大直径深孔阶段空场嗣后充填采场稳定性研究

徐伟兰，孙 飞，何维剑

(1.北京国信安科技术有限公司，北京 100160；2.黑龙江多宝山铜业股份有限公司，黑龙江 黑河 161416)

大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿，采场结构参数较大，对矿山开采的采场稳定性提出了更进一步的要求。一方面需要定量分析采场工艺参数是否能满足开采期的要求，另一方面需要圈定开采结束后地表岩移范围，进而确定地表有没有受影响的工业场地、建构筑物等。

众多学者开展了对充填采矿稳定性的研究，尤其是对于充填采矿的应力重新分布[1]、大空间充填采矿采场稳定性[2-4]、充填体的强度稳定性实验[5-7]、充填法采矿围岩稳定性研究[8-9]、地表移动带圈定研究[10]等方面做了较多的研究工作。研究工作主要侧重于充填法采矿的采场结构参数优化及采矿引起的围岩失稳等。本文根据大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿稳定性的要求，主要从采场矿柱稳定性、矿房充填体稳定性及充填体整体充填效果稳定性三个方面进行研究工作。

1 工程概况

某铜矿地下开采矿体赋存标高+494～-180 m，矿带走向310°～325°，倾向SW，倾角60°～66°。矿体上下盘围岩主要为花岗闪长岩，矿体厚度较大，采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法回采。采场垂直矿体走向布置，宽27 m，采场内划分矿房和矿柱，矿房宽12 m，矿柱宽15 m，长视矿体厚度而定。

图1为稳定性数值模拟分析主要论述对象空间位置关系图。矿体及围岩岩石主要有花岗闪长岩、更长花岗岩、安山岩、凝灰质砂岩。岩石致密坚硬、抗压、抗拉、抗剪强度大，内摩擦角大，岩石工程体质条件好，稳定性较强。表1为主要矿岩物理力学性质。

图1 稳定性数值模拟分析主要论述对象空间位置关系图Fig.1 The main evaluation object spatial position

表1 主要矿岩物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of main rock mass

2 采场稳定性分析基础

2.1 基本假定

岩体中含有大量的结构面，结构面把岩体切割成大量结构体，岩体实际上是由大量不连续的结构体所组成。通过岩体质量评价并进行岩石物理力学参数折减后，可以把岩体看作连续介质。稳定性模拟分析中，仅考虑矿山地应力和重力的静力学作用，忽略地震、爆破振动和气-水-热等渗流场因素对岩体和充填体稳定性的影响，并认为岩体和充填体均服从摩尔-库伦破坏准则。

2.2 构建有限元计算模型

依据矿体空间位置关系、矿体开采设计方案，明确各稳定性影响因素的相互空间关系及逻辑关系，实现矿体开采的全过程仿真模拟。在全三维仿真模型的基础上，采用有限元岩土力学分析方法，对全三维仿真模型进行物理学力学行为模拟，进一步完成全三维仿真有限元计算模型的构建，实现矿体开采的全过程力学行为模拟。模型如图2、图3 所示。

图2 全三维仿真及有限元计算模型(1)Fig.2 Layout of 3D simulation and finite element calculation model(1)

图3 全三维仿真及有限元计算模型(2)Fig.3 Layout of 3D simulation and finite element calculation model(2)

模型地表范围-900 m×2 000 m×2 000 m，主要划分为地表第四系、风化花岗岩、花岗岩围岩及矿体。全三维有限元计算模型范围同全三维仿真模型，按照有限元划分规则将开采过程中的矿体进一步划分为矿房(12 m×矿体厚度×60 m)、矿柱(15 m×矿体厚度×60 m)及充填体(尺寸同矿房、矿柱)。

在有限元网格划分完成之后，界定不同岩性的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、黏聚力、膨胀角以及本构模型等；对模型添加边界条件；再对模型进行模拟计算。根据计算结果，借助三维可视化的功能直观对矿柱、充填体和围岩的应力状态以及位移变化进行分析，从而论述采场结构及充填体整体的稳定性状态。

3 采场稳定性分析

选取13号235～295 m矿体进行大直径深孔阶段空场嗣后充填法的模拟开采，将矿体数值模拟部位共划分5个矿房、4个矿柱。分析区西侧及以上各中段已经充填完毕、分析区东侧及以下各中段还未开采。采场结构及开采顺序图见图4。

图4 采场结构及开采顺序图Fig.4 Diagram of stope structure and mining sequence

3.1 采场矿柱稳定性分析

按照开采方案，以矿房1、3、5进行开采来论述矿柱的稳定性。

1)竖向应力状态

通过模拟计算后，获得矿房1、3、5开采后矿柱所承受的竖向应力状态，图5为矿柱所承受竖向应力情况。由图5可知，矿柱内部主要受到压应力作用，数值范围为(+1.194 67e1～-9.142 82e3 kPa)，其值均小于矿柱本身抗压强度(124e3 kPa)，故其稳定性较好。

图5 矿房回采后应力状态云图(Z竖向应力)Fig.5 Cloudy map of stress state after stop mining(Z vertical stress)

