傲牛鐵礦三采區充填體穩定性及間柱回采順序研究

胡世利 衣福強 周 樂 張世玉 邱景平

（1.撫順罕王傲牛礦業股份有限公司，遼寧撫順113001；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

傲牛鐵礦在回收礦柱時為保證生產安全，準備采用上向水平分層充填法進行回采；在回采礦柱之前，需要對礦柱鄰近的礦房空區進行充填，待充填體達到一定的強度要求時方可回收礦柱。通過前期全尾砂膠結充填的試驗，傲牛鐵礦充填擬采用普通硅酸鹽水泥作為膠結劑，骨料選取的是含泥少、透水性好的選礦廠全尾砂，充填體外形尺寸與礦房一致，長×高×寬為40 m×50 m×14 m，充填料采用的是灰砂比1∶20，料漿濃度76%。

充填體在充滿采場并形成一定強度之后，由于時間效應，充填體會繼續下沉，產生較大的垂直位移；與充填體緊密相近的圍巖較充填體具有高強度、高剛度，產生的垂直位移要小得多，正是由于這種產生垂直位移大小的差異性，致使圍巖會在一定程度上阻止充填體下沉，產生面與面的摩擦力，從而使充填體內垂直、水平應力比自重應力要低，這種現象稱為“成拱作用”［1-6］。由于同一生產中段有多個間柱，開采間柱之后，會降低圍巖對礦房充填體的“成拱作用”，充填體的受力條件發生改變，影響充填體的穩定性。不同的開采順序會造成礦房充填體受力條件多次變化，對穩定性的影響程度也不一樣。故研究充填體在間柱開采時受力的穩定性對優化間柱回采順序具有一定的指導意義。

1 礦房充填體穩定性分析［7-8］

如圖1所示建立礦房充填體受力模型圖，圖中充填體左側受到未開采間柱的側向壓力P，礦房膠結充填體上部受到上覆圍巖壓力Q作用，右側為暴露自由面，由于空區形成已久，間柱不會向充填體發生收斂位移，此時礦房充填體為主動壓力狀態，假設充填體與間柱僅存摩擦力（界面黏結力為0），側壓力P的大小與間柱高度成正比為

式中，γ為礦石的容重；x為充填體沿深度方向坐標值；φ為間柱與充填體之間的有效摩擦角，其值可近似取充填體的內摩擦角。

礦房充填體高度為50 m，間柱回采完畢，暴露高度即為50 m，此條件下采用南非公式對膠結充填體能否保持自穩做出判斷，即

式中，Fs為安全系數，一般取1.2；a為垂直方向加速度，取重力加速度與微震動引起的加速度的垂直分量之和；β為滑移角；ρ為充填體容重。

將充填體的相關力學參數代入式（2）得此條件下充填體極限自立高度56.12 m，故在該礦房充填體強度條件下能夠自穩。

對圖1的模型進行力學分析，假設應力函數分量σy=xf（y），可得應力函數：

代入相容方程?4φ=0，對任意區域內的x、y均成立，并結合充填體力學模型的應力邊界條件可得應力函數分量：

由圖2可以看出，礦房膠結充填體臨近間柱空區開采方向沒有水平應力，另一側與未開采間柱相鄰側則受到最大的水平應力為0.478 MPa，且隨著充填體暴露高度越高，水平應力越大；當沿著充填體底部時，在膠結充填體暴露側，剪切應力為0，在未開采間柱相鄰側，膠結充填體所受剪切應力趨向一定值，達到0.892 MPa，這是由于膠結尾砂充填體在變形的過程中與間柱接觸而產生摩擦阻力的原故；當沿著充填體高度時，越靠近充填體底部，在充填體內出現的剪切應力就越大，而且在充填體y方向上，越靠近間柱相鄰側，剪切應力就越大。前期的全尾砂膠結充填試驗展示充填體強度可達2.66 MPa，由此來看，間柱開采能保證礦房充填體的穩定性。

