充填体变形特性分析及材料配比优选

李龙福，江东平，雷丁丁(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 24000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 24000；.铜陵有色金属集团控股有限公司，安徽 铜陵 244000)

充填体变形特性分析及材料配比优选

李龙福1，2，江东平1，2，雷丁丁3
(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.铜陵有色金属集团控股有限公司，安徽 铜陵 244000)

当地下矿山采用胶结充填开采方法时，充填体的强度是影响其在地下矿产开采过程中是否稳定的直接因素，并且关系到采场围岩的稳定性和充填成本，而合理的充填材料配比是关键。本文在室内充填试验的基础上，利用数值模拟手段对四种灰砂比的充填体进行充填开采仿真模拟，分析了胶结充填体的变形特性，结果表明充填体的失稳主要从与下盘围岩接触的底部开始发生破坏，然后沿充填体与下盘的接触面向上、以及在与底板接触面处沿充填体倾向方向这两个方向逐渐发生变形破坏；对采场中的位移、应力和塑性区等围岩力学响应特征进行了对比分析，结果表明，当灰砂比为1∶8时，充填体能够维护采场稳定并且充填材料成本较低。研究结果对矿山充填工程具有一定的指导意义。

胶结充填体；变形特性；数值模拟；配比优化；围岩力学响应

非充填采矿方法的使用在矿山生产中后期都会面临资源浪费(例如矿柱损失)、深部矿体开采安全等问题，从合理利用不可再生的矿产资源、安全生产和保护环境等方面考虑，充填采矿方法可以满足这一要求，特别是对于生产多年、需向深部开采的老矿山，对采空区进行充填处理是行之有效的方法。空区充填属于人工支护控制围岩变形的范畴，其目的在于维护采场围岩的稳定和承载结构的承载能力，以控制采场地压、支撑围岩，减少、延缓和阻止矿体开采后围岩的破坏和移动，从而实现地压管理[1-2]。在整个充填开采期间，要使矿体高效安全地开采出来，充填材料必须具有足够的强度。如何确定一个恰当的强度值，需要考虑矿山现有的开采技术条件、充填技术水平以及充填材料的强度特性等诸多技术方面的问题，更要考虑矿山的开采成本和效益等经济方面的要求。强度确定方法主要有物理模拟法、数学力学分析法、经验公式法、现场实测法以及数值模拟分析法等[3-6]。三维数值模拟可以定量地计算和分析矿体开采过程中围岩的力学响应特征，从位移、应力、塑性区等方面动态地分析采场的稳定性，这是其它方法所不可比拟的，因此，本文采用FLAC3D三维有限差分软件对不同配比的充填材料进行充填开采模拟，分析在维护采场稳定的前提下，优选材料配比。

1 工程概况

矿山始建于1976年，原采矿方法为浅孔留矿法。截至2012年4月底，已在矿区地表、井下形成了大量的采坑(约92万m3)和废弃的采空区(约12.57万m3)。这些空区受矿体自然形态及开采条件的影响，空间形态分布各异。现由于采矿权单位的变更，资金、技术等条件得到改善，同时为开采深部矿体和回收矿柱创造条件，研究决定对废弃的采空区进行处理，采用选场尾砂进行胶结充填，因此，选择经济合理、技术上可行的充填材料配比是关键。

1.1 矿体地质概况

本文研究矿区南矿段规模最大的5#矿体体的-180 m、-220 m两中段作为研究对象，-180 m中段坑道工程控制矿体长319 m，-180 m中段矿体平均厚15.02 m，变化系数0.67，矿体形态复杂程度中等。倾向250～335°，平均倾角65°，走向8～46°，剖面简图见图1。

图1 矿体剖面示意图

矿体围岩主要为砾岩，其次为花岗岩和炭质页岩。顶柱为砾岩时，岩石呈块状，稳定性较好；顶柱为炭质页岩时，岩石呈层状，稳定性一般；顶柱为蚀变黑云母斜长花岗岩时，绿泥石化较强烈，小节理裂隙发育，岩体联结能力弱，岩石无水状态下较坚硬，遇水很快变软，力学性能强度较低，会发生崩塌，稳定性较差。本研究涉及的岩体相关材料的物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

