膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用

胡 磊 任高峰 钱兆明 王 力 陈光海 王玉杰

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

·安全与环保·

膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用

胡 磊1任高峰1钱兆明1王 力2陈光海1王玉杰1

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

为提高充填采矿法对地表沉降量的控制效果，首先采用理论分析的方法，得出提高充填体接顶率是控制地表沉降量的关键因素；然后针对目前充填体接顶率偏低的现状，提出以过烧氧化钙代替传统胶凝材料与尾砂混合进行膨胀充填的改进方法，并设计实验得到了膨胀充填体的膨胀性能。实验结果表明，膨胀充填体可提高充填体接顶率，其膨胀力可对顶板产生一定的支撑力，当灰砂比分别为1∶1、1∶3、1∶5时，对应的膨胀力大小分别为1.14、0.68、0.47 MPa。在实验的基础上，以程潮铁矿西区-175 m采场为基础，通过数值计算的方法，研究了膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用。数值计算结果与理论分析具有很好的一致性，计算结果表明采用膨胀充填体充填可使地表最大沉降量减小94%。

充填采矿 地表沉降 充填体接顶率 过烧氧化钙 膨胀力 FLAC3D

随着人们对矿产资源需求量的增加，品位高、埋藏浅、赋存条件好的矿产资源日渐枯竭。人们不得不着手于开采品位较低、埋藏较深、赋存条件较差的矿产资源。在这种趋势下，充填采矿法以其贫化率低、资源回收率高、可有效控制地压、安全环保的特点得到了应用和发展。充填采矿法已成为矿产资源开发的大趋势，但在充填过程中,由于受充填料浆的泌水性、充填料浆的自流坡度、矿房顶板的不规则形状以及充填体的自然沉降等诸多因素的影响，充填体往往难以充分接顶[1-3]。

针对充填不接顶问题，专家学者们做了不少研究，取得了一些研究成果。瞿群迪等[4]采用理论分析和数值计算的方法，分析了充填开采控制地表沉陷的各影响因素，研究结果表明：提高充填体的接顶率是减小充填开采地表下沉系数的最有效途径；王振等[5]采用概率积分法计算模型推导出充填体未接顶高度的计算公式，分析了各参数对计算结果影响的敏感性；李敏等[6]以大冶铁矿东采区的充填接顶技术问题为工程背景，分析了在现场充填中可能影响充填接顶的相关因素，进而有针对性地提出了一系列解决充填接顶问题的技术措施。这些研究多数是以现有的充填骨料及胶凝材料为研究对象而展开的。笔者通过对过烧氧化钙的膨胀性能进行研究，提出采用过烧氧化钙代替传统胶凝材料，使充填体充分接顶的充填方法。该方法在使充填体充分接顶的同时还能产生一定的支撑力，可有效控制地表的沉降。

1 充填体接顶对控制地表沉降量的意义

1.1 地表沉降系数控制因素预估

理论分析和生产实践表明[4]，采空区全部采用充填法的地表沉降量主要由3个方面构成：充填前顶板和底板的移近量Z1，充填欠接顶量Z2，充填体压缩量Z3，如图1所示。

图1 充填采矿法地表沉降量主要影响因素

在工程应用中，采空区全部采用充填法的地表沉降量最大值Cmax为

Cmax=Z1+Z2+Z3.

(1)

定义充填体高度h与采高Y的比值为充填体接顶率k，则有：

Z1+Z2=Y-h=y(1-k).

(2)

充填体的体积压缩率反映了充填体压缩量的大小，由于充填体在水平方向上四周都受约束，所以可忽略水平方向的压缩量，则充填体的体积压缩主要反映为充填体垂直方向的压缩量，以采空区全部充填为例可得：

(3)

式中,rb为充填料浆的泌水率；Cv为充填料浆的体积分数；ef为充填体的体积应变。

将式(2)和式(3)代入式(1)可得地表沉降量最大值为

(4)

地表沉降系数q的表达式为

(5)

由式(4)和式(5)可知，充填采矿法地表沉降系数受充填体接顶率k、充填料浆泌水率rb、充填料浆体积分数Cv及充填体的体积应变ef等因素的影响。

1.2 地表沉降系数控制因素的正交极差分析

正交极差分析法在处理多因素问题时可以用部分试验来代替全面试验，快速找出各影响因素的主次关系[7-8]，所以采用正交极差分析法来判别充填采矿法地表沉降系数的最主要影响因素。对4个影响因素各取3个水平，所用正交试验表取自L9(34)，如表1所示。各影响因素的水平取值如表2所示。利用(5)式计算各因素在不同水平条件下的地表沉降系数q，计算结果列于表1中。记Kjm为j因素在m水平下对应的沉降系数的平均值(j=k、rb、Cv、ef，m=1、2、3)，它反映了j因素该水平效应的大小。记Rj为j因素的极差,它反映了j因素水平波动时沉降系数的变化幅度。计算所得Kjm和Rj如表3所示。对各因素的极差进行比较，由极差的大小便可判别各影响因素的主次关系。

