不同圍巖條件下充填采礦方法優化分析

郭東東

（中國黃金集團陜西太白黃金礦業有限責任公司，陜西 寶雞 721067）

隨著礦產資源開發數量的提升，淺埋礦產開發量已經接近頂峰，想要滿足資源的需求，一定要開發更深層礦產資源，為此礦產資源開發難度就會大大增加。地下的深埋礦產資源開發的過程中，圍巖穩定性的控制非常重要，尤其是最近幾年，我國礦產開發過程中事故的頻發，急需找出更加合適的礦產開發填充采礦方法，為此必須研究不同圍巖條件之下充填采礦方法。

1 圍巖壓力計算

1.1 洞室圍巖的壓力理論值計算

在普氏理論中，開始挖掘的時候，頂部的巖體將會不在穩定，可能出現坍塌，構成自然拱，巖石自重的破壞，也就形成了隧洞支護圍巖壓力。

以普氏理論為基礎，拱假定壓力的拱形可看成二次拋物線，拱的高度是h1，可用該計算公式確定出壓力拱高h1：

根據此理論，研究人員建立了1064個隧道樣品的塌方數據庫，以數理統計原理進行計算他，統計出塌方高度概率的參數，并使用K-S的檢驗方法就分布概型的優度進行了擬合的檢驗，最終得到深埋隧道圍巖壓力的計算公式：

q=γh；

h=0.45×2s-1ω ；

公式中q是垂直均分布壓力，單位是kN/m2；γ是圍巖的重度，單位是kN/m3；S是圍巖級別；是寬度影響系數，ω=1+i（B-5），其中i是B每增減1m的時候，圍巖壓力增減率，將B=5m時圍巖垂直壓力為準，如果B＜5m的時候，i可為0.2；如果B＞5m的時候，i可為0.1；水平均分壓力可依照表1進行計算。

表1 圍巖水平的均布壓力

1.2 模擬驗證洞室圍巖壓力的數值

設定填充體的抗壓強度時4.0Mpa、3.5Mpa、3.0Mpa，以此三種方案下圍巖洞室壓力做比較分析。以平面應變模型，其四周的邊界會超出開采區域的5倍，把上部的埋深折算成荷載并施加，并在頂部以1.16Mpa的荷載，而在底部進行固定。得出模擬結果的比較數據，見表2。

表2 圍巖應力的解析解同模擬結果的比較

從表中可以得，模擬的結果同解析解得圍巖應力的差值并不是很大，模擬垂直應力的結果同理論計算值差值分別為4.14%、6.06%、4.53%，同經驗公式計算值差異分別是3.94%、6.11%、2.21%。還有就是水平應力的模擬結果，其理論公式計算的差異分別是5.59%、6.47%、1.02%，同經驗公式計算值差異分別是2.81%、6.11%、2.21%。每一個差值都不是很大，可見模擬結果具有一定準確性，為此可以繼續采用這種模擬的方式。

1.3 模擬驗證六邊形洞室壓力數值

為對數值模擬是否準確進行驗證，以有限元分析軟件模擬出圍巖洞室應力值，填充體的抗壓強度分別是2.0Mpa、1.5Mpa、1.0Mpa的三種方案。以平面應變模型開始，四周的邊界超出開采區的5倍。邊界的條件：頂部施加0.71Mpa荷載、上部的深埋折算成荷載施加，兩邊根據側壓力的系數去設置邊界條件，并進行底端的固定。這種模擬能夠反應出六邊形的巷道的周圍應力分布情況，而出現誤差的影響因素，可能是在模擬過程中運用了平面應變假設。

2 構建模型并優化填充方案

2.1 設計初始的模型

設計出六邊形的礦房的鐵礦初始模型，因為模型的尺寸不是很小，需要將其中局部開采物進行放大，以實際工程中開采尺寸為基礎，設定模型的X向是380m，而Y向需要取單位的長度，Z則是300m，礦房的尺寸中腰寬是6m，底邊寬是3m，高度是5.2m。確定出模型邊界的條件：針對其兩側X方向進行約束，閱讀底端的固定，模型的頂部以上部的巖體自身重量等，加上0.7Mpa的荷載，采用填充方法的抗壓強度是2.0Mpa的材料，挖掘的順序為隔一采一，自上而下。

