基于跨度比和充填體強度的采場穩定性分析*

馬志平，劉福春，劉恩彥

(1.四川能投鋰業有限公司， 四川 成都 610023；2.長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

充填采礦法在采場穩定性和礦石回收率方面有著獨到的優勢，在地下金屬礦山的應用十分廣泛[1-3]。應用充填采礦法時，尤其是兩步驟充填采礦，學者們的研究重點在于保障礦體回采過程中的安全穩定性?，F階段采礦工作者分析采場穩定性的主流方法有理論模型、工程類別、相似模擬以及仿真模擬等[4]。郭進平、李江、夏長念等[5-7]結合Mathews圖法和數值模擬分析采場跨度與間柱的組合回采方案，優化采場結構參數。羊羽翔、阮喜清、張云韋等[8-10]分析采場沉降位移對采場結構參數的影響。姚囝、李小雙、王東旭等[11-13]建立相似模擬試驗，分析回采過程中圍巖的變形破壞模型，研究其受力變形規律，揭示充填礦柱承載機理，并采用數值模擬方法進行結果驗證。上述研究基本從穩定性的角度分析不同采場結構尺寸、不同開挖深度以及爆破擾動對采場穩定性的影響，進一步揭示采場開挖過程中應力應變的演變規律。李炎峰、安東亮等[14-15]將數學方法和數值模擬相結合，以數值模擬結果為主要指標，通過模糊數學和層次分析法賦予權重，建立采場結構參數優化體系，優選出最佳回采方案。上述文獻中均以采場穩定性為主體目標，研究不同采場結構參數對采場應力和變形的影響，實現采場結構參數優化。

本文在保障采場安全的前提下，結合礦山企業控制采礦成本的需求，基于不同跨度比（二步驟和一步驟采場跨度的比值）和充填體強度提出9種回采方案，并開展FLAC3D數值模擬分析，確定最優的采場參數。

1 工程概況

四川某礦礦體賦存于花崗偉晶巖脈中，礦石主要為鋰輝石，巖脈系較硬工程地質巖組，巖石質量好，巖體較完整，穩固性好。頂底板系三疊系上統侏倭組（T3zh）堅硬工程地質巖組，巖體主要呈塊狀結構，巖組的RQD平均值為80.56%，巖石質量好，巖體較完整，穩固性好。主礦體走向長約2000 m，礦體厚度為30～50 m，傾角61°，開采標高為+4074～+3150 m，主要的采礦方法為分段空場嗣后充填采礦法，兩步驟回采，采場垂直走向布置，長度等于礦體厚度，高度為中段高度50 m，寬度20 m，每5個采場劃分為1個盤區，并設立15 m寬的盤區礦柱。

2 數值模擬計算

2.1 數值模型

根據礦體的地質條件和采礦方法建立數值仿真模型，建立三維數值計算概念模型，計算模型如圖1所示。模型整體長500 m，寬300 m，高180 m，礦體水平厚度為50 m，傾角61°。完成后的網格模型共有450 000個單元和467 321個節點。

圖1 計算模型

根據礦山水文地質資料及礦巖力學試驗結果，選定的材料力學參數見表1。

表1 材料力學參數

2.2 原巖應力場

根據礦區現有的地應力數據，得到原巖應力的分布情況如下：

式中，σh,max為最大主應力，MPa；σh,min為最小主應力，MPa；σv為垂直主應力，MPa；h為測點埋深，m。

2.3 優化方案

礦山現行采礦工藝為分段空場嗣后充填法，盤區內共5個采場，劃分為一步驟采場和二步驟采場，采場跨度均為20 m，首先開采一步驟采場，采用膠結充填，其強度達4 MPa，待一步驟采場回采充填完畢，再開采二步驟采場，采用非膠結充填。該工藝雖能實現安全高效開采，但充填成本較高，主要是因為一步驟采場跨度大和充填強度高。因此，本文在保障安全生產的前提下，從節約充填成本的角度，同時確?，F有開拓系統不進行大調整，重新調整采場布置參數和充填體強度，并設計9種優化方案，并依據礦體回采時序，即采場 1→采場 3→采場5→采場2→采場4，開展仿真模擬研究。開挖步驟如圖2所示，具體采場優化方案見表2。

圖2 開挖步驟

表2 優化方案

3 模擬結果分析

3.1 采場變形特征

采場的垂直位移是判斷采場穩定性的重要依據，采場逐步回采過程中頂底板的豎向位移變化如圖3所示。從圖3可以看出，采場開挖后，采空區頂板出現沉降，底板出現底鼓，其頂底板的變形是持續增加且不可逆的。采場1和采場5的頂板最終變形量約為0.2 m，采場2、采場3和采場4的頂板最終變形量約為0.25 m，采場1和采場5的底鼓變形量約為0.04 m，其余采場的底鼓變形量約為0.08 m，這主要是因為采場1和采場5側幫均有盤區礦柱，起到了較好的支撐作用，而中間3個采場的頂底板一直受相鄰采場回采的擾動影響，故其采場變形量較大。相較于底板位移，采空區頂板明顯變形較大，屬采場潛在失穩區域。同時可發現，采場 2和采場4的位移增量遠大于另外3個采場，如采場4的頂板增量達0.159 m，而采場1的頂板增量僅為0.047 m，主要是因為采場2和采場4為二步驟采場，其回采是在充填礦柱保護下進行的，充填體的力學性能遠不如礦巖體穩定，故進一步導致采場變形量的增大。