表2 充填体物理力学参数

1.2 充填方案初步确定

为充分回收矿产资源，对矿房充填以回收矿柱，采用空场嗣后充填两步骤开采法：①开采矿房，矿房充填；②回采矿柱。由于充填体的强度比围岩小得多，因此根据文献[7]中的研究可知应采用大矿房小矿柱方案。采场结构尺寸根据矿山的相关研究报告：取顶柱厚6 m、矿房跨度38 m、矿柱长14 m、采场宽度取矿体的平均厚度15 m。

选取水泥、选场尾砂作为充填材料，对灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶12的混合材料进行室内充填试验，根据试验结果，选取重量浓度为63%、养护龄期28 d的充填体作为数值计算对象。物理力学参数如表2所示，模拟计算方案如表3所示。

2 建立数值模型及确定开挖方案

2.1 三维模型的建立

本次计算对-180 m、-220 m两中段矿体开采进行仿真模拟，即对整个矿体的开采过程进行模拟，水平控矿范围：盘区长320 m，垂深为80 m。布置矿房数分别为6个、5个，交错布置。模型范围：垂直矿体走向为x轴，取380 m；沿矿体走向为y轴，取900 m；铅垂线方向为z轴，为优化计算模型，在铅垂线方向模型从+995 m水平取至+630 m水平(地表标高为+1 190 m)，得出模型长×宽×高为：900 m×380 m×365 m。

边界条件采用位移-应力混合约束，将模型四个侧面法线方向的水平位移进行固定(ux=0，uy=0)，对模型底部平面位移固定(ux=0、uy=0、uz=0)，上部边界为上覆岩体的自重应力，σz=-2.57 MPa。由于研究区域埋深较浅，原岩应力场只考虑自重应力场的作用，水平应力根据泊松效应进行计算。采用Mohr-Coulomb屈服准则。

2.2 开挖方案的确定

为简化数值计算过程，根据采场结构布置，模拟计算过程共分四步完成：-180 m中段矿房回采→-180 m中段矿房充填、-220 m中段矿房回采→-180 m中段矿柱回采、-220 m中段矿房充填→-220 m中段矿柱回采，如图2所示。

表3 模拟方案

图2 采场结构示意图

2.3 充填体的变形特性分析

主要分三个工况对充填体的变形特性进行分析。工况一：-180 m中段矿房充填、-220 m中段矿房回采；工况二：-180 m中段矿柱回采、-220 m中段矿房充填；工况三：-220 m中段矿柱回采。主要从充填体的塑性区扩展方面进行分析(以灰砂比为1∶4的充填体为例)，扩展情况如图3所示。

从图3中可以看出，首先在充填体与下盘围岩接触的底部位置出现拉伸破坏区；在工况二中，随着-180 m中段矿柱的回采，该中段充填体中塑性区达到最大，并且出现剪切破坏区；当-220 m中段矿柱回采后，-180 m中段充填体中拉伸破坏区域减小，剪切破坏区域增大，但整体破坏区范围减小。另外，从图中看出破坏区域主要发生在充填体与下盘围岩的接触位置，虽然范围较大，但从工况三中可知塑性区并没有贯通，所以充填体是稳定的。

根据以上分析，充填体的失稳主要从与下盘围岩接触的底部开始发生破坏，然后沿两个方向逐渐发生变形破坏(图4)：方向s是沿充填体与下盘围岩的接触面向上；方向t是在与底板接触面处沿充填体倾向方向。根据充填体在采场中的作用情况，如果两个方向都出现贯通性的破坏面，那么充填体是不稳定的。因此，可据此作为充填体是否稳定的判定依据。

2.4 模拟结果对比分析

选取矿柱全部回采后，采场中围岩变形、应力分布及塑性区大小作为衡量材料配比参数优劣的指标。具体见表4。

表4 不同方案模拟结果对比

1)位移计算结果表明，在矿体回采结束后，最大垂直位移出现在-180 m中段采场中部，相对于方案一，增幅分别为2.2%、5.7%、30.5%；x方向最大位移出现在上盘围岩中，相对于方案一，增幅分别为2.5%、5.6%、8.1%；y方向最大位移出现在充填体的两侧，相比于方案一，增幅分别为20.5%、116.4%、287.7%。从采场的变形可知，在方案四中位移增幅较大，相比于其它方案，不利于采场稳定。

