上向分层充填法地下采矿模型试验与分析

李 哲，崔周全，徐前卫(.同济大学地下建筑与工程系岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 0009；.云南磷化集团有限公司，云南 昆明 650600；.同济大学交通运输工程学院，上海 0009)

采选技术

上向分层充填法地下采矿模型试验与分析

李 哲1，崔周全2，徐前卫3
(1.同济大学地下建筑与工程系岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.云南磷化集团有限公司，云南 昆明 650600；3.同济大学交通运输工程学院，上海 200092)

依托于云南磷化集团晋宁磷矿6#坑深部缓倾斜中厚磷矿充填法地下采矿工程，对充填法模型试验的试验方案、相似材料配比、试验台架、开挖模拟技术、试验量测方案与技术等进行了探索研究，并通过室内平面应变相似模拟模型试验和数值模拟等对缓倾斜中厚磷矿层上向分层充填法地下开采过程中地下采场围岩的应力和变形活动规律、松动范围等进行了分析研究。研究结果表明：模型试验围岩破坏主要发生在顶板中部，破坏模式为块体塌落，且围岩竖向应力的变化呈现拱形，并且以采空区为中心向外扩展，位移最大的位置在顶板中部，朝向采空区，应注意靠近开挖侧的围岩位移的变化。

充填法；地下开采；模型试验；数值分析；围岩应力；松动范围

近年来，随着国家经济发展和科学技术水平的提高，社会生活对各种矿石的需求量也日益增大，极大地促进了采矿工业的发展和矿山企业采矿能力的提升。由于露天与浅部矿床越来越少，采矿深度不断增加，地压控制、矿石资源的充分回收和矿山环保问题越来越突出。充填采矿法能够最大限度地回采各种复杂工程地质条件下的难采矿体和深部矿体，可以有效抑制围岩移动，控制地压增高，保护地表环境，处理大量固体废弃物的优点，因而在矿山开采中的比例逐步上升和逐渐推广[1-2]。鉴于充填采矿法的优点和运用广泛，科研人员对充填法等进行了广泛的研究。彭士群等[3]、李元辉等[4]、李飞等[5]、夏德胜等[6]、江文武等[7]、赵海军等[2]、叶义成等[8]、王晓军等[9]、李猛等[10]、于世波等[11]分别对充填法应用、充填工艺、地表变形、回采顺序、围岩的应力应变及位移、顶底板稳定性等方面进行了深入的研究。

本文以云南磷化集团晋宁磷矿6#坑深部缓倾斜中厚磷矿为工程背景，依据相似原理，借用同济大学隧道及地下工程多功能综合实验系统，通过室内平面应变相似模型试验和数值模拟等对缓倾斜中厚磷矿层上向分层充填法地下开采过程中地下采场围岩的应力和变形活动规律、松动范围等进行了分析研究。研究结果可为晋宁磷矿及类似条件下深部矿体上向分层充填法地下开采设计施工和方案的选用提供指导和建议，以确保矿山可持续发展。

1 工程概况

晋宁磷矿6#坑位于云南省昆明市晋宁县。前期的露天开采形成深凹露天矿坑，矿山地质构造不发育，规模小，构造对矿山开采影响较小；矿体顶、底板岩石坚硬，节理裂隙不发育，岩石稳固性好，围岩属以坚硬-半坚硬工程地质岩组为主的简单类型，矿层西高东低，为向东倾斜的单斜矿体。由于地表不允许崩落，设计采用充填采矿法。前期露天开采地表存在大量剥离废石，采用上向分层废石充填法进行地下采矿。

2 地下开采相似模拟试验研究

2.1 模拟剖面选择及开挖方案

2.1.1 剖面选择

选取地下矿体分布复杂、厚度适中、工程地质和采矿条件具有代表性的6#坑南部134#勘探线剖面作为本次试验相似模拟试验剖面图。根据134#勘探线，并考虑其他勘探线的情况，为了减少模型几何相似比过小而产生的误差过大现象，针对开采区域选取尺寸为长100 m(模型中为2 m)，高100 m(模型中为2 m)的局部区域为本次试验的模拟断面。其中，磷矿层竖直厚度15 m(模型中为30 cm)，垂直厚度为7.4 m(模型中为14.8 cm)，倾角为36.6°。

