空场嗣后充填采矿法对围岩及地表的影响规律研究

杨八九 侯克鹏 蒋 军

(1.云南亚融矿业科技有限公司，昆明 650093； 2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

1 工程概况

云南某铁矿采用空场嗣后充填采矿法，一步骤回采时，把采场划分为矿房、矿柱，矿柱为永久矿柱，不进行回采[1-5]。阶段高度为60 m，利用正交试验设计方法，研究不同矿房、矿柱尺寸，以及充填体不同沉降率时，围岩及地表的应力应变显现规律[6-10]。

2 数值模型的建立以及正交方案的设计

本次模型的建立采用FLAC3D数值模拟软件进行，主要研究疆锋铁矿Ⅱ号矿段采用空场嗣后充填法进行开采，选取不同的采场结构参数时，分析围岩及地表的应力应变显现规律，从而确定出较佳的采场结构参数，为矿山开采提供技术支撑，模型X方向垂直矿体走向方向，长度为450 m；Y方向为矿体走向，长度为700 m；Z方向为竖直方向，模型底部标高290 m，顶部标高模拟矿山实际地形，由 于地形较复杂，做了一定的简化，建好的模型见图1，模型共计682 227个单元和712 400个节点，岩体力学参数见表1。

图1 整体计算模型图以及矿体和断层相对位置图Fig.1 Overall calculation model and relative positions of ore bodies and faults

2.1 正交表设计

本次主要研究选取不同矿房、矿柱尺寸以及充填体不同沉降率时，采场应力应变的变化分布情况，分析各因素对于采场稳定性所占权重。因素与水平见表2，正交表设计见表3。由于矿房与矿柱尺寸要进行不同的排列组合，因此方案设计所列矿房长度为净长度。

表1 岩体力学参数Table 1 Rock mass mechanical parameters

表2 因素与水平表Table 2 Factors and levels

表3 正交表L16(43)Table 3 Orthogonal table L16(43)

3 计算结果分析

3.1 最大主应力

沿着矿体走向从矿体中部切纵坡面，对不同计算方案最大主应力进行分析。由于方案较多，选取方案一和方案十六对采场区域进行局部放大分析。

图2 矿体走向中部最大主应力图Fig.2 The maximum main stress diagram of orebody strike in the middle

从最大主应力图(图2)可以看出，矿体开挖充填后，矿体下部围岩应力较周围岩体低，这是由于矿体开完后，矿房围岩应力急剧释放，下部岩体有上鼓的趋势，虽然后续经过充填，但是充填体强度及容重与原岩相差较大，不足以抑制下部围岩应力的释放。而矿体上部围岩则较周围岩体应力高，这是由于矿体开挖后下部悬空，再加上重力作用所导致。矿房尺寸越大，围岩应力释放区域越大。

不同计算方案最大主应力值相差不多，矿柱上均未出现明显的应力集中区域，出现压应力而导致破坏的可能性很小。充填体压应力值均在1～2 MPa，在520 m阶段由于上部矿体开采及充填活动直接在下部充填体上进行，因此该部分充填体最大主应力有所增大。

3.2 最小主应力

矿体开采最高标高至580 m，因此选取该水平剖面矿体顶板进行最小主应力分析。由于方案较多，选取方案一和方案十六对采场区域进行分析。

图3 矿体走向中部最小主应力图Fig.3 The minimum main stress diagram of orebody strike in the middle

从最小主应力图(图3)可以看出，由于断层的软弱结构导致断层带的应力较周围岩体的应力值较小。矿体开挖进行充填后，矿体顶板矿房位置处围岩均有拉应力出现。拉应力值最小的是方案六0.02 MPa，最大的是方案十三0.5 MPa。因此，顶板拉应力值的大小不仅与采场跨度有关，而且与矿柱尺寸、充填体是否接顶及沉降率密切相关。

3.3 整体位移

由于计算方案较多，且不同计算方案位移云图除了数值变化外相差不大。本次模型建立顶部直接模拟地表标高，地表位移可直接观察，在矿体中部截取不同计算的矿柱位置进行矿柱位移分析。不同计算方案地表整体位移和矿柱整体位移见表4。

表4 不同计算方案最大整体位移量Table 4 The maximum overall displacement of different calculation schemes

图4 不同计算方案最大位移量图Fig.4 The maximum displacement of different calculation schemes

从整体位移图(图4)可以看出，不同计算方案，地表或多或少都会出现沉降变形，位移最大位置出现在矿体开挖上部。同一计算方案不同位置位移量存在关系：矿房位移>矿柱>位移>地表位移。位移量最小的是方案四，最大的是方案十三，地表变形量最小为3.2 cm，最大为10.8 cm；矿柱位移量为5.6 cm，最大为15.7 cm；矿房位移量为6.3 cm，最大为20.9 cm。从图中可以看出，在上下盘断层位置处，均出现明显的位移阻隔现象。矿体开挖进行充填后，充填体位移量比围岩小，520 m以上充填体位移比520 m以下的大，这是由于上部矿体的开采直接在下部充填体上进行，下部充填体沉降大。由图可以看出，在矿房尺寸相同的条件，位移量随着矿柱尺寸的增大而减小。

3 计算结果极差分析

极差分析法简称R法。它包括计算和判断两个步骤，其内容如图5所示。

图5 极差分析法内容示意图Fig.5 Content schematic diagram of range analysis

图5中，Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和。由Kjm的大小可以判断j因素的优水平和各因素的水平组合，即最优组合。Rj为第j列因素的极差，即第j列因素个水平下平均指标值的最大值与最小值之差。

Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要。于是依据Rj的大小，就可以判断因素的主次。

把地表位移量、矿房位移量作为评价计算方案优劣的指标，对两个指标计算结果进行极差分析。分析结果如表5所示。

表5 正交试验结果的极差分析表Table 5 Range analysis of orthogonal test results

所有计算方案矿房位移量要大于地表位移，但是变化趋势相同见图6～7。从极差分析的数据看出，影响位移量的主次顺序为：矿房尺寸>矿柱尺寸>充填体沉降率，其最佳组合为：A1B4C1。从直观图可以看出，随着矿房尺寸的逐渐增大，位移量呈上升趋势，且上升幅度较大；随着矿柱尺寸的增大，位移量逐渐减少；直观图中，充填体沉降率波动起伏较小，近似水平，因此充填体沉降率对于位移量影响不大。

图6 地表最大位移量直观图Fig.6 View of the maximum surface displacement

图7 矿房最大位移量直观图Fig.7 The maximum displacement of pillar

4 结论

1)顶板拉应力值的大小不仅仅跟采场跨度有关，与矿柱尺寸、充填体是否接顶及沉降率密切相关。

2)从整体位移可以看出，不同计算方案，地表或多或少都会出现沉降变形，位移最大位置出现在矿体开挖上部。同一计算方案不同位置位移量存在关系：矿房位移>矿柱>位移>地表位移。

3)在上下盘断层位置处，均出现明显的位移阻隔现象。矿房尺寸相同的条件，位移量随着矿柱尺寸的增大而减小。

4)从极差分析的数据可以看出，影响位移量的主次顺序为：矿房尺寸>矿柱尺寸>充填体沉降率，其最佳组合为：A1B4C1。