高阶段采场充填体稳定性的数值分析

付玉华，占 飞，余信橙

(1．江西理工大学应用科学学院，江西 赣州 341000；2．紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 364200；3.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)

高阶段采场充填体稳定性的数值分析

付玉华1，2，占 飞3，余信橙3

(1．江西理工大学应用科学学院，江西 赣州 341000；2．紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 364200；3.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)

胶结充填体的稳定性对金属矿山的高效回采极为关键。为此，运用数值模拟的方法，综合考虑采场实际结构，设置合理的物理力学参数，对紫金山金铜矿深部X1号矿体采场进行模拟、稳定性分析。在矿房、矿柱布置18个位移观测点，记录各测点在一步骤矿房开挖、充填，二步骤矿柱开挖、充填整个过程中的变形特性。根据采场应力分布、塑性区分布、位移变化判断采场的稳定性，分析高阶段范围下充填体的稳定作用过程。

金属矿山；充填体；数值模拟；稳定性分析

矿房回采完毕后，为回采高阶段大型独立矿柱，面对周围大面积矿房空区，使用胶结充填材料充填采空区矿房，减小顶部围岩暴露面积控制顶板压力，维护围岩稳定具有极其重要的作用[1]。因此，充填体的稳定性是其在保持自立的基础上对采空区提供支撑作用的关键。曾照凯等[2]从充填体在采空区所起的力学作用入手，建立数学力学模型，对胶结充填体进行了稳定性研究。彭府华等[3]针对金川二矿区大型充填体稳定性问题，采用自制的监测装置对充填体的下沉量和下沉速率进行变形监测。数值模拟计算方法已经成为现代工程技术分析、 计算、 预测预报工程稳定性、可靠性的重要手段[4]。郭忠平等[5]运用岩板理论和数值模拟的方法对矸石条带充填体参数优化和稳定性分析。薛改利等[6]利用经典理论模型法和工程类比法，通过对矿房、胶结充填体、围岩作用下充填体和采场承载结构矿柱等四个方面进行稳定性分析，以及对充填体强度与采场围岩进行匹配研究，进而验证充填体强度在回采和充填过程中能否满足稳定。上述研究尽管取得一定的成果，但在力学模型匹配和力学参数的选择上存在不足。胶结充填体矿柱中的应力分布，一般与充填体的力学特性，充填矿柱的几何尺寸，充填矿柱壁和采场壁的粗糙程度，采场围岩的位移及矿体倾角等多因素有关[7]。

本研究针对紫金山金铜矿深部X1号矿体，充分考虑其采场应力环境，并借鉴中钢集团马鞍山矿山研究院和紫金矿业集团股份有限公司所作紫金山金铜矿露天地下联合开采的相互影响关系研究的相关成果，选择较为合理的介质物理力学参数，模拟高阶段采场下的充填和回采全过程。由此，得出采场各部分的应力及位移变化，对采场环境进行全方位的稳定性分析。

1 计算模型建立

紫金山金铜矿深部X1号矿体开采采用大直径深孔嗣后充填采矿法，底部结构为集矿堑沟，铲运机双侧双向交错进路出矿，进路间距为15 m，矿体垂高50～60 m，在中段平面内按15 m×50 m布置矿房、矿柱。结合紫金山金铜矿深部矿体充填法开采工艺，利用FLAC3D数值计算软件进行模拟。采用莫尔-库伦模型，设置矿房、矿柱宽为15 m，长和高均为50 m。为提高数值计算效率，将实际开采的三维实体模型简化成数值计算的二维平面模型，即按平面应变问题求解。稳定性分析模型如图1所示，绿色部分表示围岩(中细粒花岗岩)，宽210 m，高350 m，内部左侧蓝色部分为第一步矿房，宽15 m，高50 m，右侧红色部分为第二步矿柱，宽15 m，高50 m。

借鉴中钢集团马鞍山矿山研究院和紫金矿业集团股份有限公司所作紫金山金铜矿露天地下联合开采的相互影响关系研究成果，采场主要围岩为中细粒花岗岩，介质基本物理力学参数设置见表1。

