不同充填方案對甲瑪銅多金屬礦采空區圍巖影響的模擬分析

陳金剛 趙李想 郭 偉

（1.中國黃金集團西藏華泰龍礦業開發有限公司；2.東北師范大學教育學部；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

膏體充填是現今應用廣泛的一種地下采空區處理方式，對控制采壓、提高回采率、防止地表沉陷等有顯著效果［1］，但膏體充填存在充填成本高的問題。膏體充填體強度的獲得主要依賴于水泥的水化反應，而水泥成本占充填成本的60%～80%［2］。因此，控制充填成本主要從尋求水泥替代品和減少水泥用量2個方面著手。水泥替代品主要包括高爐礦渣、粉煤灰等經過活化后，部分或全部代替水泥熟料［3-4］；減少水泥用量則可以通過現場測量、現場實驗的方法尋找處最合適的充填方案，避免充填體性能的浪費。本項目主要從第二種方法著手，通過數值模擬的方法，驗證配合使用高灰砂比（1∶4）和低灰砂比（1∶6）的2種料漿對采空區進行充填，驗證是否能滿足充填指標，從而達到減少水泥用量，節約充填成本的目的。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦隸屬拉薩市墨竹工卡縣甲瑪鄉和扎西崗鄉管轄［5-6］。礦山平均海高度約為4 500 m，地質構造錯綜復雜。本項目選擇的3-2-20采場標高為4 422～4 447 m，上覆巖層平均標高約為5 000 m，角巖、矽卡巖在礦區內礦體頂板圍巖處大量分布，板巖較少分布于圍巖內。矽卡巖化結晶灰巖、大理巖在礦體底板圍巖內大量分布［7］，各巖組RQD值見表1。

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2 數值模型及模擬方案

COMSOL Multiphysics是根據有限元分析法而開發的一款軟件，是先進、功能強大的數值模擬工具，已被世界各地的學者廣泛應用于工程和科學問題中。在該軟件中通過構建幾何模型、設置邊界條件、輸入材料參數并計算，即可得到可視化結果。

2.1 模型建立

在數值模擬軟件中，主要模擬三維情況下的應力分布和采空區上覆巖層位移。選擇礦體走向為X方向，垂直礦體走向為Y方向，豎直向上為Z方向，按照1∶1的比例尺，建立計算模型。模型實際尺寸約為150 m×120 m×610 m（長×寬×高）。經計算，開采前模型最大初始應力為12 MPa。

2.2 模擬方案的確定

分析不同充填方案對采空區圍巖應力分布和上覆巖層位移的影響，驗證同使用高灰砂比（1∶4）和低灰砂比（1∶6）的2種料漿對采空區進行充填的可行性，采用如下方案進行數值模擬。

（1）不對采空區進行充填處理。

（2）對采空區使用高灰砂比（1∶4）料漿進行充填處理。

（3）對采空區使用低灰砂比（1∶6）料漿進行充填處理。

（4）在對底部10 m采空區使用高灰砂比（1∶4）料漿進行充填處理，剩余15 m的采空區使用低灰砂比（1∶6）料漿進行充填處理。

分別計算出以上4種情況的采空區圍巖的應力、位移分布結果，然后通過對比以上4種采空區處理方案結果得出結論。為了更直觀地觀測圍巖的應力和位移分布，設置了豎坐標Z=26 m的水平截面，如圖1所示。

3 三維模擬結果及分析

3.1 采空區和充填體的圍巖應力分布

圖2為不同方案下采空區和充填體的總體圍巖應力分布云圖。可以明顯看出，最大應力由12 MPa變成了206 MPa，這主要是由于沒有對采空區進行充填處理，導致在采空區邊緣以及采空區一定范圍內的圍巖出現了應力集中現象。而遠離采空區的圍巖應力分布則與礦體未開挖時的應力分布變化不大，這主要是由于礦體開采后，會以采空區為中心，在一定范圍內會形成一個應力增高區，在這個區域內會出現高于原巖應力的圍巖應力分布，超出這個區域后，則會慢慢恢復到原巖應力。

