超大采場充填體性能模擬分析研究

夏長念， 劉國棟， 范文錄(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

充填采礦法是指采用合適的材料把地下采礦形成的空間進行回填、防止采礦引起的巖層大幅度移動的采礦方法，在充分回收資源、保護礦區的生態和環境具有重要的作用，特別是對于深井開采和極復雜礦床的開采具有重要意義[1]。隨著我國對環境保護的逐步重視，許多大型金屬礦山，包括鐵礦均在設計階段采用了充填采礦法[2]，但是充填采礦法相對崩落法而言生產成本較高。當前國內大部分充填采礦法的主要充填材料是選礦之后的尾砂，因此為了能夠有效降低生產成本，主要措施就是盡可能加大采場尺寸，并在保證安全的情況下減少充填體中的膠結材料。但是，由于采場的結構參數主要受到礦巖條件的限制，不能無限加大，這種情況下就只能從降低充填成本方面考慮，如選擇最佳的充填料漿配比，既可滿足安全生產的需要，又不會出現充填體強度過剩。因此，對于采場中充填體本身性能和所能發揮的作用進行分析就顯得尤為重要。

2 充填體模型及參數選擇

2.1 模型的建立

依據某金屬礦設計選擇的采礦方法，在平面上將東西方向的條形礦柱劃分為40m×40m的正方形采場，中段高度為100m，其中50m設一個鑿巖分段，采用分段鑿巖爆破，底部集中出礦的方式回采。每個采場回采完畢后立即進行充填，待其具有一定強度后，再開始回采其周邊的礦體。根據回采順序，所有采場充填之后均需要二次揭露，因此充填體應滿足一定的強度要求。據此建立了充填體模型，長40m、寬40m、高100m，充填體模型如圖1所示。

圖1 充填體模型

2.2 充填體力學參數的確定

充填體的強度應根據充填體試塊進行室內抗壓試驗確定，一般通過單軸抗壓試驗來確定充填體的承載強度，受力圖如圖2所示。

圖2 試塊抗壓試驗受力圖

根據莫爾—庫侖定律，對充填體試塊進行單軸抗壓試驗時，充填體試塊內部任意一點的應力狀態可表示為

(1)

(2)

式中：σ——試塊內部某點的正應力；

σ1——豎向壓力；

σ3——側向圍壓；

α——破裂面與水平線夾角，α=45°+φ/2，φ為充填體試塊內摩擦角；

τ——試塊內部某點的切應力。

在進行充填體強度設計時，通常要考慮充填體單軸抗壓強度，因此圖2中圍壓σ3應為0 。當進行單軸抗壓試驗時，隨著σ1的不斷增大，當σ1達到充填體試塊強度σc時，充填體試塊發生破壞，此時的σ1則應為充填體試塊的抗壓強度σc。同理，根據莫爾—庫倫準則公式，當充填體試塊達到破壞臨界狀態時，充填體試塊的抗壓強度可通過式(1)和式(2)進行轉換得到式(3)

(3)

式中：c——充填體試塊黏聚力，MPa。

根據式(3)，設計充填體強度分別為1MPa、1.5MPa、2MPa及2.5MPa進行數值分析，不同強度充填體所對應的物理力學參數見表1。

表1 不同強度充填體力學參數

3 結果計算分析

采用FLAC3D有限差分程序對充填體模型進行穩定性計算，構造模擬圍巖的數值模型需定義巖體性質的數學模型，即本構模型。由于計算研究范圍涉及的巖體(灰巖、砂巖)、礦體、廢石膠結充填體均屬彈塑性材料，適應于莫爾—庫侖破壞準則，其力學模型為

(4)

式中：fs——屈服函數；

σ1——最大主應力；

σ3——最小主應力；

c——黏聚力；

φ——摩擦角。

基于以上條件，采用表1中的充填體力學參數，分別對強度為1MPa、1.5MPa、2MPa及2.5MPa充填體模型進行數值模擬分析。

1)1MPa充填體計算結果

圖3所示為1MPa充填體在一側暴露面下的穩定性計算結果，圖4所示為充填體在兩側均暴露下的穩定性計算結果。從圖3可以看出，此時充填體模型在自立狀態下會發生大范圍變形，塑性區已貫通兩側，且仍處于延展態勢。從圖4可以看出兩側暴露時，模型上下兩側塑性區均發生大范圍貫通，且仍在不斷擴大，充填體成對稱狀從兩側暴露面下垮塌變形。

