金屬礦山充填體邊界應(yīng)力變形特征監(jiān)測與分析

董斌斌，陳元利

（1.江西銅業(yè)集團建設(shè)有限公司井巷分公司，江西 九江 332204；2.萬安縣應(yīng)急管理局，江西 萬安 343800）

0 引言

在金屬采礦工程中，充填采礦方法廣泛應(yīng)用于我國各地的許多金屬礦山。這種方法具有減少空間、限制變形、承載載荷、實現(xiàn)采礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展等諸多優(yōu)點。充填是一種由多相的復(fù)合材料，由尾礦、水泥以及各種膠凝材料組成。充填的材料是粘合劑[1-2]。

而充填取代礦體并占用采礦空隙。圍巖與充填體的接觸相互作用影響了采礦工程的局部穩(wěn)定性。張超[3]通過實驗分析描述了混凝土或水泥灌漿與軟、弱或風(fēng)化巖石之間形成的接縫的剪切行為。在一些礦山中研究了單個填充采場中的應(yīng)力狀態(tài)。由于充填體向下沉降，巖石和充填體之間的剛度和強度差異往往會沿界面產(chǎn)生荷載傳遞。沿界面?zhèn)鬟f的載荷在礦山實驗室和采礦作業(yè)中的一些實驗中得到了證實[4]。以前對充填的研究集中在材料性能和機制等方面。狹窄充填和圍巖的拱形效應(yīng)不適合該區(qū)域礦山。因此，以某金屬礦山為研究，從整體及局部穩(wěn)定性分析了充填力學(xué)行為問題。且基于現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了充填體邊界應(yīng)力變形特征。

1 研究區(qū)充填

1.1 研究區(qū)充填概況

某金屬礦山第一個采礦層的標(biāo)高是133 m，充填的頂部從133 m 開始，如圖1 所示。一個水平采礦層被分為6 至8 個區(qū)域。每個采礦板的尺寸約為100 m寬，與礦體和充填材料的走向垂直，可有效填充采礦造成的空隙。采礦作業(yè)在每一板塊的礦體被挖出后轉(zhuǎn)移到下一層。在同一層的所有面板被填滿后，形成一層充填。充填材料包含有尾礦和一些添加劑的水泥漿。充填的水泥與沙子的質(zhì)量配比為1∶4，固化時間為28 d，泥漿質(zhì)量濃度大于80.8%。該金屬礦山經(jīng)過30多年的開采，已經(jīng)形成了較大的的充填體，其深度超過100 m。通過一系列的測試，得到了充填體的力學(xué)性能。充填材料的平均單軸抗壓強度為5.09 MPa。充填材料的質(zhì)量配比為14.6%，而周圍巖石的平均拉伸強度為0.59 MPa。由于采礦作業(yè)的需要，測量工作分三次進行。充填區(qū)的三個部分分別位于133～1 250 m、125～110 m 和110～105 m。長度最大為160 m，寬度最大為250 m。

圖1 金屬礦山開采情況（單位：m）

2 充填應(yīng)力分布和位移的地下現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 充填物的分層位移監(jiān)測

充填材料穩(wěn)定性的關(guān)鍵控制因素之一是控制礦山分層位移。在研究區(qū)域內(nèi)，采礦在4 m 高的水平巷道中自上而下進行施工。一旦在通道巷道內(nèi)完成開挖，在開挖下一個通道巷道之前，使用水泥漿填充空隙。為了保證產(chǎn)量，開采在兩個分層同時進行。不同層面的充填在不同時間形成[4]。由于充填材料的體積收縮，發(fā)生了分層位移。在110 m 的分層中，用不同深度的充填材料位移計監(jiān)測分層位移。

監(jiān)測儀沿4 條勘探線分別布置在110 m 以下的層面。監(jiān)測儀設(shè)置在勘探線-12、線-14、線-16 和線-17。分層位移監(jiān)測工作以4 m 為一組，且分別延伸到以下4 個深度：20 m、25 m、30 m 和35 m，監(jiān)測時間為3 個月，監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 110 m 下層充填分層位移