2 間柱開采順序模擬［9-10］

2.1 間柱整體開采順序方案

從礦柱整體回采順序來講，是先充填原有的礦房采空區，待充填體達到一定強度之后開采礦柱，直到完成所有中段的回采。礦柱整體回采順序可分為從下至上和從上至下2種回采順序，通過對2種不同回采順序進行數值模擬得出礦柱回采完畢并充填后的最大、最小主應力及豎直位移特征見圖3。

2.2 整體開采順序模擬結果分析

由主應力分布特征可知：從下至上開采時最大主應力最大值為101.07 MPa，最小主應力最大值為12.6 MPa，最大拉應力值為8.9 MPa，出現在了上部邊幫位置，但是由于圍巖的強度較大，不會對邊幫造成破壞；從上至下開采時最大主應力最大值為140.06 MPa，最小主應力最大值為16.95 MPa，最大拉應力為14.48 MPa，超出了圍巖的抗拉強度（13.1 MPa），邊幫容易產生拉伸破壞從而失穩。

從豎直位移分布特征來看，從下至上開采時最大豎直位移為0.22 m，且位于上部頂柱邊幫，這是由于充填順序的緣故，頂柱長期置于空區上方，受到垂直應力的作用發生了較大位移，但整個充填區域豎直位移不大，充填穩定性較好；從上至下開采時最大豎直位移為0.8 m，且位于整個采場的中間區域，這是由于上部空區先充填，下部空區在充填后由于強度較小，在受到上部較大載荷時產生較大位移，對充填體的整體穩定性影響較大。故一般來說，整體開采順序應選擇從下至上。

2.3 間柱中段順序開采方案

對于某個中段的間柱回采順序來說，以265 m中段為例，礦房空區充填之后與間柱的分布（俯視）如圖4所示。對回采順序提出2種方案，方案1：先開采①、③、⑤間柱，再回采②、④間柱；方案2順序開采①、②、③、④、⑤間柱。通過對2種不同間柱回采順序進行數值模擬得出間柱回采完畢并充填后的最大主應力及豎直位移分布特征如圖5所示。

2.4 中段順序模擬結果分析

方案1回收礦柱時，上部空區間柱出現較大拉應力集中，最大拉應力為3.21 MPa，而方案2出現最大拉應力值為3.79 MPa；由已經充填完成的礦房空區和回采間柱空區來看，方案1處于低應力的充填體區域比方案2大。對比2種方案豎直方向位移，方案1部分區域的頂板豎直位移比方案2要小，這是由于方案1后采的②、④間柱具有強度、剛度高，能夠承受較大的應力集中，對中段整體框架起到較好的保護作用。

根據圖6，布置在間柱②、③、④鄰近的充填體內的監測點5、6、7、8變化曲線可知：方案1中豎直位移變化較為平穩，變化較大發生在兩步驟開采間柱，且總體上豎直位移相對較小，而方案2隨著間柱的回收，對充填體多次擾動，豎直位移明顯增加，不利于充填體的穩定。綜上可知：方案1的間柱回收方式比方案2更加合理。

3 結論

（1）通過對礦房充填體建立力學模型，計算了充填體的極限自立高度為56.12 m；受到側壓產生的水平應力最大值為0.478 MPa，最大剪切應力為0.892 MPa，間柱的回采對礦房充填體的穩定性不會造成較大影響。

（2）通過礦柱整體開采順序模擬，對比分析其最大、最小主應力及豎直位移分布特征，可知礦柱整體開采順序選擇從下至上最優，能保證充填體的穩定性。

（3）對比265 m中段2種間柱回采方案的充填體最大主應力及豎直位移分布特征，結合布置在礦房充填體的位移監測點的位移曲線變化，可知方案1的間柱回收方式比方案2更加合理，即先開采①、③、⑤間柱，再回采②、④間柱。