伪倾斜分段条带充填采矿法采场稳定性分析

曾佳龙，周勇，高新，贺保龙，郭虎强，刘琼，王金连

(1.中蓝长化工程科技有限公司， 湖南 长沙 410007； 2.湖南中矿资安工程技术有限公司， 湖南 长沙 410007)

0 引言

云南某矿地层由新至老主要为第四系（Q）、二叠系下统倒石头组（P1d）、石炭系中统威宁组（C2w）、石炭系下统大塘组（C1d）、泥盆系上统宰格组（D3z）、泥盆系中统海口组（D2h）、寒武系下统沧浪铺组（∈1c）、筇竹寺组（∈1q)、中谊村组（∈1z)及渔户村组（∈1y)。矿层位于寒武系下统中谊村组，中谊村组一段中共发育两层矿，即上矿层和下矿层，上、下两矿层均具有工业价值，在两层矿间还发育有一层黏土质页岩夹层，即开采矿体总体分为上、下矿层及中部夹层共三层。

矿总体为一向南东缓倾斜的单斜构造，矿层产状较稳定，其产状与上覆地层基本一致，矿层产状一般为走向NE～SW，倾向SE，倾角一般为2°～31°，平均倾角为15°，开采范围内仅有局部区域倾角大于20°。矿区内断裂构造不发育，对矿层影响不大。

由于矿体赋存特殊，即埋深浅且有两层矿发育，同类型矿山在云南地区开采实例较少，无可提供参考借鉴的工程经验。本文借助有限元软件Midas-GTS及有限差分软件FLAC3D对该磷矿采场结构参数进行模拟，研究分析不同采场结构参数下的采场顶底板及矿柱的应力应变情况，为科学确定采场结构参数提供依据和理论支撑。

1 开采技术条件及采矿方法

矿体顶板为白云岩、含磷白云岩，裂隙发育，风化弱，性脆易碎，岩石质量极劣-中等，岩体破碎-中等完整，稳定性较好；上覆岩层岩性为细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩，地表裂隙发育，深部不发育，岩体质量劣-好，岩体完整性浅部差，中部较完整，稳固性较好；底板岩层为寒武系下统渔户村组白云岩、硅质白云岩，风化弱，性脆易碎，岩石质量极劣-好，岩体破碎-较完整，稳固性好。

设计开采范围内矿层平均厚度为12.37 m。其中，上矿层根据单工程统计结果显示，厚度为2.62～12.69 m，平均厚度为6.7 m，厚度变化系数为33%，属稳定类型；夹层岩性为灰白、黄色黏土，厚度为0～3.15 m，平均为1.01 m，呈不连续分布，与上、下矿层均为过渡渐变的整合接触关系；下矿层根据单工程统计结果显示，厚度为0.34～12.77 m，平均厚度为5.67 m，厚度变化系数为36%，属稳定类型。

根据矿体开采技术条件以及地表环境保护的要求，设计推荐盘区式伪倾斜分段条带充填采矿法，各岩层岩石力学参数见表1，采矿方法见图1。设计的回采工艺采用下行式开采顺序，倾向上先开挖下层矿体，充填后再开挖上层矿体，夹层剔除 处理。

2 数值模拟分析

2.1 有限元法模型建立及模型开挖布置

以伪倾斜分段进路采矿法一个盘区为计算模型，走向长为610 m，倾向宽度为385 m，矿房结构参数：长×宽×高=16 m×8 m×5 m，矿房矿柱 结构参数一致。模拟计算时，矿体埋深选取220 m，采用Mohr-Coulomb本构模型，且根据矿井资料结合现场情况，预计地应力场为水平应力为主导的构造应力场，取模型中矿体下部的初始应力为sxx=syy=1.5szz=11.6 MPa。几何模型如图2所示。

表1 岩体物理力学性能参数

图1 伪倾斜分段条带充填采矿法三维示意

图2 伪倾斜分段条带采矿法采动模拟与稳定性分析模型

本次针对下层矿体回采过程中的应力、位移情况进行模拟分析。

（1）第一步骤: 先开采5个矿房；

（2）第二步骤: 充填第一步骤回采矿房并同时开采剩余矿房；

（3）第三步骤: 充填第二步骤回采矿房并同时开采5个矿柱；

（4）第四步骤: 充填第三步骤回采矿柱并同时开采剩余矿柱。

2.2 有限差分法模型建立及开挖

2.2.1 数值模型范围及基本假定

数值模型范围大小及单元划分对数值模拟结果的精度及可靠性有着十分重要的影响。本次模型建立进行的简化处理如下：

（1）将岩体视为连续均质、各向同性的力学介质。

（2）忽略小断层、节理裂隙等不连续面对矿体开采的影响。

（3）计算过程只对静荷载进行分析且不考虑岩体的流变效应，不考虑地下水、地震和爆破振动对采场稳定性的影响。

（4）井下的开拓巷道、采场工程等对采空区围岩力学状态的影响只在局部区域，故在数值模拟中忽略其对采空区围岩应力分布的影响。

2.2.2 原岩应力场及边界条件

2.2.2.1 应力场

由于云南某矿尚未进行地应力测量，并且云南某矿属于露天转地下矿体，埋深较浅，构造应力影响较小，因此结合云南某矿矿体赋存条件和矿山实际，本次模拟主要考虑自重应力。

2.2.2.2 边界条件

由于开挖扰动范围有限，较远处的岩体位移值很小，可将边界模型处位移视为0。

此次采空区模型取为：取地表为上边界，以X轴为法线的立面为左右界面，以Y轴为法线的立面为前后界面，以Z轴为法线的立面为上下界面。对于约束问题，为了与实际情况相符合，将模型中的上表面设为自由边界（即真实边界），其他5个面都施加了约束。