分別對比圖2（a）和圖2（b）、圖2（c）和圖2（d），可以看出，無論是以高灰砂比料漿充填采空區，還是以低灰砂比料漿充填采空區，或者是配合使用高、低灰砂比料漿充填采空區，都能夠有效地減弱采空區附近圍巖的應力集中現象，3種充填方案分別將最大應力由未充填時的206 MPa降低到了15.6，18.6，16.9 MPa。通過對以上3種充填方案的應力分布云圖和最大應力的對比，可以看出，配合使用高、低灰砂比的料漿充填采空區的方案應力在減小，采空區附近圍巖應力集中和控制采場地壓方面優于單獨使用低灰砂比充填采空區的方案，而在經濟上優于單獨使用高灰砂比的方案。

圖3為不同充填方案下X=8 m截面應力分布情況，可以更為直觀地看出，不論采空區充填與否，在采空區周邊一定范圍內都會出現應力集中，且水平應力大于垂直應力，而超出X=8 m這一范圍后，巖層的應力分布則與未開挖之前的原巖應力相差不大。對比圖3（a）和圖3（b）可以發現，不論是在豎直方向上還是在水平方向上，對采空區進行充填后，充填體承受了來自圍巖的部分應力，為采空區圍巖提供了支撐力，這也很好地解釋了為什么充填采空區能夠有效控制巖層移動和減小應力集中。

3.2 采空區和充填體的圍巖位移分布

圖4為采空區不充填和以不同灰砂比料漿對采空區進行充填時，采空區上覆巖層的位移分布。同一標高內，上覆巖層的位移大致以同一位置為中心，呈波紋狀向四周擴散，而這一中心大致位于采空區正上方，且中心位置的位移最大；遠離中心位移越小。距離采空區頂部最近的Z=26 m截面發生位移最大，隨著距離采空區越遠，位移逐漸減小。對比圖4（a）和圖4（b）可以看出，對采空區進行充填處理在控制上覆巖層下沉量方面效果顯著，對采空區不作充填處理時，上覆巖層發生的最大位移接近20 cm；而進行充填處理后，上覆巖層的位移降低到了10 cm以內。對比圖4（c）和4（d），能夠得到與圖4類似的結論，不同之處在于因為料漿灰砂比和組合的不同，上覆巖層發生位移的大小數值不同。

圖5為不同采空區處理方式下的上覆巖層最大下沉量。通過對比4種采空區處理方式的上覆巖層最大下沉量，再結合圖4的應力分布云圖，可以看出，使用高灰砂比料漿（1∶4）充填采空區在控制上覆巖層位移方面要優于低灰砂比料漿（1∶6），而配合使用2種灰砂比料漿則介于兩者之間，且該方案在經濟上優于單獨使用高灰砂比的方案。而在距離采空區底板高度為26～50 m（采空區頂板為25 m）時，頂板的最大下沉量的下降速率明顯高于距離采空區底板高度為50～100 m的下降速率。這主要是由于礦體開挖后，會在采空區附近產生應力集中，且采空區無法對其附近圍巖形成支撐，因此以采空區為中心，一定范圍內的巖體將發生較大的變形，從而達到新的應力平衡狀態。

4 結論

（1）對采空區進行充填處理，能夠顯著地減少上覆巖層的下沉量，對于地下采空區范圍較大的礦山而言，應當及時對采空區進行充填，避免由于長時間不對采空區進行充填而導致地表沉陷量太大，從而引發地表塌陷。

（2）充填采空區對改善采空區附近圍巖的應力分布情況有明顯的效果，對控制采場地壓、提高人員作業安全性有所幫助。

（3）充填料漿的灰砂比是影響充填效果的重要因素之一，也是影響充填成本的一項重要因素。高灰砂比能夠提高充填體性能，保證充填效果，但經濟成本高，不具備普適性和經濟性。本研究通過對比，從控制上覆巖層位移量、控制采空區四周位移量和減小應力集中、控制采場地壓等方面初步驗證了配合使用高、低灰砂比料漿對采空區進行充填的可行性，下一步可以對高、低灰砂比料漿的使用比例進行探究，以充分利用充填體的全部性能，提高膏體充填的經濟性。