2 边界条件及计算方案

底部和两侧设置位移边界，即约束各面垂直位移，模型顶部施加初始应力。根据相关资料，为了更好的模拟实际采场中充填全过程，施加在模型顶面的初始应力设置为18.6 MPa。模拟计算分四步完成，首先保持整个模型完整且采用弹性模型，对计算区域应力进行初始化，第二步开挖第一步矿房，分析第一步矿房开挖后采场应力、位移变化和采场稳定性，第三步充填第二步矿房空区，分析充填效应，第四步开挖第二步矿柱。为了较直观的显示每个步骤前后采场周围的变形特性，模拟计算过程中，需在矿房和矿柱的底部角点和顶部各设置若干观察点，如表2所示，记录模型开采过程中相应的位移信息。

图1 充填体稳定性计算模型

剪切强度Γ(kN/m3)内聚力C(MPa)内摩擦角Φ(°)弹性模量E(GPa)泊松比μ抗拉强度σt(MPa)矿体23.80.5732.948.80.340.57岩体26.61.7036.2050.00.254.88充填体19.80.85225.80.6630.330.9

表2 设置观察点位置表

3 稳定性分析

3.1 应力初始化

在模型顶部施加18.6 MPa垂直应力，经24 759步运算后，模型达到平衡。由图2可知，应力初始化后，模型中垂直应力的分层分布非常明显，位移分布同样呈现压密特性，再次说明经应力初始化后，模型达到平衡状态。

3.2 一步骤矿房开挖

由图3～5可发现，一步骤矿房开挖后，岩体内原岩应力状态被扰动，垂直应力不再呈明显分层分布，一步矿房附近应力得到释放，应力集中到空区两侧岩体中，在空区两侧壁面上最大主应力为拉应力，其最大值为3.44 kPa，最大位移出现在空区顶部，其值为2.494 cm，指向采空区。

图2 应力初始化模型垂直应力分布

图3 步骤矿房开挖模型垂直应力分布

图4 一步骤矿房开挖模型最大主应力分布

图5 一步骤矿房开挖模型位移云图

图6 一步骤矿房开挖模型塑性区分布

图6显示一步骤矿房开挖后空区周围塑性区分布，在模拟开挖过程中，在空区的顶部因拉和剪曾出现过塑性状态，开挖结束后，在空区两侧仍存在部分塑性区。结合塑性区分布和观测点位移时步关系，可知一步骤矿房开采过程中采场能保持稳定状态，这与作为围岩的中细粒花岗岩的稳固性相符。

3.3 一步骤矿房充填

图7和图8是一步矿房充填后的最大主应力、塑性区分布图。分析可知，采空区充填后，充填体承担部分围压，空区周边最大主应力分布更加均衡，周边塑性区明显减少。充填体作为支撑结构体，起支撑围压和改善围岩应力状态作用。

图7 一步骤矿房充填模型最大主应力分布

图8 一步骤矿房充填模型塑性区分布

图9 二步骤矿柱开挖模型最大主应力分布

3.4 二步矿柱开挖

由图9可知，在充填体侧开采二步矿柱时，充填体和空区周边的应力重新分布，两侧围岩应力集中，最大压应力为10.855 MPa，充填体内中上部出现拉应力，最大值为81.42 kPa。图10显示，二步矿柱开采，最大位移出现在空区右侧中部围岩处，最大值为2.5 cm，充填体产生的侧向位移比围岩要小。图11表明，二步矿柱开采后，空区周边塑性区分布范围较充填时有所增大，但比第一步矿房开采时要小，充填体未出现塑性区，塑性区主要分布在两侧围岩中。说明在整个支护体系中，主要由围岩承担支撑作用，充填体主要起改善围岩应力状态作用，且在二步矿柱开采过程中，充填体能保持稳定状态。

