基于跨度比和充填体强度的采场稳定性分析*

马志平，刘福春，刘恩彦

(1.四川能投锂业有限公司， 四川 成都 610023；2.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

0 引言

充填采矿法在采场稳定性和矿石回收率方面有着独到的优势，在地下金属矿山的应用十分广泛[1-3]。应用充填采矿法时，尤其是两步骤充填采矿，学者们的研究重点在于保障矿体回采过程中的安全稳定性。现阶段采矿工作者分析采场稳定性的主流方法有理论模型、工程类别、相似模拟以及仿真模拟等[4]。郭进平、李江、夏长念等[5-7]结合Mathews图法和数值模拟分析采场跨度与间柱的组合回采方案，优化采场结构参数。羊羽翔、阮喜清、张云韦等[8-10]分析采场沉降位移对采场结构参数的影响。姚囝、李小双、王东旭等[11-13]建立相似模拟试验，分析回采过程中围岩的变形破坏模型，研究其受力变形规律，揭示充填矿柱承载机理，并采用数值模拟方法进行结果验证。上述研究基本从稳定性的角度分析不同采场结构尺寸、不同开挖深度以及爆破扰动对采场稳定性的影响，进一步揭示采场开挖过程中应力应变的演变规律。李炎峰、安东亮等[14-15]将数学方法和数值模拟相结合，以数值模拟结果为主要指标，通过模糊数学和层次分析法赋予权重，建立采场结构参数优化体系，优选出最佳回采方案。上述文献中均以采场稳定性为主体目标，研究不同采场结构参数对采场应力和变形的影响，实现采场结构参数优化。

本文在保障采场安全的前提下，结合矿山企业控制采矿成本的需求，基于不同跨度比（二步骤和一步骤采场跨度的比值）和充填体强度提出9种回采方案，并开展FLAC3D数值模拟分析，确定最优的采场参数。

1 工程概况

四川某矿矿体赋存于花岗伟晶岩脉中，矿石主要为锂辉石，岩脉系较硬工程地质岩组，岩石质量好，岩体较完整，稳固性好。顶底板系三叠系上统侏倭组（T3zh）坚硬工程地质岩组，岩体主要呈块状结构，岩组的RQD平均值为80.56%，岩石质量好，岩体较完整，稳固性好。主矿体走向长约2000 m，矿体厚度为30～50 m，倾角61°，开采标高为+4074～+3150 m，主要的采矿方法为分段空场嗣后充填采矿法，两步骤回采，采场垂直走向布置，长度等于矿体厚度，高度为中段高度50 m，宽度20 m，每5个采场划分为1个盘区，并设立15 m宽的盘区矿柱。

2 数值模拟计算

2.1 数值模型

根据矿体的地质条件和采矿方法建立数值仿真模型，建立三维数值计算概念模型，计算模型如图1所示。模型整体长500 m，宽300 m，高180 m，矿体水平厚度为50 m，倾角61°。完成后的网格模型共有450 000个单元和467 321个节点。

图1 计算模型

根据矿山水文地质资料及矿岩力学试验结果，选定的材料力学参数见表1。

表1 材料力学参数

2.2 原岩应力场

根据矿区现有的地应力数据，得到原岩应力的分布情况如下：

式中，σh,max为最大主应力，MPa；σh,min为最小主应力，MPa；σv为垂直主应力，MPa；h为测点埋深，m。

2.3 优化方案

矿山现行采矿工艺为分段空场嗣后充填法，盘区内共5个采场，划分为一步骤采场和二步骤采场，采场跨度均为20 m，首先开采一步骤采场，采用胶结充填，其强度达4 MPa，待一步骤采场回采充填完毕，再开采二步骤采场，采用非胶结充填。该工艺虽能实现安全高效开采，但充填成本较高，主要是因为一步骤采场跨度大和充填强度高。因此，本文在保障安全生产的前提下，从节约充填成本的角度，同时确保现有开拓系统不进行大调整，重新调整采场布置参数和充填体强度，并设计9种优化方案，并依据矿体回采时序，即采场 1→采场 3→采场5→采场2→采场4，开展仿真模拟研究。开挖步骤如图2所示，具体采场优化方案见表2。