2.1.2 开挖方案

采用上向分层开采废石充填采矿法进行开采。首先回采底部两个分层的矿石，第一个分层高度5.5 m，形成底部作业空间，再采第二个分层，分层高度3.5 m，采完第二分层后充填废石，留出5.5 m的作业高度。在模型试验中开采方案如图1所示。

图1 试验中地采的中段

2.2 相似比的确定以及材料选取

综合考虑采矿实际情况和已有的试验条件，结合弹塑性力学方程和量纲分析法得出地下开采与边坡模型试验的相似判据，见式(1)～(5)。

Cσ/CE=1

(1)

Cσ/Cc=1

(2)

Cσ/(CE×Cγ)=1

(3)

Cu/(CL×Cε)=1

(4)

Cμ=Cφ=Cf=Cε=1

(5)

式中：Cσ为应力相似比；CE为弹性模量相似比；Cc为粘聚力相似比；CL为几何相似比；Cγ为重度相似比；Cu为位移相似比；CE为应变相似比；Cμ为泊松比相似比；Cφ为内摩擦角相似比；Cf为摩擦因数相似比。

确定出几何相似比CL=50，重度相似比Cγ=1，由相似判据可得：Cσ=CE=Cc=50，Cμ=Cφ=Cf=Cε=1。

依据云南磷化集团晋宁6#坑口的实际地层岩体条件，岩体质量级别为Ⅳ级，岩体质量定性特征为：较坚硬，岩体破碎。根据相似原理和原型材料的物理力学参数，由此可计算出所需模型材料的物理力学参数。参考部分学者关于模型配比试验研究成果[12-14]，采用由重晶石粉、砂、石膏、洗衣液、水作为相似材料。

根据大量的不同配比的试验，得出本试验中使用以下配比的相似材料，重晶石粉∶河砂∶石膏∶水∶洗衣液=15∶5∶2∶1∶0.3。

2.3 量测方法及测点布置

2.3.1 应力观测

模型中应力的测量采用微型土压力传感器，在模型制作的过程中将微型土压力传感器埋设到预定位置，并将引线引出，接到数据采集仪上，通过数据采集仪来记录模型中应力的变化，试验中共布19个测点。测点布置如图2所示。

2.3.2 位移观测

PIV技术又称颗粒图像测速技术，GeoPIV是将颗粒图像测速技术(PIV)应用到土体变形测量中而开发的基于MATLAB软件的程序模块。GeoPIV通过分析和处理在试验期间的不同时间间隔内采集的数字图片的方式来分析岩土体等研究对象的位移，从而分析试验过程位移的变化情况[15-17]。

为了体现材料纹理，增加光强改变范围，利于网格划分与单元识别，试验中在采集表面敷设薄层彩砂与相似材料的混合材料。混合材料在有机玻璃板内的敷设厚度不超过3 mm，以免对其试验边界条件的影响及相似材料性质的改变。观测区域为试验仪器中间0.8 m×0.8 m的一个范围(图3)。

图2 应力测点布置(单位：mm)

图3 观测区域

3 试验结果及分析

3.1 围岩应力场的变化情况

通过基于微型土压力传感器的围岩压力量测系统，得到在开挖和充填过程中的围岩应力场数据，为了更直观地对比各点应力的变化，将各点应力数据减去初始应力场数据得到应力数据增量图，见图4。