表1 正交试验因素水平及相应的地表沉降系数q

表2 各影响因素取值水平

表3 各影响因素下地表沉降系数均值Kjm和极差Rj

Rj越大表示j因素对地表沉降的影响越大，所以由表3可知，各影响因素的主次关系为

k>rb>ef>Cv,

(6)

即充填体接顶率对地表沉降系数k的影响最为明显，其他因素的影响较小。因此，要提高充填采矿法地表沉降的控制效果，最有效的方法是提高充填体的接顶率。

2 膨胀充填体膨胀性能的实验研究

前人研究表明，过烧氧化钙遇水后体积可自由膨胀3～5倍，一直以来被广泛应用于静态破裂技术中[9]。鉴于其良好的膨胀性能，在充填时可采用过烧氧化钙代替传统胶凝剂，与水、充填骨料以及相应的添加剂混合，根据需要按不同的配比充分搅拌后充入采空区[10]。一方面，充填材料在较短的时间内体积会发生膨胀,逐渐充满整个采空区，使充填体充分接顶，从而提高充填体接顶率;另一方面，膨胀充填材料在膨胀受限的情况下，会对周边岩体产生一定的支撑力，进一步控制地表的沉降。

将过烧氧化钙与尾砂按不同的灰砂比(质量比)混合，在自由状态下测量其体积随时间的变化情况，如图2所示。定义膨胀系数为测量体积与原体积之比，分析实验结果可得膨胀充填体在无约束状态下的体积增量时程曲线，如图3所示。制作相似模型，将不同灰砂比的膨胀充填体注入其中，通过数据采集系统实时监测充填体对模型产生的应力，如图4所示，分析实验结果可得膨胀充填体在约束状态下的膨胀力时程曲线，如图5所示。

图2 膨胀充填体在无约束状态下的体积增量实验

图3 膨胀充填体在无约束状态下的体积增量时程曲线

图4 膨胀充填体在约束状态下的应力采集实验系统

图5 膨胀充填体在约束状态下的膨胀力时程曲线

由图3可知，在无约束状态下当灰砂比为1∶1时，膨胀充填体的体积膨胀系数为2.2，当灰砂比为1∶5时，膨胀充填体的体积膨胀系数为1.2，随着灰砂比的减小，膨胀充填体的体积膨胀系数减小。由图5可知，在约束状态下当灰砂比为1∶1时，膨胀充填体产生的最终膨胀力为1.14 MPa，当灰砂比为1∶5时，膨胀充填体产生的最终膨胀力为0.47 MPa，随着灰砂比的减小，膨胀充填体产生的最终膨胀力减小。一般来说，膨胀充填体体积膨胀系数越大，越能提高充填体的接顶率，膨胀充填体产生的最终膨胀力相应增大，控制地表沉降量的效果越明显。但灰砂比越高，膨胀材料的用量也就越大，充填成本相应提高，所以在实际生产中，应根据现场需要，选择经济合理的灰砂比，或仅在接近顶板的部位采用膨胀充填体充填。

3 数值模拟研究

以程潮铁矿西区-175 m采场为基础，尝试采用岩土工程力学有限差分软件FLAC3D模拟采空区的开挖和充填，对膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用进行分析研究。

程潮铁矿西区-175 m采场平均埋深为157 m，矿体为高铜磁铁矿，顶底板和围岩主要为夕卡岩，稳定性较好。矿体、围岩、顶底板的物理力学参数见表4。该区采用空场嗣后充填法开采[11]，采场沿走向布置，形成的采空区长度为50 m，宽度为15 m，采高为3 m。

表4 材料物理力学参数

模拟的主要内容：①不同充填接顶率时地表下沉量的变化规律；②膨胀充填体对围岩产生不同支撑力时地表下沉量的变化规律。

3.1 模型的建立

数值分析采用三维模型，以矿体的走向为X方向，采空区的宽度方向为Y方向，重力方向为Z方向，在考虑边界效应的同时兼顾简化计算。模型X方向两端各取采空区长度的3倍，X方向总长度为350m；模型Y方向两端各取矿房长度的3倍，Y方向总长度为105 m；模型上边界取至地表，下边界取至采空区底板以下25 m，Z方向总长度为200 m。数值计算模型采用摩尔-库伦准则，采空区及围岩的参数取自程潮铁矿西区-175 m采场数据(表4)。划分网格后的模型如图6所示，共有17 494个节点，15 778个单元。采用位移边界条件，即在三维数值分析中，模型的左右2个侧面X方向位移受约束，前后2个侧面Y方向位移受约束，底面Z方向位移受约束[12]。

