司家营铁矿急倾斜厚大矿体大规模空场嗣后充填开采数值模拟*

翟会超 胡巍巍

(河北钢铁集团矿业公司)

司家营南区作为国内设计年产1 500万t级的急倾斜厚大地下大水贫铁矿，矿区总长10 km，地质总储量约14.5亿t，平均品位30.9%，矿体倾角55°，厚度150～300 m，矿体上部赋存100～120 m厚的第四系含水层，矿区内断裂构造较发育，是影响矿坑充水的潜在危害，地表又有良田、村庄、河流，给地下铁矿石安全开采提出更高的要求。采用空场嗣后充填法进行矿石资源回采，一二步矿房依次采用胶结材料和全尾砂材料进行嗣后充填。大规模地下开采活动势必造成地压规律变化，进而影响矿体围岩、矿房矿柱以及充填体自稳性，对矿山安全开采构成了严重威胁[1-2]。为确保矿井安全开采，有必要对矿井大规模开采的稳定性和安全性进行研究。

1 UDEC模型构建与参数取值

针对司家营南区矿区断裂构造的发育特点及岩体力学特征，本研究采用UDEC软件对大规模开采影响范围内的非连续介质进行模拟计算，分析地下资源开采扰动带来的地压变化，进而分析规模化开采对司家营南区矿体及围岩稳定性的影响。通过对井下矿体进行大结构参数设计，将矿块分为一、二步矿房间隔开采，采用胶结及全尾砂充填采空区，矿块内矿房沿垂直矿体走向布置，矿房长度为50～52 m，宽度为20 m，阶段高度为50 m，采用平行下向深孔爆破崩矿[3-5]。图1为UDEC模型为平面二维模型[6-8]，设计模型X方向长度为0～1 200 m，Y方向长度为0～815 m，模型攻涉及了第四系松散岩、风化带、矿体、围岩等岩性和7组优势结构弱面，其中，岩石材料物理力学参数和结构面力学参数分别见表1、表2，胶结充填材料和全尾砂充填材料的物理力学参数见表3。

图1 节理模型

表1 岩石材料力学参数

表2 节理面力学参数

表3 井下充填体物理力学参数

2 数值计算结果

根据分步矿房空场嗣后充填以及胶结材料、全尾砂材料的充填体特点，重点分析开采活动引起的大范围地应力重分布以及地压变化引起的位移变化特征。

2.1 应力分析

利用UDEC软件对非连续介质模型中的一步矿房进行开采模拟，分析因一步矿房回采引起的应力重分布，结果见图2、图3。

图2 水平应力云图

图3 垂直应力云图

分析图2可知：由于一步矿房回采，使得矿体围岩应力场乃至地表以下矿岩应力场发生了重新分布，形成了一个由二步矿房矿柱支撑的连跨矿房群拱形承载结构作用场，该拱结构存在3个应力集中区域，分别位于回采矿块(矿体)上盘边界、矿块(矿体)下盘边界、风化带岩层，压应力集中值达到6 MPa，受拱形承载机理影响，回采矿块垂直上部的第四系地表区域均显示出压应力场的分布作用，未出现拉应力区，对于确保回采矿块上覆岩层稳定性有利。由3个应力集中区位置分析可知，该拱结构即为不可逆三铰拱结构，跨度(矿体水平厚度)L与拱失f近似相等，由于二步回采矿房矿柱的支撑作用使得回采一步矿房直接顶板未出现拉应力区，仅表现出弱压应力，对直接顶板有利。

由图3可知：最大垂值压应力(20 MPa)作用于矿体上下盘边界处，易于形成上下盘承压结构破损，进而导致该不可逆三铰拱结构发生破坏，影响顶板及围岩稳定性，甚至引发冒落，上下盘边界为危险部位。

在上述分析的基础上，对一步矿房胶结充填、二步矿房开采，以及二步矿房回采后全尾砂充填的主应力分布情况进行了分析，结果见图4、图5。

图4 二步矿房充填前主应力分布

分析图4、图5可知：一步矿房胶结充填后，对二步矿房矿柱进行回采后出现了矿块及围岩全范围压应力场区，上下盘处最大压应力高达40～50 MPa，一步胶结充填体承受的最大压应力为15 MPa，并在上覆顶板存在一显著拱形支撑结构，拱失f近似等于矿块的水平宽度L(开采矿体厚度)，表明一步胶结充填体正与顶板、上下盘围岩自适性拱形支撑结构协同维稳，须对二步回采矿房及时进行全尾砂快速充填。

图5 二步矿房充填后主应力分布

对比分析二步充填前的应力场特点可知，最大主压应力在上下盘处有所降低(35～45 MPa，降幅为10%～12.5%)，最小主压应力在上下盘处则有所增加(10～12 MPa)，对于岩石材料而言，由于二步矿房尾砂充填体的作用使地压作用得到缓解。但在第四系和风化带交接处衍生出1处高压应力集中区，以及在风化带内形成了长带形主拉应力区。

2.2 位移分析

分析图6可知：一步矿房回采后，采场顶板垂直上覆岩层移动最为严重，矿块中心两侧各80 m，共160 m范围内的地表沉降达到了0.2 m以上，最大值为0.28 m。应对该范围内的地表建构筑物进行长期观测，并设置地表导线测点。

图6 地表沉降观测

一步矿房胶结充填后，矿房顶板位移分布特征如图7所示。该图揭示了在胶结充填体支撑作用的下，由于大规模矿房群采活动带来的地应力重分布，使得矿块顶板出现了0.5～2.0 m的不均匀正态分布沉降。故需提前在矿块矿房回采前对采场顶板进行支护处理，以防矿房凿岩硐室、顶板遭受破坏，并确保采空区充填接顶质量。

根据井下开采引发的地压分布特点和位移变化特征，针对矿体上下盘交接处的高应力集中区、采场顶板及地表沉降问题，应在矿体上下盘采用中空注浆锚杆联合网喷技术进行支护，在加强承载能力的同时防止矿体与围岩交接处突发涌水，运用中空注浆锚索联合网喷技术进行矿块顶板加固，并充分利用外部加固和矿岩及充填体协同维稳技术共同确保矿井安全开采。此外，还需对矿井开采影响范围内的地表及地表附着物进行长期跟踪监测。

图7 垂直位移

3 结 论

(1)针对司家营大规模地下铁矿开采，将优势结构弱面转化为二维平面产状数据信息构建的UDEC离散元数值模型，对于研究群采矿房围岩地压分布规律及其稳定性可靠性较强。

(2)矿房群回采过程中，在采场顶板岩层中存在一显著拱形承压结构，其拱失近似等于回采水平的总跨度，表明充填体与矿房矿柱、采场顶板、上下盘围岩实现了协同维稳。

(3)最终高应力集中在上下盘处，为40～50 MPa，一步胶结充填体承压近15 MPa，且顶板沉降量达0.5～2.0 m，需在矿房回采前对顶板及上下盘交接处进行联合支护，以避免矿体围岩遭受破坏。

(4)二步矿房回采充填后，采场周围地压集中得到缓解，但在第四系、风化带交接处及风化带内部衍生出1处高压应力集中区和长带形主拉应力区，故应对地下水和断层裂隙带进行监测，防范突发涌水。

(5)针对该矿井下大规模开采，矿体上部地表与矿房顶板易发生不均匀沉降的问题，需对采场顶板和地表进行长期观测。