图4 围岩竖向应力增量历时曲线图

通过图4(a)可以看出，由于采空区的形成，围岩由三向状态变为双向状态，使原始应力平衡状态破坏，导致岩体内的应力重新分布，并趋于新的平衡。形成一个动态的采空区上方的松动区和随开挖推进而不断前移的沿采空区下脚倾斜前方的支承压力区。采空区上方的岩体的竖向应力呈现降低的趋势。第1、2、3步开挖后，位于松动圈内部的测点5498的应力在这个过程中急剧下降，而测点5500位于开挖区域的左侧，该点的应力在此过程中有小幅度的上升，认为该点处在潜在压力拱外边界附近，由于压力拱的处围岩在应力重分布中产生挤压作用，因而竖向应力有所上升。测点5496和测点5495的应力增量基本归为0，表明测点位置位于松动圈以外，基本处于原岩应力状态。当开挖完成并稳定一段时间后，各测点变化值趋于稳定，并且在充填过程中，应力都处于稳定状态，基本没有发生变化。随着第4、5步开挖的进行，开挖扰动导致松动圈的范围会扩大，测点5496的应力开始缓慢降低，可见此时测点5496处的围岩已经出现了松动，只是松动程度较小，表明测点5496位于松动圈内靠近外边界的区域。测点5498、测点5500和测点5495的应力变化幅度都很小。在第6步开挖完毕后，采场上覆岩层发生大范围应力重组和调整，松动圈的进一步扩大，使得测点5496松动程度加剧，测点5496的应力急剧降低，可认为在测点5496的上方有形成水平向裂缝的趋势。测点5498、测点5500和测点5495的应力在此过程中都基本未发生变化，可见测点5498、测点5500和测点5495并未在围岩应力调整的范围内。测点5495的应力并未增大，表明并没有处在压力拱的范围内，未受到挤压作用。

图4(b)展示了距离采空区15 m的竖向应力随时间的变化。在第1步、2步开挖的过程中，测点5493、测点5492、测点5485、测点5490的应力变化基本为0。采空区形成后，围岩的松动圈范围处于一个缓慢扩大的过程之中，在第1步开挖完毕之后，测点5493的应力则开始缓慢降低。在第3步、4步开挖的过程中，应力变化最大的是测点5493，由于有充填体的存在，围岩表面收到充填体的支撑力，且这个力与充填体被压实的程度有关，故而测点5493呈现台阶式下降。在第3、4步开挖完毕后，测点5492应力处于缓慢降低的状态。测点5485和测点5490的应力的变化范围很小，可见测点5485和测点5490位于松动圈之外。第5步、6步开挖后，松动圈的范围增大，导致测点5493、测点5492位置的松动程度增加，应力出现降低。测点5485和测点5490的应力基本没有发生变化，未受到开挖的扰动。如若继续向上开采，随着松动圈的扩大，测点5492的应力将出现台阶式下降，测点5485和测点5490的位置也将进入松动圈，出现应力缓慢降低，再急剧降低，最后缓慢变化直至稳定。

由图4(c)可知，在第1步、2步、3步开挖后，采空区位于测点5503的上方，压力释放导致该点的应力值急剧降低，而测点5501和测点5505并没有位于应力释放区，应力没有发生较大变化。在第4步开挖进行中，应力调整过程中，采空区上方的荷载传递给采空区两侧的稳定岩体，形成支撑压力区，测点5501位于支承压力区，受到挤压作用，应力升高。在此过程中，测点5505和测点5503处于未受影响状态。在第5步、6步开挖结束后，测点5501的应力急剧下降，由于测点5501上方被采空，传递荷载的路径被中断，导致卸荷效果，故而呈现下降趋势。因此可知，采空区前方的底板竖向应力都会呈现先增大，后降低的趋势。

根据试验结果分析可知，上向分成充填法开采围岩的应力根据变化的速率不同分4个阶段：缓慢变化阶段，急剧变化阶段(时间较短)，缓慢变化阶段(时间较长)，稳定。随着采空区的扩大，松动范围也会增大，围岩所处于的应力区域依次为：原岩应力区，松动圈外边界附近，松动圈内部。

3.2 围岩变形分析

通过基于PIV技术的位移量测系统，分析各个施工步后的位移情况，限于篇幅，此处只列出了第6步开挖后的位移情况，见图5。在第6步开挖之后，位移已经发生了明显的变化，在顶板的中部区域的位移变化最大，朝向采空区，而开挖区域顶部围岩的位移变化还是较小，开挖区域上方中间发生围岩塌落的现象，塌落部分约有5 cm的高度，呈现不规则拱形垮落，见图6。

图5 位移矢量图(单位：mm，放大15倍)

