充填采矿方法在不同围岩条件下的研究

杜玉锋

摘 要：通过对充填高度，充填强度和才开路径进行研究，发现：开采前期开采区顶板位置出现最大沉降，随开采深度增加，最大沉降向左移动，主要由于倾斜状采矿体和开采层中心移动导致的。开采完成后，在开采区顶板左侧出现最大沉降，处于较大危险区域，实际生产过程中易出现坍塌事故，采用一次充填高度为1.5m，一次充填体强度为3.0MP，开采顺序为隔一采一，为较优开采方案。

1 前言

随着社会经济结构的快速变化，我国经济快速发展，对于资源的需求量快速增加，随着国家对资源需求量的不断上升，一些浅埋的矿产资源已经被充分开发，为满足 资源需求，必须将更深层的矿产资源开发利用，这将导致开采施工处于更加艰难的处境。 在地下深埋矿产资源开发的实际工程中，控制围岩稳定性尤为重要，近些年的实际工程中，矿山灾害事故频频发生。

2 采矿方法研究

2.1 洞室围岩压力计算

隧道开采后，顶部围岩失稳，形成压力拱，隧道围岩上的支护压力为岩石的自重。压力拱高可以通过二次抛物线来确定，如下式：

2.2洞室围岩压力数值模拟计算

采用有限差分数值模拟软件FLAC模拟围岩应力值，将数值模拟解与应力解析解对比法分析可知：充填压力分别取3.0MPa、3.5MPa和 4.0MPa进行对比发现，采用平面应变模型，四周边界均超过开采区域5倍尺寸。

通过上述对比可知，解析解与模拟解之间的差值较小，垂直应力的差值分别为4.53%、6.06%和4.14%，与经验公式计算值的差值分别为2.21%、6.11%和3.94%;水平应力差值分别为1.02%、6.47%和5.95%，与经验公式计算值的差值分别为2.21%、6.11%和2.81%。理论计算结果与数值模拟结果相差不多，理论验证可保证模拟结果的准确性，确保后续模拟的可行性。

2.3六边形洞室压力数值模拟验证

为验证数值模拟的准确性，采用有限差分软件FLAC3D对围岩洞室的应力值进行模拟，充填体抗压强度设置为1.5MPa、2.0MPa和2.5MPa。设置模型四周边界条件为5倍边界尺寸，施加0.8MPa顶部荷载，底端固定。

对比理论与数值计算结果可知，理论计算结果与数值计算结果误差较小，抗压强度为1.5MPa时，差值为7.84%，抗压强度为2.0MPa时，差值为7.79%，抗压强度为2.5MPa时，差值为7.69%，较好的反应了六边形巷道周围应力分布情况。

3 垂直交叉法开采矿产对围岩稳定性影响

3.1优化方案设计

为了探究不同影响因素对模型优化的影响，对一次充填高度、充填体强度，二次充填体强度及围岩开采顺序四个因素进行探讨，具体研宄方案见表3。

3.2充填高度对采矿稳定性影响

对充填高度1.0m、1.25m和1.5m进行分析，较为符合实际开采情况。

3.2.1围岩变形规律分析

开挖到step1时，在开采路径四周围岩发生较大变形，顶部沉降最大为18.11mm，底部出现底鼓现象，最大底鼓值约5mm。开挖到step10时，开采区顶板处出现最大沉降。开挖到step30时，底鼓区域出现向下延伸现象，最终在开采区顶板左端及上盘位置出现变形最大值沉降为144.15mm，表明该处围岩在开挖过程中容易产生塌落现象。

3.2.2围岩应力场分析

开挖step1时，开挖路径周围压应力为0.25MPa呈环状分布，开挖step10时，开挖路径上部承受压应力约为0.45MPa，下部岩层承受压应力约为0.65MPa，分部于开采区两侧。开挖step30时，进路应力与开采深度成正比关系，上部被充填体取代的岩体约受0.75MPa压应力，左下部最大应力区域随开采深度增加向下移动，且最大受压区域面积逐渐增大。

4 结论

（1）通过以上分析可知：开采前期开采区顶板位置出现最大沉降，随开采深度增加，最大沉降向左移动，主要由于倾斜状采矿体和开采层中心移动导致的。开采完成后，在开采区顶板左侧出现最大沉降，处于较大危险区域，实际生产过程中易出现坍塌事故。

（2）通过分析在保证安全和经济条件下，采用一次充填高度为1.5m，一次充填体强度为3.0MP，开采顺序为隔一采一，为较优开采方案。

参考文献

[1]刘海，葛启发，王志远，朱维根，张爱民.高寒矿井复杂难采矿体采矿方法研究与选择[J].中国矿山工程，2020，49（01）：1-5.

[2]賈志成，唐文洋.六边形进路开采方式下空间分布对围岩应力转移影响关系[J].青岛理工大学学报，2019，40（05）：28-36.