圖3 一側暴露1MPa充填體模擬結果

圖4 兩側暴露1MPa充填體模擬結果

2)1.5MPa充填體計算結果

圖5所示為1.5MPa充填體在一側暴露面下的穩定性計算結果，圖6所示為1.5MPa充填體在兩側均暴露下的穩定性計算結果。從圖5可以看出，此時充填體模型在自立狀態下塑性區仍貫通兩側，模型發生局部變形破壞，塑性區仍處于延展態勢。從圖6可以看出，在兩側暴露面下，模型上下兩側塑性區仍發生較大范圍貫通，且仍在不斷擴大。

圖5 一側暴露1.5MPa充填體模擬結果

圖6 兩側暴露1.5MPa充填體模擬結果

3)2MPa充填體計算結果

圖7所示為2MPa充填體在一側暴露面下的穩定性計算結果，圖8所示為2MPa充填體在兩側均暴露下的穩定性計算結果。從圖7可以看出，此時充填體模型在自立狀態下塑性區貫通兩側，塑性區仍從暴露面一側下角沿斜線擴展并貫通充填體，但并沒產生最終塑性區域，且模型整體沒有發生太大的變形。從圖8可以看出，在兩側暴露面下，模型下部兩側塑性區仍相互貫通。

圖7 一側暴露2MPa充填體模擬結果

圖8 兩側暴露2MPa充填體模擬結果

4)2.5MPa充填體計算結果

在進行充填體強度設計時，充填體強度應該留有富余，以抵抗其他荷載的影響。雖然強度為2MPa充填體可以維持自穩，但由于歷史塑性區已貫通充填體兩側，充填體基本處于臨界破壞狀態，因此，對2.5MPa的充填體進行了數值模擬分析。圖9和圖10分別為2.5MPa充填體在一側暴露面下及兩側均暴露下的穩定性計算結果。從圖9可以看出，一側暴露面下，2.5MPa強度的充填體模型歷史塑性區只在暴露面一側右下角小部分區域產生，表明充填體穩定性很好。從圖10可以看出，在兩側暴露面下，2.5MPa充填體模型下部兩側歷史塑性區仍相互貫通，但塑性區域相較于2MPa充填體要小很多，而且并無最終塑性區產生。

圖9 一側暴露2.5MPa充填體模擬結果

圖10 兩側暴露2.5MPa充填體模擬結果

5)2.5MPa充填體上部加載計算結果

對2.5MPa強度的充填體上部進行加載，充填體一側暴露時，在上部分別加載0.5MPa及1MPa荷載后，充填體穩定性結果如圖11和圖12所示。從圖11中可看出，在0.5MPa荷載作用下，充填體產生小部分最終塑性區，但仍能維持自穩。在上部加載1MPa荷載時，如圖12所示，充填體發生大范圍的塑性變形，充填體將發生破壞。

圖11 上部加載0.5MPa荷載

圖12 上部加載1MPa荷載

4 結論

通過對充填體建立模型和穩定性分析可得出：

(1)在本次模擬條件下，當充填體的抗壓強度達到2MPa時，40m×40m×100m(長×寬×高)充填體基本能實現自立穩定。

(2)根據分析結果，將充填體從上到下分為3個部分，上部高度30m，中部高度40m，下部高度30m。通過分析可知，上部強度達到1.5MPa、中部強度達到2.5MPa時可以滿足中上部充填體的自立穩定性要求。

(3)通過對強度為2.5MPa的充填體在頂部受壓的情況下穩定性情況分析顯示，上部承受0.5MPa的壓力時，基本上可以保持穩定，當上部壓力增至1MPa時，充填體將會發生大范圍的塑性變形。

(4)結合上述模擬分析結果和國內外礦山實際生產中充填體強度可知，由于充填體強度較低，在周邊沒有約束的情況下，其承受上部壓力的能力有限，因此在極厚大礦體開采中，不能僅靠充填體支撐上部圍巖的變形壓力，必須從回采順序出發充分發揮上部礦巖的自身穩定性。

(5)通過本次分析可知，充填體不能用于承受上部圍巖的壓力，其主要作用應是充填空區，避免采場周邊巖體出現局部垮塌。