分層位移監(jiān)測結(jié)果表明，110 m 以下的充填材料出現(xiàn)收縮變形，且所有位移值都小于20 mm。位于探測線-12 的充填材料的分層位移在初始階段出現(xiàn)。然而，隨著開采的深入，這種位移趨于減少。位于勘探線-14 和線-16 的充填材料的分層位移的趨勢是一致的。在初始階段，上部位移（20 m 深）、中部位移（25 m和30 m 深）和下部位移（35 m 深）有相同的變化。2 個月后，分層在充填材料的上部出現(xiàn)了上部位移，而在充填材料的下部出現(xiàn)了向下的位移。同時可觀察到位于17 號勘探線的充填材料的分離位移并不明顯。且影響分層位移的因素之一是兩個層面同時開采的影響。監(jiān)測結(jié)果表明，勘探線14 中充填材料部分的分層位移大于其他部分，這一特征與地面運動一致。

2.2 110 m 分段充填的應(yīng)力分布

圖3 中的監(jiān)測結(jié)果為110 m 下層充填材料的應(yīng)力分布。對于大多數(shù)監(jiān)測點，充填材料的水平應(yīng)力同時大于垂直應(yīng)力。這是由研究區(qū)域內(nèi)的局部構(gòu)造應(yīng)力造成的。110 m 以下的充填材料從勘探線-7 到線-25延伸，充填材料在線-7 和線-25 為邊界區(qū)域[5]。監(jiān)測結(jié)果顯示，7 號線充填區(qū)域的水平應(yīng)力為117.62 MPa，垂直應(yīng)力為62.77 MPa。對于25 號線的充填區(qū)域，垂直應(yīng)力為64.52 MPa。對于充填的內(nèi)部部分，8 號線、10號線、14 號線和16 號線的水平應(yīng)力分別為6.95 MPa、6.74 MPa、29.79 MPa 和74.36 MPa。而8 號線、10 號線、12 號線、14 號線、16 號線和21 號線的垂直應(yīng)力分別為25.21 MPa、11.89 MPa、25.61 MPa、1.16 MPa、13.99 MPa 和33.47 MPa。進一步表明充填材料內(nèi)部水平和垂直應(yīng)力都比邊界區(qū)域小得多。而充填材料在金屬礦山是一個被動的支撐。外部荷載作用于周圍的巖石，然后通過巖石傳遞到充填材料。且內(nèi)部充填的垂直應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充填的邊界區(qū)域。應(yīng)力值最小的點位于勘探線-14。這一部分的充填材料是的充填區(qū)域中心部分。

圖3 水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力曲線

充填材料的內(nèi)部應(yīng)力小于充填材料的邊界區(qū)域的應(yīng)力。位于勘探線14 號的充填材料是內(nèi)部部分，其應(yīng)力只有1.16 MPa。且與金屬礦山地層運動相對應(yīng)，沉降中心也位于勘探線-14，且?guī)讉€主要裂縫集中在勘探線-14 的沉降中心附近。且可觀察到，在監(jiān)測期間，14 號線充填材料的分層位移增加。且由于地面沉降，位于勘探線-14 號的充填材料的內(nèi)部釋放了其積累的應(yīng)力，進一步導(dǎo)致14 號勘探線的充填材料的應(yīng)力比其他部分的充填材料低的多。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型參數(shù)

數(shù)值模型中圍巖體和充填材料的參數(shù)：圍巖體的彈性模量為2×103MPa，充填材料的彈性模量為0.3×103MPa。周圍巖體的法向和剪切剛度分別為2×109MPa 和0.5×108MPa。地質(zhì)應(yīng)力測量表明，水平構(gòu)造應(yīng)力比垂直應(yīng)力大。因此，水平構(gòu)造應(yīng)力是主要因素。當(dāng)開采深度增加時，水平和垂直應(yīng)力都會增加。在該研究區(qū)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為1.2～2.0。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，數(shù)值模型的水平載荷與垂直載荷之比設(shè)定為2。邊界為臺階剖面，模型總體尺寸為16 m×16 m，單臺階高度為5.3 m。周圍巖體中的顆粒直徑為0.5 mm。充填部分混合了兩種尺寸的顆粒，直徑分別為0.6 mm 和0.8 mm，分別作為細(xì)骨料和粗骨料。