2.2.2.3 初始应力场模拟结果

在地应力生成过程中，不加任何位移速度边界条件，而在各个表面添加应力边界，两高程之间的应力采用等差分布。程序先自动采用弹性模型进行求解，并增大模型的黏聚力和抗拉强度，直至体系达到应力平衡状态，接着将黏聚力和抗拉强度重置为初始设定值进行塑性阶段的求解，直至体系最终达到力平衡状态。经过两次计算循环过程后，此时，表面的应力场己逐步扩散到整个计算模型内，可得到初始地应力场。

本次采用Mohr Coulomb塑性体模型，盘区、采场基本参数及开挖步骤同有限元模型，模型见 图3。

图3 模型示意

2.3 采动模拟及采场稳定性分析

2.3.1 位移沉降分析

采用伪倾斜分段进路采矿法，各步骤开采结束后矿房充填体顶部、底部的位移及变形特征情况见表2。由图4可得出，采用伪倾斜分段进路采矿法第四步骤开采结束后矿房充填体顶部体现为受压变形，最大位移沉降量为6.95 mm；矿房充填体底部体现为受拉变形，最大位移变形量为3.89 mm。 同时由于充填体力学强度达不到原岩强度，最大位移分布区域分布更为明显，受拉变形最大位移区占17.5%。

表2 各步骤开采位移沉降

图4 第四步骤开采位移沉降

2.3.2最大主应力分析

采用伪倾斜分段进路采矿法各步骤开采结束后，最大主应力在矿房开挖后重新分布，矿房充填体顶部、底部的受力情况见表3。由图5可得出，第四步骤开采结束后最大主应力重新分布，全部体现为压应力，最大值为11.6 MPa。

2.3.3 最小主应力分析

由图6可得出，最小主应力在回采后重新分布，已回采矿柱周围矿房充填体所受最小主应力大于已充填矿柱周围矿房充填体所受最小主应力，且最小主应力主要体现为压应力，最大值为7.94 MPa，局部体现为拉应力，最大值为0.11 MPa，最小主应力最大值表现区域明显增大。

表3 各步骤开采应力分布

图5 第四步骤开采最大主应力分布

图6 第四步骤开采最小主应力分布

2.3.4 采动模拟及采场稳定性分析小结

综合分析可知，伪倾斜分段进路法多个采场同采时，各采场顶板主要受压应力作用而产生位移变化，最大值为6.95 mm；采场底板主要受拉应力作用而产生位移变化，底板上鼓的最大位移为4.21 mm，随着回采采场数目的增加，最大主应力有增大趋势，主要体现为压应力，最大值为20.1 MPa，且最大值分布区域也明显增加。同时随回采采场数目的增加，最小主应力也有增大趋势，主要体现为压应力，最大值为8.02 MPa，且最大值分布区域也明显增加。由以上分析可知，采用伪倾斜分段进路法开采下层矿体时，矿柱顶板及周围区域均处于受压状态，并未出现拉应力，且最大压应力小于抗压强度，说明矿体采出后，采场顶板较为稳定。但由于下层矿体直接顶板为夹层，夹层在首采区零星分布，开采过程中连通矿体一起开采，部分剔除，因此下层矿直接暴露顶板为上层矿体，通过模拟分析，位移变形和最大主应力处于安全范围内。另外，随着开采采场数目的增多，各采场顶板沉降量呈增大趋势，说明各采场开采引起的岩体扰动会影响其他采场。采后各采场顶板最大沉降量较小，说明达到设计同采采场数目时，采场稳定性较好。

2.4 采场参数的数值模拟研究

位移是评价地下采场稳定最直观的方式，通过分析模型Z方向位移变化，可直观看出采场上下盘围岩位移变形情况。

采用伪倾斜条带分段充填采矿法，分段内沿伪倾斜布置条带，条带宽度考虑6 m、8 m、10 m、12 m四种方案进行数值模拟分析，对上述理论计算的采场结构参数进行验证分析。10 m、12 m模拟结果见图7至图10，其他结果省略。

图7 10 m条带位移计算结果图

图8 10 m条带应力计算结果图

图9 12 m条带位移计算结果图

图10 12 m条带应力计算结果图

由上述分析可以看出，条带进路宽度为6 m、8 m与10 m三者间的变化幅度相差不大，但采用条带宽度为12 m时，由于暴露面积太大使得采场的位移与拉应力显著增加，计算数值是条带宽度前 三者的两倍以上，说明采场条带宽度不超过10 m较好。

3 结论

基于Midas-GTS有限元分析及FLAC3D有限差分，对伪倾斜分段条带充填采矿法在不同条带宽度等情况下各采场顶板因受压应力作用而产生位移 的变化的情况，可得出如下结论。

（1）采用伪倾斜分段进路法开采下层矿体时，矿柱顶板及周围区域均处于受压状态，并未出现拉应力，且最大压应力小于抗压强度，说明矿体采出后，采场顶板较为稳定。但由于下层矿体直接顶板为夹层，夹层在首采区零星分布，开采过程中连通矿体一起开采，部分剔除，因此下层矿直接暴露顶板为上层矿体，通过模拟分析可知，位移变形和最大主应力处于安全范围内。

（2）条带进路宽度为6 m、8 m与10 m三者间的变化幅度相差不大，但采用条带宽度为12 m时，由于暴露面积太大使得采场的位移与拉应力显著增加，计算数值是条带宽度前三者的两倍以上，说明采场条带宽度不超过10 m较好。