某矿山崩落法和充填法联合开采采场地压分析

刘礼福，黄 今，孙宇超，熊 珂，冯志昊

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

1 矿山简介

某矿山原采用充填法开采，为“采一充一”的生产方式，矿山为便于生产组织管理，经常采用“隔一采一”的生产方式，在开采完几条进路之后再集中充填，因此在采场留下了很多非连续的进路式采空区。目前该矿山采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采，简化模型示意图如图1所示。图中1～8分别表示充填采场开挖后形成的8个间柱。上部矿体采用无底柱分段崩落法开采，下部矿体采用充填法开采并形成8个间柱，在采用两种方法同时开采的情况下，下部采场开采形成的非连续进路式采空区采场地压会产生显著的变化。尤其是上部矿体在崩落法开采的影响下，是否依然能保证下部充填采场顶板和矿柱的稳定性，是当前急需解决的问题。

图1 矿体分布示意图Fig.1 Ore body distribution diagram

2 模型的建立

由于该矿山矿体厚大，同时为降低模拟的运算量，选取矿体的一部分进行模拟。模型总体上分为5部分，由上至下分别为上部充填体、上部矿体、下部充填体、下部矿体，两侧为围岩。根据图1矿山开采所建立的模型如图2所示。该模型的尺寸为：长×宽×高=135 m×200 m×170 m，共建立229 400个节点，223 980个单元。

图2 模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the model

2.1 力学参数的选取

数值模拟中上部充填体、上部矿体、下部充填体、下部矿体和围岩的力学参数参照该矿山岩石强度指标，根据Hoek-Brown岩体强度[8-9]折减公式折减后得到各岩体的强度指标。由于岩体的物理力学性质与弹塑性材料特征相近，从充填采场的实际效果来看，矿柱的破坏主要为剪切破坏。所以此次研究选用摩尔-库伦强度本构模型[10-11]，开挖部分采用空单元(null)模型[12]。基于摩尔-库伦准则计算过程中需要的参数主要有：体积模量K、剪切模量G、内摩擦角fric、黏聚力coh和抗拉强度tens。根据式(1)～(2)得到各岩体的体积模量和剪切模量并将该矿山各岩体的力学参数汇总如表1所示。

(1)

(2)

式中：K—体积模量，GPa；G—剪切模量，GPa；E—弹性模量，GPa；v—泊松比。

表1 岩石力学参数

将表1中的岩石及胶结充填体的力学参数带入Bieniawski公式计算可得岩体及充填体在三向应力条件下的力学参数，Bieniawski公式如式(3)所示。

(3)

式中：σc—材料单轴抗压强度，MPa；ε—常数，当w/b>5时，ε=1.4，当w/b<5时，ε=1.0。

生理、心理因素的影响。青少年是一个特殊的社会群体，从生理上看，其身心发育尚不成熟，各种心理活动具有较大的不稳定性和盲目性。一般来说，青少年思维相对简单，自控能力较差，情绪不很稳定，易感情用事，一旦受到某种诱惑和刺激，容易铤而走险，以身试法；同时，青少年明辩是非的能力较成人低，好奇心和模仿性强，容易受到不良因素的侵蚀而发生心理畸变。法制意识淡薄。法律是规范人们行为的基本准则，也是评判是非曲直的重要标准。但是由于种种原因，不少青少年不学法、不懂法，对自己的行为缺乏基本的分辨能力，以致于在不知不觉中走上犯罪的道路。

由于胶结充填体与矿体的差别较大，因此需要分别进行计算。

将胶结充填体单轴抗压强度σc=8.62 MPa，w=5，c1=2.5带入式(3)，求出胶结充填体的强度为11.72 MPa；将矿石单轴抗压强度σc=36.39 MPa，w=5，c2=2.5带入式(3)，求得矿体的强度为49.49 MPa。

2.2 模拟工况

模拟工况按照先开挖进路、再回采矿石的顺序进行模拟。由图1和图2可知，上部矿体分4个分段进行回采，因此模拟步骤设置如下：

1)开挖下部充填进路；

2)开挖无底柱分段崩落法首采分段进路；

3)回采首采分段矿石；

4)开挖无底柱分段崩落法第二分段进路；

5)回采第二分段矿石；

6)开挖无底柱分段崩落法第三分段进路；

7)回采第三分段矿石；

8)开挖无底柱分段崩落法最末分段进路；

9)回采最末分段矿石。

2.3 边界条件

模型的边界条件包括位移边界和应力边界。设置固定模型边界水平方向上的位移和加速度，并在模型的顶部施加上覆岩层的自重应力；随着开采的进行，根据上覆岩层重度的变化而变化，在x轴方向上施加水平应力并设置应力梯度，y方向上由于被断层错断因此不施加水平应力。模拟过程中不考虑地下水、节理裂隙和时间效应。

3 模拟结果分析

由于地质条件复杂，又采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采，因此为保证下部充填采场的安全需对采场地应力进行模拟分析。模拟结束后，下部胶结充填体的最大主应力、最小主应力、垂直应力和水平应力的计算云图分别如图3～6所示，下部充填采场“进路式”采空区中矿柱的受力状态如图7所示。

