，需要特別設定充填體與直接頂板之間的接觸面單元，該接觸面僅能傳遞上部頂板對充填體的壓應力，而充填體無法向巖體傳遞拉應力，接觸面單元的抗拉強度等強度參數(shù)忽略不計。

3）在模擬計算中，僅考慮礦山地應力和重力的靜力學作用，忽略地震、爆破振動和氣-水-熱等滲流場因素對巖體和充填體穩(wěn)定性的影響。

4）假定巖體和充填體都是服從摩爾-庫倫破壞準則的彈塑性結構體。

2.2 模型的材料參數(shù)

本次數(shù)值模型中為了方便建模，將礦體的傾角假定為90°，且對所有實際采場的不規(guī)則邊界進行平整化處理。本次分析統(tǒng)一將地表標高定為＋40 m，根據(jù)地層條件，模型分析從地表40 m至地下－500 m，在簡化數(shù)值模擬過程，同時不影響計算結果的前提下，對地層簡化為水平?？傆嫲?個模擬計算地層：地表上覆土層（Q4 ground）、泥灰?guī)r砂巖混合巖層（clay rock）、礦區(qū)頂板巖層（hall wall）、含礦巖層（iron rock）、礦區(qū)底板巖層（footwall）。本次分析論證采用的礦巖物理力學參數(shù)見表2，充填體采用的物理力學參數(shù)見表3。

表2 礦巖物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of ore and rock

表3 充填體物理力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of filling body

本次構建的數(shù)值模型的三維尺寸為4 200 m×400 m×640 m。垂直礦體走向方向定義為X方向，總寬度400 m；沿著礦體走向方向定義為Y方向，總長度4 200 m；實際垂直方向定義為Z方向，總高度640 m。本次模擬涵蓋了整個礦床－400 m水平目前為止已完成回采或者采準的所有新舊采場。圖3、圖4分別為礦山整體模型和采場模型。從圖4中可以看出，整體模型的網(wǎng)格單元采用了不等劃分方式，重點分析的采場區(qū)域網(wǎng)格較密，網(wǎng)格邊長在5 m／格左右；其余網(wǎng)格均在5～40 m，隨著遠離重點分析區(qū)域，網(wǎng)格的邊長逐漸增大。模型包含約49萬個不同尺寸的立方體單元，經(jīng)過大量的前期敏感性計算分析驗證，確保了本次數(shù)值計算模型在邊界尺寸和網(wǎng)格密度上的可靠性。

圖3 礦山整體模型Fig.3 Overall mine model

圖4 采場模型Fig.4 Stope model

2.3 初始地應力和邊界條件

初始地應力采用該礦山實測數(shù)據(jù)，在數(shù)值模型的側向邊界上分別施加相應的最大和最小水平地應力邊界。其中，沿礦體走向（沿勘探線方向、沿采場長度方向）的側面邊界施加隨埋深線性增加的最大水平主應力，垂直于礦體走向（沿采場寬度方向）的側面邊界施加隨埋深線性增加的最小水平主應力。整體模型的底面限制三向位移，側面僅限制水平位移，頂面（地表）為自由面。

2.4 采充時序的確定

根據(jù)同時回采的采場數(shù)，“隔一采一”的原則以及充填順序，綜合確定回采模擬順序：

1）首先模擬回采充填完畢的采場，采充時序為：開挖10-3＃、10-5＃、10-1＃、8-1＃、8-3＃、12-1＃6個一步驟采場，計算平衡。所有采場進行尾砂膠結充填（1∶4充填體），計算平衡。

2）模擬正在進行充填的采場，采充時序為：開挖7-1＃、7-3＃、7-5＃、9-1＃、16-4＃、8-2＃、18-6＃7個采場，計算平衡。一步驟采場7-1＃、7-3＃、7-5＃、9-1＃按照相應高度進行尾砂膠結充填（1∶4充填體），二步驟采場底部10 m采用1∶4充填體進行尾砂膠結充填，余下至相應各個采場高度的空區(qū)采用1∶8充填體進行尾砂膠結充填。

3）最后模擬尚未填充的采場，采充時序為：開挖9-3＃、10-4＃、18-2＃3個采場，計算平衡。

3 數(shù)值模擬計算結果與分析

基于已建好的礦體模型和地應力邊界條件等基礎參數(shù)，計算出所有采場開采之前的初始地應力狀態(tài)，圖5展示了礦山某中段礦體范圍內(nèi)所有采場開采之前的最大和最小主應力分布圖，圖中應力單位均為國際標準單位Pa。

圖5 初始地應力狀態(tài)（X＝－10 m截面）Fig.5 Initial geostress state（Section X＝－10 m）

3.1 采充完成后的安全穩(wěn)定性分析

對6個填充完畢的采場依次進行了開挖和充填過程數(shù)值模擬計算，得出了如圖6所示的（a）最大主應力、（b）最小主應力、（c）塑性區(qū)和（d）總位移分布云圖，應力云圖單位均為Pa，位移云圖單位均為m。

