司家營鐵礦急傾斜厚大礦體大規模空場嗣后充填開采數值模擬*

翟會超 胡巍巍

(河北鋼鐵集團礦業公司)

司家營南區作為國內設計年產1 500萬t級的急傾斜厚大地下大水貧鐵礦，礦區總長10 km，地質總儲量約14.5億t，平均品位30.9%，礦體傾角55°，厚度150～300 m，礦體上部賦存100～120 m厚的第四系含水層，礦區內斷裂構造較發育，是影響礦坑充水的潛在危害，地表又有良田、村莊、河流，給地下鐵礦石安全開采提出更高的要求。采用空場嗣后充填法進行礦石資源回采，一二步礦房依次采用膠結材料和全尾砂材料進行嗣后充填。大規模地下開采活動勢必造成地壓規律變化，進而影響礦體圍巖、礦房礦柱以及充填體自穩性，對礦山安全開采構成了嚴重威脅[1-2]。為確保礦井安全開采，有必要對礦井大規模開采的穩定性和安全性進行研究。

1 UDEC模型構建與參數取值

針對司家營南區礦區斷裂構造的發育特點及巖體力學特征，本研究采用UDEC軟件對大規模開采影響范圍內的非連續介質進行模擬計算，分析地下資源開采擾動帶來的地壓變化，進而分析規模化開采對司家營南區礦體及圍巖穩定性的影響。通過對井下礦體進行大結構參數設計，將礦塊分為一、二步礦房間隔開采，采用膠結及全尾砂充填采空區，礦塊內礦房沿垂直礦體走向布置，礦房長度為50～52 m，寬度為20 m，階段高度為50 m，采用平行下向深孔爆破崩礦[3-5]。圖1為UDEC模型為平面二維模型[6-8]，設計模型X方向長度為0～1 200 m，Y方向長度為0～815 m，模型攻涉及了第四系松散巖、風化帶、礦體、圍巖等巖性和7組優勢結構弱面，其中，巖石材料物理力學參數和結構面力學參數分別見表1、表2，膠結充填材料和全尾砂充填材料的物理力學參數見表3。

圖1 節理模型

表1 巖石材料力學參數

表2 節理面力學參數

表3 井下充填體物理力學參數

2 數值計算結果

根據分步礦房空場嗣后充填以及膠結材料、全尾砂材料的充填體特點，重點分析開采活動引起的大范圍地應力重分布以及地壓變化引起的位移變化特征。

2.1 應力分析

利用UDEC軟件對非連續介質模型中的一步礦房進行開采模擬，分析因一步礦房回采引起的應力重分布，結果見圖2、圖3。

圖2 水平應力云圖

圖3 垂直應力云圖

分析圖2可知：由于一步礦房回采，使得礦體圍巖應力場乃至地表以下礦巖應力場發生了重新分布，形成了一個由二步礦房礦柱支撐的連跨礦房群拱形承載結構作用場，該拱結構存在3個應力集中區域，分別位于回采礦塊(礦體)上盤邊界、礦塊(礦體)下盤邊界、風化帶巖層，壓應力集中值達到6 MPa，受拱形承載機理影響，回采礦塊垂直上部的第四系地表區域均顯示出壓應力場的分布作用，未出現拉應力區，對于確保回采礦塊上覆巖層穩定性有利。由3個應力集中區位置分析可知，該拱結構即為不可逆三鉸拱結構，跨度(礦體水平厚度)L與拱失f近似相等，由于二步回采礦房礦柱的支撐作用使得回采一步礦房直接頂板未出現拉應力區，僅表現出弱壓應力，對直接頂板有利。

由圖3可知：最大垂值壓應力(20 MPa)作用于礦體上下盤邊界處，易于形成上下盤承壓結構破損，進而導致該不可逆三鉸拱結構發生破壞，影響頂板及圍巖穩定性，甚至引發冒落，上下盤邊界為危險部位。