矿房的开采和充填采用FLAC3D的空单元命令和给材料重新赋值的方法来实现。不同的充填接顶率以不同的充填体高度来表征，对应于充填接顶率k等于80%、90%、100%的充填体高度分别为2.4、2.7、3 m。充填体对顶底板及围岩的支撑力以施加面力的方式来表征，不同灰砂比时的支撑力大小对应于上述实验中膨胀充填体在约束状态下产生的最终膨胀力大小。

图6 计算模型及网格划分

3.2 计算结果及分析

3.2.1 不同接顶率对地表沉降量的影响

充填接顶率不同(其他参数相同)时的地表沉降曲线如图7所示。由图7可知，当充填体接顶率为80%时，地表最大沉降量为436 mm，当充填体接顶率为100%(即完全接顶)时地表最大沉降量为44 mm。随着充填体接顶率的提高，地表最大沉降量显著减小，计算结果与第1节的理论分析一致。所以，对于控制地表沉降量，最有效的技术措施是提高充填体的接顶率。由膨胀充填体的膨胀性能实验可知，采用膨胀充填体充填可有效提高充填体接顶率。

图7 不同充填体接顶率时地表沉降曲线

3.2.2 不同支撑力对地表沉降量的影响

其他参数相同、充填体产生的支撑力不同时的地表沉降曲线如图8所示。图8中曲线1代表充填体接顶率为100%、支撑力为0的情况，模拟的是膨胀充填体体积膨胀正好使充填体接顶，但未产生支撑力，此时的地表最大沉降量为44 mm。由图8可知，当充填体支撑力为0.47 MPa时，地表最大沉降量为40 mm，当充填体支撑力为1.14 MPa时地表最大沉降量为26 mm。随着充填体产生的支撑力的增大，地表最大沉降量逐渐减小，所以膨胀充填体产生的支撑力有助于控制地表的沉降量。但相比于提高充填体接顶率对地表沉降量的控制而言，提高充填体支撑力时地表最大沉降量的减小幅度较小。要提高充填体产生的支撑力的大小,就需要提高充填体的灰砂比，而提高灰砂比会相应地增加充填成本。所以，选择经济合理的灰砂比时，首先要考虑的应该是提高充填体的接顶率，之后再考虑提高充填体产生的支撑力。

图8 不同充填体支撑力时地表沉降曲线

4 结 论

(1)采空区全部采用充填法时，在控制地表沉降量的诸多因素中,充填体接顶率为最主要的影响因素，提高充填体接顶率可显著减小地表的沉降量。

(2)用过烧氧化钙部分代替传统胶凝材料进行胶结充填，其膨胀性能可提高充填体的接顶率并产生一定的支撑力，该支撑力有助于进一步控制地表的沉降量。

(3)对于控制地表沉降量而言，提高膨胀充填体产生支撑力的大小比提高充填体的接顶率的控制效果弱。因此，在确定膨胀充填体的灰砂比时，提高充填体的接顶率应该作为首要考虑因素。

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(责任编辑 徐志宏)

Effect of Expanding Backfills on Controlling Ground Settlement

Hu Lei1Ren Gaofeng1Qian Zhaoming1Wang Li2Chen Guanghai1Wang Yujie1

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;2.Institute of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

In order to improve the effect of filling method on controlling ground settlement，the theoretical analysis method was adopted to conclude that improving the backfill roof contact rate is the key factor for controlling the ground settlement.Then，in view of the present low roof contact rate，an improved expanding backfill method of replacing traditional cementations and tailings mixture with burnt lime was proposed and the expansion properties of expanding backfill was gained by the experiment.The experiment result showed that the expandable backfill can improve the roof contact rate of filling body and its expansion force can generate some support force on the roof rock.The expansion forces are 1.14 MPa，0.68 MPa and 0.47 MPa when the cement-sand ratios are 1∶1，1∶3 and 1∶5 respectively.Finally，based on the experiments，and taking -175 m stope of western district in Chengchao Iron Mine for instance，the effect of expanding backfills on controlling ground settlement was studied through numerical calculation.The calculation results and theoretical analysis are in good agreement.The calculation result shows that expanding backfill can lower the ground settlement by 94% in maximum.

Filling method，Ground settlement，Backfill roof contact rate，Burnt lime，Expansion force，FLAC3D

2014-09-07

中央高校基本科研业务费专项(编号：2013-ZY-073)，“十二五”国家科技支撑计划重点项目(编号：2011BAB05B03)，国家自然科学基金项目(编号：51104112)。

胡 磊(1988—)，男，硕士研究生。

TD355

A

1001-1250(2014)-11-127-05