图11 二步骤矿柱开挖模型塑性区分布

表3列出了各开挖步对应的观测点的垂直位移变化情况和塑性区分布范围。一步矿房开挖后，采空区底部出现底臌，顶部下沉量最大，出现的塑性区单元也最多，达191个；采空区充填后，采场应力结构得以改善，底臌消失，顶底板位移大大减小，充填体承受部分地压作用，塑性区单元减小到120个；二步矿柱开采后，由于充填体对左侧围岩存在限制约束作用，致使围岩的支承能力得到强化，反映在各测点位移比一步矿房开挖时要小，其塑性区分布范围也由第一步矿房的191下降到158。因此，表中数据直观反映了充填体作为一支撑结构物，和围岩一道共同承担支护作用，且充填体是作为一种柔性支护体参与作用的。

表3 开挖模拟各步骤观测点垂直位移和塑性区范围

4 结 论

1)采空区充填后，围岩应力状态得以改善，由二维转变为三维应力状态，空区顶板位移由2.5 cm减小到0.05 cm，底板底臌消失，塑性区单元由191个降到120个，采场围岩和充填体保持稳定，为二步骤矿柱开采创造良好条件。

2)充填体侧开采二步骤矿柱，由于充填体对左侧围岩存在限制约束作用，致使围岩的支承能力得到强化，反映在各测点位移比一步矿房开挖时要小，其塑性区分布范围也由第一步矿房的191下降到158，充填体和采场保持稳定。

3)充填接顶效果理想条件下，充填体并非一直立胶结体，而是作为支护结构物，与围岩构成共同支护体系。充填体作为一柔性支护结构，除承担部分上部围岩压力外，主要约束围岩的侧向变形，起改善围岩应力状态的作用。

[1] 林敏，苏成哲，周雄超.深部采区胶结充填体稳定性分析[J].现代矿业，2013(1)：42-54.

[2] 曾照凯，张义平，王文明.高阶段采场充填体强度及稳定性研究[J].金属矿山，2010(1)：31-34.

[3] 彭府华，李庶林，李小强，等.金川二矿区大体积充填体变形机制与变形监测研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(1)：104-113.

[4] 施建俊，孟海利，汪旭光.数值模拟在矿山的应用[J].中国矿业，2004，13(7)：53-56.

[5] 郭忠平，黄万鹏.矸石倾斜条带充填体参数优化及其稳定性分析[J].煤炭学报，2011，36(2)：234-238.

[6] 薛改利，高谦，杨志强.阶段嗣后充填采充过程稳定性分析与充填体强度匹配研究[J].有色金属：矿山部分，2013，65(5)：11-14.

[7] 卢平.胶结充填矿柱中的应力分布[J].黄金，1988(6)：9-14.

Stability analysis of the numerical simulation of backfill on high-bench stope

FU Yuhua1，2，ZHAN Fei3，YU Xincheng3

(1.College of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Zijin Mining Group Co.，Ltd.，Shanghang 364200，China；3.College of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The stability of cemented backfill is crucial to the efficient mining of metal mines.Accordingly，the numerical simulation method is used to set up the reasonable physical parameters and mechanical parameters，which are based on the actual structure of the stope.Then，simulating and analysing the deep X1orebody in zijinshan Gold copper mine.Eighteen monitoring points have layouted in the rooms and pillars to record the deformation characteristics when the rooms and pillars are firstly and secondly excavated and filled.According to the stress distribution，plastic zone distribution and displacement variation，both the stability of stope can be determined and the process of backfill stability can be analyzed.

metal mine；backfill；numerical simlation；stability analyais

2017-03-21 责任编辑：宋菲

国家自然科学基金项目资助(编号：51464015)；江西省教育厅2015年度科学技术研究重点项目资助(编号：GJJ151519)

付玉华(1977-)，男，江西上饶人，博士，副教授，主要从事矿山开采与岩体损伤方面的教学和研究，E-mail：yhfu@jxust.edu.cn。

TD853

A

1004-4051(2017)07-0111-05