分級圍巖下充填滯后時間優化及數值分析

李志海，劉建博，閆 剛，王 靈，付佳杰，孫鳴陽

(1.招金礦業股份有限公司蠶莊金礦，山東 招遠 265414；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

地下礦山開采過程中，及時對采空區進行充填，能有效提高礦體回采過程的安全性，在礦體開挖后，確定合理充填滯后時間，可以顯著提高礦體開采效率。巖體的蠕變特性[1-2]是影響充填滯后時間確定的主要因素，自GRIGGS[3]對灰巖、砂巖和頁巖等巖石進行蠕變試驗以來，眾多學者針對巖石蠕變特性進行了廣泛研究，所采用的研究手段包括理論推導、室內試驗以及數值模擬，并取得了豐碩的研究成果。

在理論推導方面，曹樹剛等[4]參考西原正夫模型，結合彈性體與改進的黏滯模型，推導出能表征巖石三階段的改進西原正夫模型。王來貴等[5-7]以改進的西原正夫模型為基礎，利用巖石全過程應力-應變曲線與蠕變過程中參數的對應關系，建立參數非線性蠕變模型，更加準確地描述了巖石蠕變三階段變形。馬白虎[8]基于RLW-2000型微機伺服巖石三軸流變儀得到的泥巖流變實驗數據，對其蠕變曲線特征進行分析，并結合巖石的力學特性，定義了一種能反映巖石加速蠕變破壞特征的非線性函數。鮮學福等[9]提出采用五元黏彈塑流變模型來描述煤體的蠕變特征，并考慮瓦斯的作用，得到了含瓦斯的煤蠕變狀態方程，并以此預測出煤體蠕變失穩的時間。許龍星等[10]基于改進的西原正夫模型，給出了平面應力狀態下巷道煤巖體蠕變失穩時間，從而確定了煤體開挖后最佳支護時間。在室內試驗和數值模擬方面，胡波等[11]針對大安山煤礦+550 m水平西二石門圍巖蠕變變形嚴重問題，采用室內蠕變試驗與理論分析方法，研究了應力水平與蠕變速率之間的關系，確定了起始蠕變應力閾值。王青元等[12]在巖石蠕變試驗的基礎上，加入沖擊擾動因素，研究了開采擾動誘發巖石加速失穩破壞機理，從能量角度分析了蠕變巖石在沖擊擾動下的破壞規律。辛亞軍等[13]對紅砂巖樣進行高應力區峰后單軸壓縮蠕變試驗，研究了紅砂巖峰后瞬時應變、蠕變應變與應力水平的關系，紅砂巖峰前峰后蠕變關聯特性，并確定了紅砂巖蠕變破壞機制。張乃烊等[14]研究了軟巖注漿結石體的蠕變特性，分析不同荷載水平、不同含水條件對泥質頁巖注漿結石體蠕變特性影響。胡光輝等[15]基于三維顆粒流程序，從細觀角度探究了脆性巖石的蠕變失穩過程及失穩機理。

上述學者對巖體蠕變穩定研究大多側重于用理論推導來描述巖石蠕變變形過程以及從室內試驗的角度來描述蠕變破壞機理，而對充填采礦法中不同等級圍巖中采空區的合理充填時間的研究卻鮮有涉及。因此，本文在前人大量研究的基礎上，利用FLAC3D軟件針對蠶莊金礦不同質量等級圍巖在礦體開挖后的充填滯后時間進行數值模擬，合理確定充填滯后時間，為礦山安全高效開采提供理論依據。

1 礦區概況

蠶莊金礦地處焦家斷裂帶北段，大部分為第四系松散沉積物覆蓋，巖漿巖廣布，斷裂構造發育。礦區主要賦存礦體為1#礦體，且礦體較為集中，呈脈狀，賦存于破碎蝕變帶內的黃鐵絹英巖化碎裂巖及黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖中，并且夾有少量絹英巖化碎裂巖及糜棱巖等。

本次開采范圍是采礦權范圍內-860 m水平以上礦體，采礦方法為上向水平沿脈進路分層尾砂膠結充填法。由于圍巖質量等級差異大，因此，分別考慮在不同巖體參數條件下，采場開挖后立即充填采場、滯后一天充填采場、滯后兩天充填采場、滯后三天充填采場，計算在不同時間段下充填采場時采場的應力、變形情況。

2 蠕變分析

采場開挖后，巷道會產生大變形現象，蠕變分析(圖1)可有效揭示變形的機理及其影響因素[16]。以往的蠕變模型只能描述衰減蠕變過程，因此本文利用改進的西原正夫模型并根據前人對蠕變特性的研究[17-18]確定合理的充填時間。

