金属矿山充填体边界应力变形特征监测与分析

董斌斌，陈元利

（1.江西铜业集团建设有限公司井巷分公司，江西 九江 332204；2.万安县应急管理局，江西 万安 343800）

0 引言

在金属采矿工程中，充填采矿方法广泛应用于我国各地的许多金属矿山。这种方法具有减少空间、限制变形、承载载荷、实现采矿业可持续发展等诸多优点。充填是一种由多相的复合材料，由尾矿、水泥以及各种胶凝材料组成。充填的材料是粘合剂[1-2]。

而充填取代矿体并占用采矿空隙。围岩与充填体的接触相互作用影响了采矿工程的局部稳定性。张超[3]通过实验分析描述了混凝土或水泥灌浆与软、弱或风化岩石之间形成的接缝的剪切行为。在一些矿山中研究了单个填充采场中的应力状态。由于充填体向下沉降，岩石和充填体之间的刚度和强度差异往往会沿界面产生荷载传递。沿界面传递的载荷在矿山实验室和采矿作业中的一些实验中得到了证实[4]。以前对充填的研究集中在材料性能和机制等方面。狭窄充填和围岩的拱形效应不适合该区域矿山。因此，以某金属矿山为研究，从整体及局部稳定性分析了充填力学行为问题。且基于现场调查、监测数据和数值模拟研究了充填体边界应力变形特征。

1 研究区充填

1.1 研究区充填概况

某金属矿山第一个采矿层的标高是133 m，充填的顶部从133 m 开始，如图1 所示。一个水平采矿层被分为6 至8 个区域。每个采矿板的尺寸约为100 m宽，与矿体和充填材料的走向垂直，可有效填充采矿造成的空隙。采矿作业在每一板块的矿体被挖出后转移到下一层。在同一层的所有面板被填满后，形成一层充填。充填材料包含有尾矿和一些添加剂的水泥浆。充填的水泥与沙子的质量配比为1∶4，固化时间为28 d，泥浆质量浓度大于80.8%。该金属矿山经过30多年的开采，已经形成了较大的的充填体，其深度超过100 m。通过一系列的测试，得到了充填体的力学性能。充填材料的平均单轴抗压强度为5.09 MPa。充填材料的质量配比为14.6%，而周围岩石的平均拉伸强度为0.59 MPa。由于采矿作业的需要，测量工作分三次进行。充填区的三个部分分别位于133～1 250 m、125～110 m 和110～105 m。长度最大为160 m，宽度最大为250 m。

图1 金属矿山开采情况（单位：m）

2 充填应力分布和位移的地下现场监测

2.1 充填物的分层位移监测

充填材料稳定性的关键控制因素之一是控制矿山分层位移。在研究区域内，采矿在4 m 高的水平巷道中自上而下进行施工。一旦在通道巷道内完成开挖，在开挖下一个通道巷道之前，使用水泥浆填充空隙。为了保证产量，开采在两个分层同时进行。不同层面的充填在不同时间形成[4]。由于充填材料的体积收缩，发生了分层位移。在110 m 的分层中，用不同深度的充填材料位移计监测分层位移。

监测仪沿4 条勘探线分别布置在110 m 以下的层面。监测仪设置在勘探线-12、线-14、线-16 和线-17。分层位移监测工作以4 m 为一组，且分别延伸到以下4 个深度：20 m、25 m、30 m 和35 m，监测时间为3 个月，监测结果见图2。

图2 110 m 下层充填分层位移

分层位移监测结果表明，110 m 以下的充填材料出现收缩变形，且所有位移值都小于20 mm。位于探测线-12 的充填材料的分层位移在初始阶段出现。然而，随着开采的深入，这种位移趋于减少。位于勘探线-14 和线-16 的充填材料的分层位移的趋势是一致的。在初始阶段，上部位移（20 m 深）、中部位移（25 m和30 m 深）和下部位移（35 m 深）有相同的变化。2 个月后，分层在充填材料的上部出现了上部位移，而在充填材料的下部出现了向下的位移。同时可观察到位于17 号勘探线的充填材料的分离位移并不明显。且影响分层位移的因素之一是两个层面同时开采的影响。监测结果表明，勘探线14 中充填材料部分的分层位移大于其他部分，这一特征与地面运动一致。

2.2 110 m 分段充填的应力分布

图3 中的监测结果为110 m 下层充填材料的应力分布。对于大多数监测点，充填材料的水平应力同时大于垂直应力。这是由研究区域内的局部构造应力造成的。110 m 以下的充填材料从勘探线-7 到线-25延伸，充填材料在线-7 和线-25 为边界区域[5]。监测结果显示，7 号线充填区域的水平应力为117.62 MPa，垂直应力为62.77 MPa。对于25 号线的充填区域，垂直应力为64.52 MPa。对于充填的内部部分，8 号线、10号线、14 号线和16 号线的水平应力分别为6.95 MPa、6.74 MPa、29.79 MPa 和74.36 MPa。而8 号线、10 号线、12 号线、14 号线、16 号线和21 号线的垂直应力分别为25.21 MPa、11.89 MPa、25.61 MPa、1.16 MPa、13.99 MPa 和33.47 MPa。进一步表明充填材料内部水平和垂直应力都比边界区域小得多。而充填材料在金属矿山是一个被动的支撑。外部荷载作用于周围的岩石，然后通过岩石传递到充填材料。且内部充填的垂直应力远远小于充填的边界区域。应力值最小的点位于勘探线-14。这一部分的充填材料是的充填区域中心部分。