图3 充填体变形特性图

图4 充填体变形扩展方式图

2)应力计算结果表明，虽然在四个方案中最大主应力与最小主应力值均相差不大，应力集中与拉应力出现的区域相似，但从数值的大小方面定量的分析，采场的受力情况因充填体强度的降低而变差。

3)选取矿体回采结束后采场整体变形破坏情况进行分析，方案一的塑性区图如图3(c)所示，其余如图5所示。从图中可知，塑性区主要分布在充填体底部以及与下盘围的接触部位、顶底柱中。在充填体中同时存在剪切破坏与拉伸破坏，且随充填体强度的降低，拉伸破坏范围逐渐减小，剪切破坏范围逐渐增大。

采场的稳定依赖于充填体的稳定，因此，以充填体的变形破坏情况作为对比依据。根据以上分析，在方案四中，沿方向s破坏区几乎全部贯通，而且在方向t也出现贯通的剪切破坏区，是最不稳定的，所以从其它三种方案中选取。从图中可知，塑性区范围大小为：方案一<方案二≈方案三，且从充填体的整体来看，塑性区域仅仅局限于充填体表面，并没有向内部扩展，所以在这三种方案下，充填体都是稳定的。然而从经济层面考虑，充填体的配比影响着充填成本，材料成本大小关系为：方案一>方案二>方案三。因此，综合考虑，方案三比较经济且能维护采场的稳定。

综合以上分析，在维护采场稳定的前提下，考虑充填成本、经济效益的最大化是矿山的首要目标，所以方案三最优，即灰砂比为1∶8。

3 结 论

1)在室内试验的基础上，利用数值模拟手段，对四种灰砂比的充填材料进行充填开采模拟计算，对比分析了矿体回采后采场的变形、应力及塑性区等围岩响应分布特征，考虑充填成本，对材料配比参数进行了优选，即当灰砂比为1∶8时，充填体能够维护采场的稳定并且充填成本较低。

图5 采场塑性区云图

2)充填体变形特性分析表明充填体的失稳主要从与下盘围岩接触的底部开始发生破坏，然后沿充填体与下盘的接触面向上以及在与底板接触面处沿充填体倾向方向这两个方向逐渐发生变形破坏。根据充填体在这两个方向上塑性区的贯通情况，可据此分析充填体的稳定性，作为是否稳定的判定依据。

[1] 赵传卿，胡乃联.胶结充填对采场稳定性的影响[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2008，27(1)：13-16.

[2] 张海波，宋卫东.评述国内外充填采矿技术发展现状[J].中国矿业，2009，18(12)：59-62.

[3] 彭志华.胶结充填体力学作用机理及稳定性分析[J].有色金属：矿山部分，2009，61(1)：39-42.

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[5] 曾照凯，张义平，王永明.高阶段采场充填体强度及稳定性研究[J].金属矿山，2010(1)：31-34.

[6] 黄庆享，李亮.充填材料及其强度研究[J].煤矿开采，2011，16(3)：38-42.

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Analysis of the backfill deformation characteristics and optimization of material ratio

LI Longfu1，2，JIANG Dongping1，2，LEI Dingding3

(1.Sino Steel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Maanshan 243000，China；2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine，Maanshan 243000，China；3.Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.，Ltd.，Tongling 244000，China)

Local mines with cemented filling mining method，the strength of the filling body is the direct factor that affects the stability of the underground mining，and it relates to the stability of Stope wall rock and filling cost，reasonable ratio of filling material is the key.Based on the laboratory filling test of this article，using numerical simulation methods on four kinds of cement-sand ratio of filling to fill mining simulation，analysis on the deformation characteristics of cemented filling，the results show that the failure of the fill is mainly from the bottom of it and which contact with the footwall，then the contact area and the footwall upwards along the filling body，and in the bottom interface tendency direction along the filling body，the two direction gradual deformation.Comparative analysis on mechanical response of surrounding rock，such as displacement，stress and plastic zone，et al，the results show that the filling body is able to maintain the stability of the stope and the filling material cost is lower，when the cement-sand ratio is 1：8.The research results have certain significance on mine-filling works.

cemented fill；deformation characteristic；numerical simulation；ratio optimization；mechanical response of surrounding rock

2017-02-20 责任编辑：刘艳敏

李龙福(1986-)，男，硕士研究生，工程师，主要从事采矿工程、岩土力学等方面的研究工作。

TD823.7

A

1004-4051(2017)06-0107-05