圖1 改進的西原模型及其蠕變曲線Fig.1 Modified Nishihara model and its creep curves

圖1(a)中，E1為模型的彈性模量，GPa；E2為模型的黏彈性模量，GPa；η1、η2為模型的黏性系數。根據巖石全應力-應變曲線，E2隨時間的變化而變化。圖1(b)中σf為巖石的長期強度；σ0為模型所處蠕變應力，GPa。此次研究，僅考慮σ0>σf下，巖石可以發生全過程蠕變狀態。因此，在常應力(σ=σ0)作用下，模型的應變可表示為(1)式。

(1)

(2)

模型的應變加速度見式(3)。

(3)

采場開挖后，由于充填時間的不同，會導致圍巖的變形出現較大差異。結合公式和蠕變曲線，當圍巖處于初始蠕變階段，進行采場的充填，會取得較好的支護效果，能夠最大限度地控制圍巖的變形，對圍巖的穩定性能夠進行較好的控制；當圍巖處于加速蠕變階段，由于圍巖的變形較大，隨時會出現巖石的失穩，危險性較大，此時進行充填效果不太顯著。因此，需要研究采場在開挖之后其蠕變情況，以便準確確定充填時間，從而使采場穩定性得到控制。

3 礦體開采充填滯后時間模擬分析

3.1 數值模型構建

基于數值模擬技術，將處于不同質量等級巖體的礦體開挖后，對圍巖所受應力、變形進行分析，并借助改進的西原正夫模型，確定不同巖體質量等級下礦體開挖后合理充填滯后時間。應用FLAC3D軟件進行礦區采場模型建立，模型設計采場橫截面為5 m×4 m，設計采深800 m。整個模型尺寸為80 m×40 m×70 m，共253 257個節點、240 800個單元。根據現場情況，創建圍巖1、圍巖2、巷道三大組模型，模型如圖2所示。

根據礦體實際賦存條件，分別考慮在不同巖體參數條件下，采場開挖后立即充填采場、間隔一天充填采場、間隔兩天充填采場、間隔三天充填采場，計算在不同時間段下充填采場時采場的變形情況。監測點主要設置兩個，分別布置在采場的頂板和邊幫，分為1號和2號監測點，具體監測位置如圖2所示。

圖2 數值模型構建及監測點Fig.2 Construction of numerical model and monitoring points

3.2 巖石力學參數及初始地應力確定

根據蠶莊金礦現有地質資料，可知開采區域巖體等級主要為Ⅳ級，但其他區域相對圍巖質量等級有所不同。因此，針對不同質量等級巖體分別選取相應的力學參數，其主要力學參數按照巖石力學實驗結果選取，巖體主要力學參數如表1所示。

表1 巖體基本力學參數

結合現場實測數據得到應力隨深度的回歸方程，如式(4)所示。進行初始地應力場的施加，并設置重力加速度9.8 m/s2，生成初始應力場。

(4)

3.3 應力變化結果分析

圖3為不同等級巖體充填滯后時間應力變化規律圖。首先，Ⅲ級巖體，在不同充填滯后時間內邊幫受力均大于頂板受力，因此，在開采過程中應著重觀察邊幫變形情況，避免因邊幫受力過大產生片幫等事故，隨著充填滯后時間的增長，邊幫和頂板的受力均緩慢增大，由于巖石質量較好，其蠕變速率較小，礦體開挖后充填滯后時間相對于其他兩級質量巖體較長；Ⅳ級巖體，同Ⅲ級巖體應力變化規律相似，但其頂板受力大于邊幫受力，且蠕變速率大于Ⅲ級巖體蠕變速率，在此受力狀態下會較早進入穩定蠕變階段，因此Ⅳ級巖體的充填滯后時間超前于Ⅲ級巖體的充填滯后時間；Ⅴ級巖體，頂板受力大于邊幫受力，且其在采場開挖后，隨著充填滯后時間的增長，頂板和圍巖受力基本保持在固定值，在此受力狀態下，其巖體變形速率顯著大于Ⅲ級、Ⅳ級巖體。因此，對于Ⅴ級巖體而言，應該做到礦體回采后盡早充填采空區，最大限度確保采礦安全。同時，對于Ⅳ級、Ⅴ級巖體，在開采過程中，要注意頂板變形情況，避免產生冒頂等事故。