图3 水平应力和垂直应力曲线

充填材料的内部应力小于充填材料的边界区域的应力。位于勘探线14 号的充填材料是内部部分，其应力只有1.16 MPa。且与金属矿山地层运动相对应，沉降中心也位于勘探线-14，且几个主要裂缝集中在勘探线-14 的沉降中心附近。且可观察到，在监测期间，14 号线充填材料的分层位移增加。且由于地面沉降，位于勘探线-14 号的充填材料的内部释放了其积累的应力，进一步导致14 号勘探线的充填材料的应力比其他部分的充填材料低的多。

3 数值模拟

3.1 数值模型参数

数值模型中围岩体和充填材料的参数：围岩体的弹性模量为2×103MPa，充填材料的弹性模量为0.3×103MPa。周围岩体的法向和剪切刚度分别为2×109MPa 和0.5×108MPa。地质应力测量表明，水平构造应力比垂直应力大。因此，水平构造应力是主要因素。当开采深度增加时，水平和垂直应力都会增加。在该研究区，水平应力与垂直应力之比为1.2～2.0。根据研究区的实际情况，数值模型的水平载荷与垂直载荷之比设定为2。边界为台阶剖面，模型总体尺寸为16 m×16 m，单台阶高度为5.3 m。周围岩体中的颗粒直径为0.5 mm。充填部分混合了两种尺寸的颗粒，直径分别为0.6 mm 和0.8 mm，分别作为细骨料和粗骨料。

3.2 充填边界应力传递

垂直荷载被设置在模型的顶部，而水平荷载只作用于周围的岩石。水平荷载通过周围岩体的变形转移到充填区。这种加载模式可以使充填土材料作为金属矿山被动支撑。且设计外部载荷作用在模型上，并由周围的岩体和充填材料转移到内部。在数值模型中，沿着充填材料的边界设置监测点，以测量应力和位移。对于边界部分的每一个点（点1～点11）。根据充填材料边界部分的几何特征和水平应力与垂直应力的比率，监测点可以分为四种类型：第一种类型包括点2、点6 和点10；第二种类型包括点3 和点7；第三种类型包括点4 和点8；第四种类型包括点5、点9和点11。

图4 为围岩和充填边界点的水平应力发展趋势。在应力曲线的初始阶段，围岩的应力比充填材料边界区域的应力大。围岩的应力增长速度保持稳定，并呈现线性趋势。而充填边界的应力起初缓慢增加，然后迅速增加。这一趋势一直保持到充填边界的应力一度大于围岩，且裂缝开始延伸。

图4 应力和裂缝变化曲线

位移监测是在边界上的相邻岩石点和充填材料进行。在后峰值应力阶段后，周围岩石和充填材料的位移都急剧增加。随着裂缝的发展，模型的破坏越来越明显。在峰后阶段，围岩和充填材料的位移差异突然发生。在充填材料的边界区域出现了不协调的变形，进一步导致围岩发生裂缝和破坏。

围岩上部应力在初始阶段缓慢增大，后期应力增大速率较大。压力突然上升到峰值，然后崩溃。应力变化率几乎保持稳定。在初始阶段，充填的应力稳定增加。微裂纹的形成导致充填应力的不稳定变化，进而达到峰值。与围岩应力变化相比，应力突然上升到峰值的现象得到缓解。充填的应力分布与地下测量的结果一致。在相同深度下，围岩的应力值大于充填的应力。微裂纹萌生后，围岩体与充填应力比为1.3～2.0。该应力比随着深度的增加而增加。因此，开采深度的增加导致围岩应力与充填应力之间的差异较大。

由于充填体与围岩的相互作用，充填体边界部分的应力分布较为复杂。沿着边界的阶梯轮廓，设置应力监测点。边界区域应力值小于内部围岩应力值，大于内部充填应力值。一些边界应力发展的主要特征是多峰强度。这两个峰值应力值将应力曲线分为以下五个阶段：第一阶段为应力线性缓慢增加；第二阶段为应力加速生长；第三阶段为在第一个峰值应力阶段后，应力略有下降后增加；第四阶段为应力达到第二个峰值；第五阶段为第二高峰期后应力急剧下降。

4 结论

本文旨在研究充填应力分布和变形，并分析其稳定性。研究结论如下：

1）地面沉降与充填的中心勘探线相对应。这部分充填体具有最大的分层位移。

2）地下充填体场应力监测表明，充填体内部水平和竖向应力均小于充填边界部分，充填边界部分的应力分布较为复杂。

3）现场测量提供了充填边界的精确轮廓。充填边界具有阶梯轮廓。建立了充填部分台阶剖面边界部分的数值模型，进行应力传递分析。

4）沿充填边界进行了围岩体与充填的接触相互作用。边界点的应力监测表现出多峰应力特征。充填边界部分的多峰应力行为受开采深度的影响。