图2 开挖步骤

表2 优化方案

3 模拟结果分析

3.1 采场变形特征

采场的垂直位移是判断采场稳定性的重要依据，采场逐步回采过程中顶底板的竖向位移变化如图3所示。从图3可以看出，采场开挖后，采空区顶板出现沉降，底板出现底鼓，其顶底板的变形是持续增加且不可逆的。采场1和采场5的顶板最终变形量约为0.2 m，采场2、采场3和采场4的顶板最终变形量约为0.25 m，采场1和采场5的底鼓变形量约为0.04 m，其余采场的底鼓变形量约为0.08 m，这主要是因为采场1和采场5侧帮均有盘区矿柱，起到了较好的支撑作用，而中间3个采场的顶底板一直受相邻采场回采的扰动影响，故其采场变形量较大。相较于底板位移，采空区顶板明显变形较大，属采场潜在失稳区域。同时可发现，采场 2和采场4的位移增量远大于另外3个采场，如采场4的顶板增量达0.159 m，而采场1的顶板增量仅为0.047 m，主要是因为采场2和采场4为二步骤采场，其回采是在充填矿柱保护下进行的，充填体的力学性能远不如矿岩体稳定，故进一步导致采场变形量的增大。

图3 采场变形特征曲线

3.2 采场应力分布规律

图4为采场开挖后采场的应力分布云图，反映采场回采和充填的应力变化规律。从图4可以看出，回采一步骤采场（采场1、采场3和采场5）时，采空区主要受压力作用，其最大压应力可达45 MPa左右，应力集中区域出现在采场边角带，其影响范围较小，故在此应力条件下采场整体稳定性较好。回采二步骤采场（采场2和采场3）时，采场的最大压应力出现不同程度的增大，如采场2的最大压应力为 50.24 MPa，采场 4的最大压应力为 45.67 MPa。二步骤采场顶底板均出现拉应力，虽仅为0.6 MPa左右，但围岩明显处于受拉状态，结合采场顶底板的变形特征，表明二步骤采场回采时，其采场存在潜在的稳定性问题。

图4 采场应力云图

3.3 跨度比对采场稳定性的影响

图5和图6为不同跨度比对采场稳定性的影响。从图中可以看出，跨度比对采场应力和采场变形的影响显著。跨度比为1时，一步骤采场最大主应力为9.43 MPa，最大位移为6.52 cm，二步骤采场最大主应力为15.13 MPa，最大位移为26.36 cm；跨度比为 1.3时，一步骤采场最大主应力为 8.42 MPa，最大位移为4.69 cm，二步骤采场最大主应力为15.15 MPa，最大位移为26.91 cm；跨度比为1.6时，一步骤采场最大主应力为9.43 MPa，最大位移为3.87 cm，二步骤采场最大主应力为15.4 MPa，最大位移为 27.2 cm。分析表明，一步骤采场的应力和变形随跨度比的增大而降低，且降低幅度较为明显，这对一步骤采场的稳定性是有利的，跨度比对二步骤采场的稳定性影响与之相反，呈上升趋势，间接增加二步骤采场的失稳风险，但采场应力和采场变形变化幅度不大，如应力增长率约为1.7%，位移增长率约为3.2%，故二步骤采场的稳定性整体上仍是安全可控的。

图5 跨度比对采场应力的影响

图6 跨度比对采场变形的影响

3.4 充填强度对采场稳定性的影响

图7和图8为不同跨度比对采场稳定性的影响。从图中可以看出，充填强度对采场应力和采场变形的影响较小。当充填强度为2 MPa时，一步骤采场最大主应力为9.39 MPa，最大位移为6.51 cm，二步骤采场最大主应力为18.08 MPa，最大位移为30.87 cm；当充填强度为3 MPa时，一步骤采场最大主应力为9.41 MPa，最大位移为6.49 cm，二步骤采场最大主应力为16.68 MPa，最大位移为29.46 cm；当充填强度为4 MPa时，一步骤采场最大主应力为9.43 MPa，最大位移为6.52 cm，二步骤采场最大主应力为15.4 MPa，最大位移为27.2 cm。分析表明，充填强度对一步骤采场稳定性的影响极小，对二步骤采场的影响显著，尤其是二步骤采场跨度比为1.6时，采场变形呈明显的下降趋势，表明充填体主要为二步骤采场的回采提供支撑保护作用，充填强度的提高有利于控制采场变形，提高采场稳定性。

图7 跨度比对采场应力的影响

图8 跨度比对采场变形的影响

4 结论

（1）通过FLAC3D数值模拟软件对分段空场嗣后充填采矿法进行模拟研究，结果显示，最大主应力和最大竖向位移均在矿岩稳定范围内，采场未发生破坏。

（2）矿体开采引起顶板沉降，底板底鼓，随着采场逐步推进，围岩变形也逐渐增加。其中采空区顶板变形较为明显，更容易失稳，采空区主要受压应力影响，应力主要集中在采场边角带，二步骤采场开挖时围岩局部受拉，影响采场整体稳定性。

（3）跨度比对一步骤采场和二步骤采场的影响趋势是不同的，其中一步骤采场的应力和变形随跨度比的增大而降低，其变化幅度较大，而二步骤采场随跨度比的增大而增大。

（4）相较于跨度比，充填强度对采场稳定性影响较小，主要影响二步骤采场，随着充填强度的提高，二步骤采场的稳定性也越好。