圖3 應力變化Fig.3 Stress changes

3.4 位移變化結果分析

圖4為采場開挖后頂板和兩幫位移隨時間變化規律圖，與不同等級巖體受力相對應，除Ⅲ級巖體兩幫位移值大于頂板位移值外，Ⅳ級、Ⅴ級巖體位移值均是頂板位移大于兩幫位移，且由于巖體質量等級不同，Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級巖體位移值相應增大。通過位移曲線可知，不同等級圍巖在采場開挖后立即進行充填均可有效抑制圍巖變形。在礦體開挖24 h內，不同等級巖體均處于初始蠕變狀態，但隨著巖石質量等級的變差，位移變化速率逐漸增大。在礦體開挖48 h內，Ⅲ級、Ⅳ級巖體依然處于初始蠕變狀態，而Ⅴ級巖體已經處于穩定蠕變狀態。因此，結合受力情況，對于Ⅴ級巖體充填滯后時間，應盡量控制在20 h內，最遲不應該超過30 h，這樣可有效抑制圍巖變形。在礦體開挖48 h至72 h，Ⅲ級處于初始蠕變狀態，其所受應力及位移變化速率逐漸減小，即將進入穩定蠕變狀態，Ⅳ級巖體進入穩定蠕變狀態，但由于巖體質量較差，其所受應力值還在逐漸增大，對于Ⅳ級巖體充填滯后時間應盡量控制在50 h內，最遲不應超過60 h。由于Ⅲ級巖體質量相對較好，其處于加速蠕變時間也較長，由圖4可知，其充填滯后時間盡量控制在72 h內，最遲不應超過80 h。

圖4 位移變化Fig.4 Displacement changes

4 現場實際監測

4.1 監測設備及方案

本次監測內容包括采場二次應力變化測量、巷道圍巖相對位移測量。其中，二次應力變化測量根據現場工程條件選用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計，由壓力傳感器和數字顯示儀(KSE-Ⅱ型鋼弦測力儀)組成的分離型鋼弦振動式測頻數字儀器，壓力傳感器的鉆孔壓力枕采用充油膨脹的特殊結構，其結構示意圖見圖5。

1—包裹體；2—壓力枕；3—安裝插頭；4—導壓管；5—壓力-頻率轉換器；6—注油嘴；7—電纜圖5 壓力傳感器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of pressure sensor

巷道圍巖相對位移量測量采用JSS30A型數顯收斂計(圖6)，收斂計的收斂點是在巷道兩側各固定一個測點，使用收斂計測量兩測點之間的距離，以得到巷道變形情況。

圖6 JSS30A型數顯收斂計Fig.6 JSS30A digital display convergence meter

應力變化監測點共設置4個，分別布置在東區-780 m水平采場聯絡道兩幫與-780 m西區采場盡頭兩端。測點基本情況如表2所示。

表2 應力測點監測設備數據

位移變化監測點與應力監測點基本一致，主要設置4個監測點，分別布置在應力監測點附近。測點基本情況如表3所示。現場設備安裝如圖7所示。

表3 位移測點監測設備數據

圖7 監測設備Fig.7 Monitoring equipment

4.2 監測結果分析

在礦體回采完后即進行設備安裝，并在前4天內，每天測一遍數據，第5天后每間隔3天測一遍數據。

通過數值模擬分析可知，不同等級圍巖下礦體回采完成后，邊幫受力值為Ⅲ級巖體>Ⅳ級巖體>Ⅴ級巖體，應力監測裝置均位于不同等級巖體采場附近，監測數據具有代表性，可為通過數值模擬確定的充填滯后時間提供依據。通過對前4天監測點測到的數據進行整理，分別得到不同等級圍巖應力、位移變化規律曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，1～4號監測點在4天內的應力、位移監測數據發展規律及其大小與數值模擬監測到的數據發展規律及其大小基本吻合，表明通過數值模擬確定的充填滯后時間較為合理，因此應及時按照針對不同等級圍巖所設計的充填滯后時間進行充填，確保采場的穩定性。

圖8 監測數據Fig.8 Monitoring data

5 結論

1)將充填滯后時間與蠕變曲線相結合，利用改進的西原正夫模型，確定蠕變各階段的蠕變變形量、蠕變速度、蠕變加速度，將采場充填滯后時間轉化為蠕變問題來分析，最終確定采場充填滯后時間應在巖體初始蠕變階段，在此階段進行采空區充填可有效抑制圍巖變形，保證礦體回采安全。

2)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級巖體在采場開挖后不同時間段進行充填，模擬了開挖后立即充填采場、開挖后滯后一天充填采場、開挖后滯后兩天充填采場、開挖后滯后三天充填采場，其變形隨時間的變化規律。由模擬結果可知即采即充能使采場的變形達到最小，有效控制采場的變形。

3)結合蠕變理論分析，分別確定不同等級圍巖合理的充填滯后時間，Ⅲ級圍巖充填滯后時間不應超過80 h，Ⅳ級圍巖充填滯后時間不應超過60 h，Ⅴ級圍巖充填滯后時間不應超過30 h。

4)通過對現場監測數據進行整理分析，表明數值模擬所確定充填滯后時間具有其合理性，可被同類礦山確保礦體安全回采所借鑒。