2.2 優化設計多因素的采礦方案

以初始模型為基礎，對其不斷進行優化，對鐵礦圍巖的穩定性進行多角度的探究，設定出影響因素包括二次填充體的強度、充填體強度、一次充填的高度，然后研究這些因素對于圍巖穩定程度的影響，詳細方案如圖1。

圖1 模擬方案的設計

2.3 圍巖應力的監測

為更好地探究出圍巖應力與開采進度之間的規律，需要設定不同的位置的應力監測點，在圍巖的頂板位置，設置了五個監測點，而其上部的監測點在圍巖的頂板部分，均勻地分布，并在圍巖的兩側設三個監測點，這樣就能監測出，開采深度的增加與圍巖兩側的應力變化的趨勢。

3 研究六邊形采礦方法開采體況的圍巖穩定性

3.1 充填高度產生的影響

因為在第一步的時候，并沒有進行充填，充填高度的三種方案中，圍巖塑性區域面積是一致的，但是開采逐漸深入，塑性面積也就出現了差異，單純看塑性區域面積及其占比去看，三個方案的填充高度，都能確保圍巖的穩定性，但是經過對比可知，當一次填充高度是2.6m的時候，影響到圍巖塑性區面積最為小，也就能維護圍巖塑性區域，減少其面積生成。

分析三種方案的安全系數，三種方案下，第一步的圍巖安全系數都是2.51，在開采之前的3步驟，因為原始巖層可用填充體進行取代，這時初始層搭配填充體材料進行過渡的階段，進而圍巖的沉降會突然增加，這時安全系數呈現明顯的下降趨勢；之后開采區域的上部全都是填充材料，因此安全系數則不沒有突然的變化。并且隨著開采的深度增加，安全系數逐漸變得緩和，也有降低的趨勢。三種方案的安全系數分別是1.39和1.55以及1.46，這都可以確保圍巖的穩定性，但是一次填充的高度是2.6m的時候，圍巖穩定性最好。

3.2 充填體強度產生的影響

針對填充體的強度，設計出三種不同強度的填充方案，這三個方案的圍巖安全系數有著相似的變化規律，均是開采前的5步時安全系數的降低比較明顯，之后著慢慢地變緩。當第一步開采完成時，礦房并沒有填充，所以第一步的安全系數都是2.51，之后步驟則在圍巖上部的充填體逐漸增多，這時填充體的強度則會對于圍巖安全性產生的影響更大，也就出現了差異，最終安全系數分別是1.32和1.55以及1.68，也就能看出，充填體的強度越來對于高，圍巖的安全系數也會跟著增加。

3.3 二次充填體強度產生的影響

二次填充體的強度不同，設計出三種不同填充方案，此三種方案的安全系數的規律表現為，開采之前的五步呈現降低明顯的趨勢，開采深入，逐漸變緩，深度逐漸提升，安全系數也有下降的變化。開采第一步的三種方案安全系數都是2.51，在圍巖開采結束之后，安全系數則是0.84和1.18以及1.32，而當二次填充體的強度時0.5MPa的時候，其安全系數沒有超過1，這時不能很好的確保圍巖施工過程中的穩定狀態。為此，分析圍巖穩定性受到二次填充體的強度進行分析，評判標準則是安全系數，當二次填充體的強度時1.0MPa、0.7MPa的時候，可以滿足施工的標準，如果強度時0.5MPa的時候，其安全系數沒有超過1，穩定性就不能保證。

3.4 確定最合適的開采方案

經過對各種影響因素對于安全系數的影響，為某個鐵礦的開采工作確定出最佳開采方案，2.6m的一次充填高度；填充材料的強度是1.0MPa，作為一次填充體的材料，填充材料的強度是0.7MPa，作為二次填充體的材料，開采順序則是隔一采一的方式，這就能更好地保證鐵礦的開采過程中圍巖的穩定性。

4 結語

綜上所述，在礦產資源的開采中，針對不同圍巖，需要采用不同填充開采方案，從充填高度、充填體強度、二次充填體強度、開采順序，進而找出最佳的開采方案，這對于未來礦產資源的開發有著積極的作用。