在上述分析的基礎上，對一步礦房膠結充填、二步礦房開采，以及二步礦房回采后全尾砂充填的主應力分布情況進行了分析，結果見圖4、圖5。

圖4 二步礦房充填前主應力分布

分析圖4、圖5可知：一步礦房膠結充填后，對二步礦房礦柱進行回采后出現了礦塊及圍巖全范圍壓應力場區，上下盤處最大壓應力高達40～50 MPa，一步膠結充填體承受的最大壓應力為15 MPa，并在上覆頂板存在一顯著拱形支撐結構，拱失f近似等于礦塊的水平寬度L(開采礦體厚度)，表明一步膠結充填體正與頂板、上下盤圍巖自適性拱形支撐結構協同維穩，須對二步回采礦房及時進行全尾砂快速充填。

圖5 二步礦房充填后主應力分布

對比分析二步充填前的應力場特點可知，最大主壓應力在上下盤處有所降低(35～45 MPa，降幅為10%～12.5%)，最小主壓應力在上下盤處則有所增加(10～12 MPa)，對于巖石材料而言，由于二步礦房尾砂充填體的作用使地壓作用得到緩解。但在第四系和風化帶交接處衍生出1處高壓應力集中區，以及在風化帶內形成了長帶形主拉應力區。

2.2 位移分析

分析圖6可知：一步礦房回采后，采場頂板垂直上覆巖層移動最為嚴重，礦塊中心兩側各80 m，共160 m范圍內的地表沉降達到了0.2 m以上，最大值為0.28 m。應對該范圍內的地表建構筑物進行長期觀測，并設置地表導線測點。

圖6 地表沉降觀測

一步礦房膠結充填后，礦房頂板位移分布特征如圖7所示。該圖揭示了在膠結充填體支撐作用的下，由于大規模礦房群采活動帶來的地應力重分布，使得礦塊頂板出現了0.5～2.0 m的不均勻正態分布沉降。故需提前在礦塊礦房回采前對采場頂板進行支護處理，以防礦房鑿巖硐室、頂板遭受破壞，并確保采空區充填接頂質量。

根據井下開采引發的地壓分布特點和位移變化特征，針對礦體上下盤交接處的高應力集中區、采場頂板及地表沉降問題，應在礦體上下盤采用中空注漿錨桿聯合網噴技術進行支護，在加強承載能力的同時防止礦體與圍巖交接處突發涌水，運用中空注漿錨索聯合網噴技術進行礦塊頂板加固，并充分利用外部加固和礦巖及充填體協同維穩技術共同確保礦井安全開采。此外，還需對礦井開采影響范圍內的地表及地表附著物進行長期跟蹤監測。

圖7 垂直位移

3 結 論

(1)針對司家營大規模地下鐵礦開采，將優勢結構弱面轉化為二維平面產狀數據信息構建的UDEC離散元數值模型，對于研究群采礦房圍巖地壓分布規律及其穩定性可靠性較強。

(2)礦房群回采過程中，在采場頂板巖層中存在一顯著拱形承壓結構，其拱失近似等于回采水平的總跨度，表明充填體與礦房礦柱、采場頂板、上下盤圍巖實現了協同維穩。

(3)最終高應力集中在上下盤處，為40～50 MPa，一步膠結充填體承壓近15 MPa，且頂板沉降量達0.5～2.0 m，需在礦房回采前對頂板及上下盤交接處進行聯合支護，以避免礦體圍巖遭受破壞。

(4)二步礦房回采充填后，采場周圍地壓集中得到緩解，但在第四系、風化帶交接處及風化帶內部衍生出1處高壓應力集中區和長帶形主拉應力區，故應對地下水和斷層裂隙帶進行監測，防范突發涌水。

(5)針對該礦井下大規模開采，礦體上部地表與礦房頂板易發生不均勻沉降的問題，需對采場頂板和地表進行長期觀測。