3.1 下部胶结充填体模拟结果

模拟结束后，下部胶结充填体的最大主应力、最小主应力、垂直应力和水平应力的计算云图(部分图件)分别如图3～6所示。

图3 崩落法回采完毕后最大主应力分布图Fig.3 Distribution diagram of the maximum principal stress after caving mining

图4 崩落法回采完毕后最小主应力分布图Fig.4 Distribution diagram of the minimum principal stress after caving mining

图5 崩落法回采完毕后垂直应力分布图Fig.5 Vertical stress distribution diagram after caving mining

图6 崩落法回采完毕后水平应力分布图Fig.6 Horizontal stress distribution diagram after caving mining

由图3～6可知，上部矿体在采用无底柱分段崩落法开采结束后，下部胶结充填体和充填采场间柱垂直方向的应力显著降低，水平方向应力影响不大，由此可知，西二采区矿体主要受垂直应力影响。根据图5绘制下部胶结充填体的垂直应力变化图，如图7所示。

图7 无底柱分段崩落法各分段回采完毕后下部充填体垂直应力分布图Fig.7 Vertical stress distribution of lower filling body after the completion of sublevel caving without bottom pillar

由图7可知，随着上部矿体各个分段的回采，下部胶结充填体受垂直方向的力逐渐降低。由2.1节可知，下部胶结充填体的强度为11.72 MPa，无底柱分段崩落法开采之前，下部胶结充填体中部的垂直应力约为5.51 MPa，无底柱分段崩落法开采结束之后，下部胶结充填体最大垂直应力约为3.32 MPa，远小于胶结充填体的极限抗压强度，下部胶结充填体的稳定性得到显著提高。

3.2 下部充填采场模拟结果

下部充填采场“进路式”采空区中矿柱的受力状态如图8所示，无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力统计如图9所示。

图8 无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力分析图Fig.8 Stress analysis of pillars between filling stopes before and after sublevel caving without bottom pillar

图9 无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力统计图Fig.9 Stress statistics of pillars between filling stopes before and after sublevel caving without bottom pillar

由图9可知，无底柱分段崩落法开采结束后，充填采场间柱受垂直方向的应力显著下降。且无底柱分段崩落法开采前后充填采场采空区间柱所承受的垂直应力由11.5 MPa下降到7.5 MPa，约下降35%，极大地提高了充填采场的稳定性。

4 微震监测验证

为验证数值模拟的正确性，采用微震监测技术对矿区进行全面的动态监测。

微地震监测系统使用的是48通道、24位采样精度的微地震数据采集仪，采样率为1 000 Hz，增益为16，共使用了16个三分量速度传感器，采用连续记录方式进行监测，实时微地震信号显示。为实现对崩落法采场空区顶板围岩冒落及各采场稳定性的全面监测，结合矿山实际工程布置，16个三分量速度传感器分别安装在1 650、1 554、1 494、1 430 m四个水平，每个水平布置4个传感器，在现场布置时尽可能的使传感器构成的几何矩阵将矿体包围起来，微地震监测台站布置于1 554 m水平的休息硐室之中。通过现场监测，得到采场中发生强微震事件的位置如图10所示。

由图10可知，具有剪切破坏特征的强微地震事件发生位置均在崩落法采空区正后方30～40 m，标高1 610～1 630 m水平，且这几次强微地震事件发生之前，都监测到了若干弱微地震事件，预示着岩石内部裂隙的逐步发育及能量积蓄。

总体来说，微地震系统监测到的微地震事件主要集中在崩落法采场采空区附近，表明崩落法采矿引发采区应力发生重分布，导致采空区顶板发生开裂冒落，说明随着崩落法采矿的进行，采空区顶板胶结充填体已经安全顺利地发生冒落形成覆盖层。而充填采场及其附近未监测到任何强微地震事件，表明上部中段的崩落法采矿未对下部充填采场的稳定性造成不利影响，证实了数值模拟结果的正确性。

5 结论

通过采用FLAC3D数值模拟技术对该矿山采场地压的演化规律和矿柱受力情况进行模拟研究并利用微震监测技术对模拟结果进行验证，综合分析后得出以下结论：

1)该矿山在采用两种采矿方法联合开采的条件下，地压环境主要受垂直应力影响，且随着上部无底柱分段崩落法的回采，对下部胶结充填体及充填采场在一定程度上起到了卸压作用，充填采场的稳定性得到显著提高。

2)微地震监测验证了数值模拟结果的正确性。在崩落法回采过程中，微震事件主要发生在崩落法采空区顶板以上，下部充填采场附近未监测到任何强微震事件，表明上部中段的崩落法采矿未对下部中段充填采场的稳定性产生不利影响。

3)本研究为矿山实现充填法与崩落法的安全高效协同开采提供了科学依据，对矿山而言具有重大的工程实际意义和重要的研究价值。