從圖6（a）和（b）可以看出，采場全部采充完畢后，該6個采場的礦巖被一步驟采場的高灰砂比膠結充填體所替代，在礦巖的逐步開挖過程中，該區(qū)域的初始地應力得到了釋放和轉移。通過圖6與圖5對比，可明顯看出上部和下部原巖部分的應力明顯增加，主要是由于采場充填體的強度和剛度遠低于它所替代的礦巖，因此地應力無法在充填體和圍巖中同等傳遞，導致采場開挖引起的應力轉移集中到上下盤圍巖，圖6（a）和（b）也展示了該部分采場充填體的應力與周邊礦巖應力的差別。從圖6（c）可以看出，充填體在維護采場圍巖完整性和穩(wěn)定性的同時，能夠保持自身的穩(wěn)定性。在該階段礦房和礦柱采場采充過程中，充填體強度參數(shù)能夠滿足其側向揭露時的自立穩(wěn)定性，揭露后的充填體并未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域。圖6（d）展示了各采場充填體的位移情況，可以看出采場充填體的最大位移發(fā)生在充填體上表面，這與該礦山采場中充填體的豎向沉降規(guī)律相吻合。

圖6 采充完成的礦體數(shù)值模擬結果（X＝－10 m截面）Fig.6 Numerical simulation results of ore body after mining and filling（Section X＝－10 m）

3.2 正在采充時的安全穩(wěn)定性分析

對7個正在進行填充的采場依次進行了開挖和充填過程數(shù)值模擬計算，得出了如圖7所示的計算結果。（a）最大主應力、（b）最小主應力、（c）塑性區(qū)和（d）總位移分布云圖，應力云圖單位均為Pa，位移云圖單位均為m。通過圖7的模擬結果來看，盡管采場還在進行充填，在采充過程中，充填體可以保持其自立穩(wěn)定性，頂板的圍巖未發(fā)現(xiàn)大面積的塑性破壞區(qū)，頂板位移量均較小，采場未充部分的空區(qū)穩(wěn)定性是有所保證的。

圖7 正在采充的礦體數(shù)值模擬結果（X＝－10 m截面）Fig.7 Numerical simulation results of mining and filling ore body（Section X＝－10 m）

3.3 尚未采充前的安全穩(wěn)定性分析

對3個尚未進行采充的采場依次進行了開挖和充填過程數(shù)值模擬計算，得出了如圖8所示的計算結果。（a）最大主應力、（b）最小主應力、（c）塑性區(qū)和（d）總位移分布云圖，應力云圖單位均為Pa，位移云圖單位均為m。由于礦山礦體的整體厚度均不大，因此無論是側向還是頂板揭露面積都要小很多，未進行充填的采場空區(qū)側面或頂板均未發(fā)現(xiàn)塑性破壞區(qū)，從圖8數(shù)值模擬的結果來看，采空區(qū)的穩(wěn)定性是較好的。

圖8 尚未采充的礦體數(shù)值模擬結果（X＝－10 m截面）Fig.8 Numerical simulation results of ore bodies not yet mined and filled（Section X＝－10 m）

3.4 地表變形數(shù)值模擬結果分析

為進一步驗證本文所構建模型的有效性。模擬了從開挖開始直到所有采場采充完畢的整個過程中地表的沉降，得到了位移云圖如圖9所示（單位：m）。

圖9 地表沉降位移云圖Fig.9 Nephogram of surface settlement and displacement

值得一提的是，該礦山開采劃定的礦巖移動界限與初步設計劃定的礦巖移動界限相接近，因此從另一方面驗證了本文所構建模型的有效性。

4 結論

1）地表水平位移以及高程變化可以說明采空區(qū)上覆地表的位移及沉降情況，因此地表變形監(jiān)測技術能夠間接地作為采空區(qū)安全穩(wěn)定性分析評價的有效手段。

2）本文分別對采充完成、正在采充以及尚未采充的礦體進行了開挖和充填過程的數(shù)值模擬。根據(jù)計算出的最大、最小主應力、塑性區(qū)和總位移分布結果，均可以直接說明在采充過程中，充填體在維護采空場圍巖完整性和穩(wěn)定性的同時，也能夠保持自身的穩(wěn)定性。

3）本文模擬了從開挖開始直到所有采場采充完畢的整個過程中地表的沉降，模擬開采劃定的礦巖移動界限與初步設計劃定的礦巖移動界限相接近，驗證了所構建模型的有效性。

4）地表變形監(jiān)測與數(shù)值模擬計算分別從間接和直接的角度對采場圍巖的完整性和充填體的穩(wěn)定性進行了評價分析，兩種技術手段相結合，可以更加充分、全面地論證和分析采空區(qū)的安全穩(wěn)定性。