礦山采場回填的應力拱效應數值分析

馬小龍

（吉林省水文地質調查所，吉林長春130103）

礦山采場回填的應力拱效應數值分析

馬小龍*

（吉林省水文地質調查所，吉林長春130103）

為了深入研究采礦法回填時的應力分布特征，通過對礦山采場回填進行了數值模擬分析，充分研究礦山回填彈塑性應力分布，說明應力拱效應存在，研究了回填寬度改變對其分布的影響。

回填采場；數值模擬；拱效應

充填采礦法在礦山上應用已數十年，隨著回采工作面的推進，向采空區送入充填材料，以進行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動，并在形成的充填體上或在其保護下進行回采。本法適用于開采圍巖不穩固的高品位、稀缺、貴重礦石的礦體；地表不允許陷落，開采條件復雜，如水體、鐵路干線、主要建筑物下面的礦體和有自燃火災危險的礦體等；也是深部開采時控制地壓的有效措施。充填法的優點是適應性強、礦石回采率高、貧化率低、作業較安全、能利用工業廢料、保護地表等。

采場回填中，通常利用尾礦添加一定的粘合劑（水泥）作為回填材料，控制粘合劑添加量對保證回填穩定性和降低回填成本十分重要，其關鍵是準確獲得回填材料及圍巖的應力分布，進行合理的回填設計。因此回填的應力分析成為國內外學者研究的熱點問題。

采場回填設計的前提是準確獲取其應力分布特征，因此應力分布及其影響因素研究成為國內外學者研究的熱點，其中的關鍵是準確獲得回填材料及圍巖的應力分布。

國內外學者采用理論分析、實驗測試和數值模擬發現回填應力具有明顯的應力拱效應，其分布與排水及采場設計參數和回填材料參數密切相關。2005年Sivakugan等人和Rankine等人討論研究了地下礦山采場在充填方向的最新發展。拱效應通常出現在當部分摩擦性材料已經屈服而臨近的材料卻保持原樣時，隨著屈服性材料在穩定的未屈服區域擴展，而沿著接觸面的抗剪力和沿著接觸區域產生的剪應力抵抗在屈服性材料中相關的擴展，往往使屈服性材料不再擴展。這種因降低了屈服性材料中垂直正應力而產生的現象為拱效應。因此當全面進行回填工作時，研究拱效應是很重要的，可以比較準確的估計出回填過程中的垂直應力。

大量分析研究表明，由于應力拱的存在，采場回填材料中的垂直應力分布明顯小于按照自重計算的應力。因此在進行全面回填這種情況前，要先進行拱效應的研究。1930年，馬斯通分析模型估計了采場回填中的平均垂直應力分布公式，對于無粘性填料采場垂直和水平應力的計算方法如下：

式中：φ——回填料內摩擦角；

μ——巖體和回填料間的摩擦系數，μ=tanδ；

δ——壁面摩擦角，（介于1/3φ和1/2φ之間）；

Ka——主動土壓力系數。

總之，國內外圍繞采場回填開展了大量研究工作，國內的研究主要圍繞施工設計及初步分析，國外對采場回填應力分析開展了大量研究，較好地分析了采場回填的應力分布狀況，對排水效應的研究是近年的趨勢。

本文利用數值模擬的方法研究礦山回填采場內應力變化及影響因素分析，模擬出隨深度變化應力分布的應力拱效應。

1　礦山采場回填的彈塑性應力分布及參數影響

數值模擬模型的采場填土深度為45m，填土寬度為6m，自然壓力為q，左右分布各20m寬的巖體，頂部距地表10m，填土空間為0.5m。

表1給出了計算所用的有關巖石和回填體的物理力學參數。在模擬中，假定周圍巖體是均質的、各向同性、線彈性體，填土假定為摩爾庫倫材料。回填體密度、彈性模量、泊松比均低于巖體，且為無粘性土，內摩擦角為30°。

數值模擬時首先按照給出的幾何參數建立數值模型，給材料賦值之后，進行邊界條件設定。為了表征實際條件和原位上的自然應力，又考慮到模型簡化，在進行模擬時，需要考慮到采場上方巖體的自重。在自重作用下達到初始平衡之后，進行開挖操作。采用5次分層逐步回填，一次回填9m。計算結果如圖1所示。

圖1　采場回填的幾何模型

2　礦山采場回填的應力分布分析

礦山采場回填應力分布圖（圖2）中，可以看到采場內部和周圍巖體的垂直應力分布情況，并明顯看出回填采場內部存在著拱效應現象。圖3是回填體垂直應力的分析結果，從圖3可以看到，回填采場中距采場頂部1/4深度里，垂直應力與上覆壓力相差不大，而之后隨著深度的繼續增加垂直應力明顯小于上覆壓力（簡單表示為填土深度和單位重量的乘積），并在最后保持一定值。

表1　巖體和回填體的物理力學參數

圖2　采場回填應力拱分布圖

圖3　充填體內豎向應力分析結果

3　礦山采場回填的應力分布的參數影響

在進行拱效應研究之后，我們通過對不同參數的改變，獲取不同參數對回填采場豎向應力分布規律的影響。這里先介紹采場寬度及回填材料內摩擦角的影響。

設置4種不同的采場寬度B進行計算，依次取B 為6m、10m、15m、20m4種情況的采場中心處的豎向應力曲線，如圖4所示。

圖4　采場寬度對豎向應力的影響

從采場寬度B的變化對垂直應力的影響（圖4）可以看到，采場寬度對垂直應力的影響很明顯，B=20m回填采場的垂直應力曲線與上覆壓力最接近，相反B=6m的回填采場的垂直應力曲線與上覆壓力相差很大。也就是說，回填采場寬度越窄，回填體內部的拱應力現象越明顯，回填采場底部的垂直應力越小。

4　結論

通過垂直采場回填過程進行了彈塑性模擬分析，驗證了回填采場拱效應的存在。并給出了采場寬度對垂直應力拱效應的影響。即回填采場寬度越窄，回填體內部的拱應力現象越明顯，回填采場底部的垂直應力越小。由于實際采場回填中出現了多年后采場回填塌陷的現象，說明時間效應對回填應力也會產生較大影響。今后將進一步對粘彈性體的回填應力及時間效應的影響進行深入研究。

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TD164

A

1004-5716（2016）03-0100-03

2015-12-15

2015-12-21

馬小龍（1971-），男（漢族），遼寧昌圖人，工程師，現從事水文地質、工程地質、環境地質工作。