缓倾斜磷矿层开采的垮落，其覆岩断裂高度沿工作面倾斜方向非线性变化，表现出不规则拱形特征，与之对应的顶板应力释放区呈不规则拱形分布。在本次试验中围岩破坏产生的关键时间节点为开挖5和开挖6施工步，由于在开挖过程中，采空区上方的顶板处于拉应力区，随着开挖的进行，拉应力增大，加上之前施工步导致的位移的累加，并且由于充填体并不能主动的承担荷载，只有在顶板围岩继续变形的过程中，充填体才可能变成承担荷载，因此，顶板中部发生塌落破坏。如果继续开挖，则可能会发生更大程度的塌落破坏。

3.3 松动圈分析

根据围岩的应力和位移的结果分析，表明沿着采空区轮廓线指向围岩内部的方向，围岩分别处于松动圈→压力拱→原岩应力状态[18]。随着开采及充填的进行，松动区呈现一个不规则的拱形，并且有扩大的趋势。可认为开挖导致围岩的松动范围如图7所示，在实际中如果继续开挖的话，充填的效果虽然一定程度上提供了支撑，但是由于充填体是被动发挥作用而且充填时周围岩体已经发生了松动，因此影响范围可能会随之扩大。

图6 试验现象

图7 开挖松动范围图(单位：mm)

4 地下开采数值模拟研究

为了对比模型试验的结果，采用ABAQUS有限元软件建立数值模型对上向分层充填法地下开采进行分析。

4.1 模型建立

根据相似模型试验的类型是平面应变模型(图8)，故采用ABAQUS中的模型采用平面应变单元建立磷矿层地下充填法开采模型。本构模型采用摩尔库伦模型，模型中采用均质材料，材料的重度是2 100 kg/m3，弹性模量为1.2 GPa，泊松比为0.35，内摩擦角是35°，粘聚力为1.4 kPa。根据试验的边界条件，对模型施加重力荷载以及顶部和侧边施加约束和压力。磷矿的开采方案与试验相同。在ABAQUS中，首先生成自重应力场，开始时回采底部11 cm的矿段，接着向上开采7 cm，回填7 cm，直至开采完成，总共分6步回采，6步充填。

图8 有限元计算模型

4.2 应力和位移规律研究

由图9可知，在开挖区域的两侧出现了竖向压应力的最大值，此区域由于开挖的作用，使得中采空区的竖向荷载被两侧的围岩体承担，故而出现了压应力的增大在采空区两侧。随着开挖的进行，围岩竖向应力的变化呈现不规则的拱形，并且以采空区为中心向外扩展。这与试验结果竖向应力的变化趋势相符合。其中采空区中心的小范围的围岩内的竖向应力为拉应力，这部分围岩，在自身重力作用下最可能发生破坏。

由图10可知，大部分围岩处于受压区域，充填后的区域也处在受压区，破坏的可能性较小，可见充填对于抑制围岩破坏，限制围岩的位移有着明显的作用。而拉应力区主要集中在采空区周围，分布范围较小，其中以采空区上方的拉应力分布范围较大。受拉区将率先出现破坏，开挖6的云图中受拉区的形状与试验中发生破坏的形状相符合。

根据图11，在地下开采之后，发生位移最大的位置都是位于顶板的中间部分，并且指向采空区方向，而远离开挖区域越远的地方，位移越小，整影响的范围呈漏斗状。在开挖区域上方的岩体位移量比开挖区域下方岩体的位移量要大。而在开挖过程中的开挖4施工步和开挖6施工步中，围岩的变形量较大，应予以关注。

图9 第6步开挖后竖向应力云图

图10 第6步开挖后最大主应力云图

图11 第6步开挖后位移矢量图

由图12可知，位移在靠近充填的那一侧位移量小，而在另外一侧位移量大，这是因为在开始开挖的过程中由于开挖范围小，在开挖后围岩的位移量还不大，而且充填体能抑制位移的后续发展。而在开挖侧，由于开挖的进行，逐步把支撑的矿体给采空，位移不断的累加，所以较充填侧位移变化较大。并且，顶板位移最大点是向着开挖侧转移，总是处在靠近已经开挖部分的顶板中间位置。因此，随着开挖的进行，应注意靠近开挖侧的围岩的位移变化。