2)位移分析

通过模拟计算后，可获得矿房1、3、5开采后矿柱所产生的竖向位移状态，图6为矿柱竖向位移情况。由图6可知，矿柱顶部主要产生下沉现象，数值范围为(-3.194 58e-5～-6.241 47e-4 m)；矿柱底部受压力左右存在底部上鼓现象，数值范围为(+6.675 45e-5～+5.602 56e-4 m)。位移量均较小，在可控范围内，故其稳定性较好。

图6 矿房回采后位移状态云图(Z竖向位移)Fig.6 Cloudy map of displacement status after stop mining(Z vertical displacement)

3)塑性区分析

通过模拟计算后，可以获得矿房1、3、5开采后矿柱塑性变化情况(图7)，由图7可知，矿柱无塑性应变，故其稳定性较好。

图7 矿房回采后塑性区状态云图Fig.7 Cloudy map of plastic zone after stop mining

3.2 矿房充填体稳定性分析

矿房回采结束后，采用全尾砂胶结充填，再进行矿柱的回采。矿房回采、充填模拟结束后，进行矿柱1、3的回采，根据矿柱回采方案来论述矿房充填体的稳定性。

1)竖向应力分析

通过模拟计算后，可获得矿柱开采后充填体所承受竖向应力状态，图8为充填体1所承受竖向应力情况。由图8可知，充填体内部主要受到压应力作用，数值范围为(+5.117 37e1～-9.479 45e1 kPa)，其值均小于矿柱本身抗压强度(1.5～2.0e3 kPa)，故其稳定性较好。

图8 矿柱回采后充填体应力状态云图(Z竖向应力)Fig.8 Cloudy map of stress state of backfill after pillar mining(Z vertical stress)

2)位移分析

通过模拟计算后，可获得矿柱开采后充填体所产生的竖向位移，图9为充填体竖向位移情况。由图9可知，充填体由于自身存在较大的孔隙比，充填体初始凝固后仍然出现充填体中间部位下沉现象、充填体周边受内部挤压部分位置出现上移现象，数值范围为(+1.424 57e-3～-9.757 54e-3 m)。其位移量均较小，在可控范围内，故充填体稳定性较好。

图9 矿房回采后充填体位移状态云图(Z竖向位移)Fig.9 Cloudy map of backfill body movement after stop mining(Z vertical displacement)

3)塑性区分析

通过模拟计算后，可以获得矿柱回采后充填体塑性变化情况(图10)，由图10可知，充填体无塑性应变，故其稳定性较好。

图10 矿柱回采后充填体塑性区状态云图Fig.10 Cloudy map of plastic zone of backfill body after pillar mining

通过对大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法的采场结构的稳定性分析，认为采矿方法结构参数及其开采顺序在安全上是可行的。

3.3 充填体整体充填效果稳定性分析

通过开采数值模拟分析，采场结构参数及开采顺序均能满足安全性要求，但由于地表有排土场及其挡水坝，需要对充填体整体充填效果的稳定性进行分析。

对矿山整个寿命期的矿体开采—充填进行数值模拟，得到矿山寿命期结束时的围岩位移变化情况，如图11所示。由图11可知，矿山在开采寿命期内地表沉降位移范围为-1.250 00e-2～0 m；图11为矿山寿命期位移范围三维展示，图中位移大于1 cm的区域为地表错动范围。

图11 矿山寿命期位移变化云图Fig.11 Cloudy map of mine lifetime displacement change

将矿山寿命期地表位移云图与矿山设计总平面布置图进行贴合对比，结果如图12所示。由图12可知，地下开采可能对地表排土场及其挡水坝产生影响。

图12 矿山地表位移云图与总平面布置贴合图Fig.12 Joint figure of mine surface displacement cloudy map and the general layout

根据《采矿设计手册》中地表建构筑物的保护限值要求(表2)，论述对象的地表位移的数值模拟计算值，如表3 所示。

表2 地表建构筑物保护参数表Table 2 Structural protection parameters table

表3 数值模拟计算结果表Table 3 Numerical simulation results table

由表2、表3可知，矿区地表移动带最大变形值除最小曲率半径在“三”级保护范围最大允许变形限值以下，其他变形值都在“一”级保护范围最大允许变形限值以下。而矿山的排土场及其挡水坝对采动不敏感、能经受较大变形，为加强维修即可使用的建筑物。因此，该矿山地下开采对地表建构筑物均影响不大，不会产生破坏性影响。

4 结论

通过对大直径深孔阶段空场嗣后充填的采场结构稳定性及充填体效果稳定性分析，认为采矿方案的结构参数及开采顺序在安全上是可行的，地下开采后及时充填不会对地表建构筑物产生破坏性影响。

通过对采场稳定性和充填体作用效果进行数值模拟计算及论述，一方面验证了采场参数及回采顺序能满足安全的需求，以便于为矿山的安全生产提供强有力的依据；另一方面通过对充填体稳定性的数值模拟分析，验证了有需要保护的建构筑物在地表岩石移动范围内，可进一步优化充填体强度要求和充填料配比，在保证开采安全的前提下，降低矿山生产成本。