3.2 充填邊界應(yīng)力傳遞

垂直荷載被設(shè)置在模型的頂部，而水平荷載只作用于周圍的巖石。水平荷載通過周圍巖體的變形轉(zhuǎn)移到充填區(qū)。這種加載模式可以使充填土材料作為金屬礦山被動支撐。且設(shè)計外部載荷作用在模型上，并由周圍的巖體和充填材料轉(zhuǎn)移到內(nèi)部。在數(shù)值模型中，沿著充填材料的邊界設(shè)置監(jiān)測點，以測量應(yīng)力和位移。對于邊界部分的每一個點（點1～點11）。根據(jù)充填材料邊界部分的幾何特征和水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比率，監(jiān)測點可以分為四種類型：第一種類型包括點2、點6 和點10；第二種類型包括點3 和點7；第三種類型包括點4 和點8；第四種類型包括點5、點9和點11。

圖4 為圍巖和充填邊界點的水平應(yīng)力發(fā)展趨勢。在應(yīng)力曲線的初始階段，圍巖的應(yīng)力比充填材料邊界區(qū)域的應(yīng)力大。圍巖的應(yīng)力增長速度保持穩(wěn)定，并呈現(xiàn)線性趨勢。而充填邊界的應(yīng)力起初緩慢增加，然后迅速增加。這一趨勢一直保持到充填邊界的應(yīng)力一度大于圍巖，且裂縫開始延伸。

圖4 應(yīng)力和裂縫變化曲線

位移監(jiān)測是在邊界上的相鄰巖石點和充填材料進行。在后峰值應(yīng)力階段后，周圍巖石和充填材料的位移都急劇增加。隨著裂縫的發(fā)展，模型的破壞越來越明顯。在峰后階段，圍巖和充填材料的位移差異突然發(fā)生。在充填材料的邊界區(qū)域出現(xiàn)了不協(xié)調(diào)的變形，進一步導(dǎo)致圍巖發(fā)生裂縫和破壞。

圍巖上部應(yīng)力在初始階段緩慢增大，后期應(yīng)力增大速率較大。壓力突然上升到峰值，然后崩潰。應(yīng)力變化率幾乎保持穩(wěn)定。在初始階段，充填的應(yīng)力穩(wěn)定增加。微裂紋的形成導(dǎo)致充填應(yīng)力的不穩(wěn)定變化，進而達(dá)到峰值。與圍巖應(yīng)力變化相比，應(yīng)力突然上升到峰值的現(xiàn)象得到緩解。充填的應(yīng)力分布與地下測量的結(jié)果一致。在相同深度下，圍巖的應(yīng)力值大于充填的應(yīng)力。微裂紋萌生后，圍巖體與充填應(yīng)力比為1.3～2.0。該應(yīng)力比隨著深度的增加而增加。因此，開采深度的增加導(dǎo)致圍巖應(yīng)力與充填應(yīng)力之間的差異較大。

由于充填體與圍巖的相互作用，充填體邊界部分的應(yīng)力分布較為復(fù)雜。沿著邊界的階梯輪廓，設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測點。邊界區(qū)域應(yīng)力值小于內(nèi)部圍巖應(yīng)力值，大于內(nèi)部充填應(yīng)力值。一些邊界應(yīng)力發(fā)展的主要特征是多峰強度。這兩個峰值應(yīng)力值將應(yīng)力曲線分為以下五個階段：第一階段為應(yīng)力線性緩慢增加；第二階段為應(yīng)力加速生長；第三階段為在第一個峰值應(yīng)力階段后，應(yīng)力略有下降后增加；第四階段為應(yīng)力達(dá)到第二個峰值；第五階段為第二高峰期后應(yīng)力急劇下降。

4 結(jié)論

本文旨在研究充填應(yīng)力分布和變形，并分析其穩(wěn)定性。研究結(jié)論如下：

1）地面沉降與充填的中心勘探線相對應(yīng)。這部分充填體具有最大的分層位移。

2）地下充填體場應(yīng)力監(jiān)測表明，充填體內(nèi)部水平和豎向應(yīng)力均小于充填邊界部分，充填邊界部分的應(yīng)力分布較為復(fù)雜。

3）現(xiàn)場測量提供了充填邊界的精確輪廓。充填邊界具有階梯輪廓。建立了充填部分臺階剖面邊界部分的數(shù)值模型，進行應(yīng)力傳遞分析。

4）沿充填邊界進行了圍巖體與充填的接觸相互作用。邊界點的應(yīng)力監(jiān)測表現(xiàn)出多峰應(yīng)力特征。充填邊界部分的多峰應(yīng)力行為受開采深度的影響。