图12 顶板位移观测点随着开挖的位移曲线图

4.3 松动范围分析

根据试验结果应力结果的分析，发现自采空区指向围岩深部方向，围岩分别处于松动状态、压力拱状态、原岩应力状态。认为压力拱内边界以内的岩体都发生了松动，只是幅度不同而已，因此可以用确定压力拱内边界的方法来判断岩体的松动范围。

所谓围岩的拱效应，是指围岩为了抵抗开挖引起的围岩不均匀变形而进行自我调节的一种现象，即主应力大小发生变化且方向发生偏转，荷载传递路线发生偏离，围岩内将产生类似拱梁结构切向压紧作用，同时将荷载传递给拱脚处的稳定岩体[19-21]。可根据，压力拱内边界处是距离开挖侧最近最小主应力形成一个完成的拱形结构，而外边界则是指主应力由水平应力转向竖直应力的位置。

由图13的分析结果，压力拱内边界是位于采空区上方的一个非对称的拱形，在开挖6施工不结束后，此时压力拱的内边界顶点到采空区的距离为30 cm(实际中为15 m)，内边界以内的岩体都发生了松动，比试验分析的松动区域偏小，但相差不大。

图13 第6步开挖后最小主应力矢量图

5 结 论

1)模型试验围岩破坏主要发生在开挖6施工步中的顶板中部，破坏模式为块体塌落，表明开挖时的围岩破坏主要发生在上述区域。根据试验分析和数值模拟，该区域在开挖过程中，由于开挖面的推进导致拉应力增大，且充填未及时跟上，位移的进一步累加，最终导致围岩破坏的发生。

2)试验和数值分析都表明，在开挖区域的上方的围岩，竖向压应力都有不同程度降低，而距离采空区50 cm处的测点应力变化幅度不大，可认为没有收到开采的影响。随着开挖的进行，围岩竖向应力的变化呈现拱形，并且以采空区为中心向外扩展。采空区上下侧的竖向应力最小。在充填后，后续的开挖对充填区域的上竖向应力的影响不大。

3)对于围岩的位移变化，试验中使用PIV量测系统，根据位移矢量图，可知位移最大的位置在与顶板中部，且方向是朝着采空区，是由于顶板部分中间暴露时间过长，且开挖部分增大，使得顶板中间所受到的弯矩增大。这个也与数值分析结果一致。因此，随着开挖的进行，应注意靠近开挖侧的围岩位移的变化。

4)磷矿层开挖后，由采空区指向围岩内部，围岩分别处于松动圈→压力拱→原岩应力状态。在围岩松动范围内。根据试验的应力数据给出的围岩松动圈顶点距离采空区35～40 cm(实际距离为17.5～20 m)，而数值分析给出的结果为30 cm(15 m)。此范围内的围岩都有出现了松动，只是松动程度不同。

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Model test and analysis of the overhand cut and fill stoping

LI Zhe1，CUI Zhouquan2，XU Qianwei3

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd.，Kunming 650600，China；3.School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Based on the underground mining engineering with overhead cut and fill stoping in the slightly inclined medium thick phosphate layer of pit 6#of Jinning phosphate mine of Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，the test scheme，the material proportion，the test rig，the excavation simulation method，and the measurement technology of the model test for overhand cut and fill stoping are researched and explored.Moreover，the laws of rock stress and deformation，and the loose zone in the process of overhand cut and fill stoping are researched and analyzed，through plane strain similar simulation model test and numerical simulation.Research results show that：① rock failure mainly appears in the middle of roof in the model test，and the failure mode is block falling；② the variation of the vertical stress of the rock forms an arch shape，and the center of the arch is the mine goaf；③maximum displacement occurs in the middle of the roof，and develops towards the goaf，thus the displacement variation of the surrounding rock near excavation side should be paid much attention.

fill stoping；underground mining；model test；numerical simulation；rock stress；loose zone

2017-03-12 责任编辑：刘艳敏

国家科技支撑计划项目资助(编号：2011BAB08B01)

李哲(1991-)，男，硕士研究生，主要从事岩土计算方法方面的研究工作， E-mail:jacksperal@126.com。

TD353

A

1004-4051(2017)06-0095-07