圖3 采場變形特征曲線

3.2 采場應力分布規律

圖4為采場開挖后采場的應力分布云圖，反映采場回采和充填的應力變化規律。從圖4可以看出，回采一步驟采場（采場1、采場3和采場5）時，采空區主要受壓力作用，其最大壓應力可達45 MPa左右，應力集中區域出現在采場邊角帶，其影響范圍較小，故在此應力條件下采場整體穩定性較好。回采二步驟采場（采場2和采場3）時，采場的最大壓應力出現不同程度的增大，如采場2的最大壓應力為 50.24 MPa，采場 4的最大壓應力為 45.67 MPa。二步驟采場頂底板均出現拉應力，雖僅為0.6 MPa左右，但圍巖明顯處于受拉狀態，結合采場頂底板的變形特征，表明二步驟采場回采時，其采場存在潛在的穩定性問題。

圖4 采場應力云圖

3.3 跨度比對采場穩定性的影響

圖5和圖6為不同跨度比對采場穩定性的影響。從圖中可以看出，跨度比對采場應力和采場變形的影響顯著?？缍缺葹?時，一步驟采場最大主應力為9.43 MPa，最大位移為6.52 cm，二步驟采場最大主應力為15.13 MPa，最大位移為26.36 cm；跨度比為 1.3時，一步驟采場最大主應力為 8.42 MPa，最大位移為4.69 cm，二步驟采場最大主應力為15.15 MPa，最大位移為26.91 cm；跨度比為1.6時，一步驟采場最大主應力為9.43 MPa，最大位移為3.87 cm，二步驟采場最大主應力為15.4 MPa，最大位移為 27.2 cm。分析表明，一步驟采場的應力和變形隨跨度比的增大而降低，且降低幅度較為明顯，這對一步驟采場的穩定性是有利的，跨度比對二步驟采場的穩定性影響與之相反，呈上升趨勢，間接增加二步驟采場的失穩風險，但采場應力和采場變形變化幅度不大，如應力增長率約為1.7%，位移增長率約為3.2%，故二步驟采場的穩定性整體上仍是安全可控的。

圖5 跨度比對采場應力的影響

圖6 跨度比對采場變形的影響

3.4 充填強度對采場穩定性的影響

圖7和圖8為不同跨度比對采場穩定性的影響。從圖中可以看出，充填強度對采場應力和采場變形的影響較小。當充填強度為2 MPa時，一步驟采場最大主應力為9.39 MPa，最大位移為6.51 cm，二步驟采場最大主應力為18.08 MPa，最大位移為30.87 cm；當充填強度為3 MPa時，一步驟采場最大主應力為9.41 MPa，最大位移為6.49 cm，二步驟采場最大主應力為16.68 MPa，最大位移為29.46 cm；當充填強度為4 MPa時，一步驟采場最大主應力為9.43 MPa，最大位移為6.52 cm，二步驟采場最大主應力為15.4 MPa，最大位移為27.2 cm。分析表明，充填強度對一步驟采場穩定性的影響極小，對二步驟采場的影響顯著，尤其是二步驟采場跨度比為1.6時，采場變形呈明顯的下降趨勢，表明充填體主要為二步驟采場的回采提供支撐保護作用，充填強度的提高有利于控制采場變形，提高采場穩定性。

圖7 跨度比對采場應力的影響

圖8 跨度比對采場變形的影響

4 結論

（1）通過FLAC3D數值模擬軟件對分段空場嗣后充填采礦法進行模擬研究，結果顯示，最大主應力和最大豎向位移均在礦巖穩定范圍內，采場未發生破壞。

（2）礦體開采引起頂板沉降，底板底鼓，隨著采場逐步推進，圍巖變形也逐漸增加。其中采空區頂板變形較為明顯，更容易失穩，采空區主要受壓應力影響，應力主要集中在采場邊角帶，二步驟采場開挖時圍巖局部受拉，影響采場整體穩定性。

（3）跨度比對一步驟采場和二步驟采場的影響趨勢是不同的，其中一步驟采場的應力和變形隨跨度比的增大而降低，其變化幅度較大，而二步驟采場隨跨度比的增大而增大。

（4）相較于跨度比，充填強度對采場穩定性影響較小，主要影響二步驟采場，隨著充填強度的提高，二步驟采場的穩定性也越好。