馬小龍

（吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林長(zhǎng)春130103）

礦山采場(chǎng)回填的應(yīng)力拱效應(yīng)數(shù)值分析

馬小龍*

（吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林長(zhǎng)春130103）

為了深入研究采礦法回填時(shí)的應(yīng)力分布特征，通過(guò)對(duì)礦山采場(chǎng)回填進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，充分研究礦山回填彈塑性應(yīng)力分布，說(shuō)明應(yīng)力拱效應(yīng)存在，研究了回填寬度改變對(duì)其分布的影響。

回填采場(chǎng)；數(shù)值模擬；拱效應(yīng)

充填采礦法在礦山上應(yīng)用已數(shù)十年，隨著回采工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)送入充填材料，以進(jìn)行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動(dòng)，并在形成的充填體上或在其保護(hù)下進(jìn)行回采。本法適用于開(kāi)采圍巖不穩(wěn)固的高品位、稀缺、貴重礦石的礦體；地表不允許陷落，開(kāi)采條件復(fù)雜，如水體、鐵路干線、主要建筑物下面的礦體和有自燃火災(zāi)危險(xiǎn)的礦體等；也是深部開(kāi)采時(shí)控制地壓的有效措施。充填法的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、礦石回采率高、貧化率低、作業(yè)較安全、能利用工業(yè)廢料、保護(hù)地表等。

采場(chǎng)回填中，通常利用尾礦添加一定的粘合劑（水泥）作為回填材料，控制粘合劑添加量對(duì)保證回填穩(wěn)定性和降低回填成本十分重要，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得回填材料及圍巖的應(yīng)力分布，進(jìn)行合理的回填設(shè)計(jì)。因此回填的應(yīng)力分析成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

采場(chǎng)回填設(shè)計(jì)的前提是準(zhǔn)確獲取其應(yīng)力分布特征，因此應(yīng)力分布及其影響因素研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得回填材料及圍巖的應(yīng)力分布。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)回填應(yīng)力具有明顯的應(yīng)力拱效應(yīng)，其分布與排水及采場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和回填材料參數(shù)密切相關(guān)。2005年Sivakugan等人和Rankine等人討論研究了地下礦山采場(chǎng)在充填方向的最新發(fā)展。拱效應(yīng)通常出現(xiàn)在當(dāng)部分摩擦性材料已經(jīng)屈服而臨近的材料卻保持原樣時(shí)，隨著屈服性材料在穩(wěn)定的未屈服區(qū)域擴(kuò)展，而沿著接觸面的抗剪力和沿著接觸區(qū)域產(chǎn)生的剪應(yīng)力抵抗在屈服性材料中相關(guān)的擴(kuò)展，往往使屈服性材料不再擴(kuò)展。這種因降低了屈服性材料中垂直正應(yīng)力而產(chǎn)生的現(xiàn)象為拱效應(yīng)。因此當(dāng)全面進(jìn)行回填工作時(shí)，研究拱效應(yīng)是很重要的，可以比較準(zhǔn)確的估計(jì)出回填過(guò)程中的垂直應(yīng)力。

大量分析研究表明，由于應(yīng)力拱的存在，采場(chǎng)回填材料中的垂直應(yīng)力分布明顯小于按照自重計(jì)算的應(yīng)力。因此在進(jìn)行全面回填這種情況前，要先進(jìn)行拱效應(yīng)的研究。1930年，馬斯通分析模型估計(jì)了采場(chǎng)回填中的平均垂直應(yīng)力分布公式，對(duì)于無(wú)粘性填料采場(chǎng)垂直和水平應(yīng)力的計(jì)算方法如下：

式中：φ——回填料內(nèi)摩擦角；

μ——巖體和回填料間的摩擦系數(shù)，μ=tanδ；

δ——壁面摩擦角，（介于1/3φ和1/2φ之間）；

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

總之，國(guó)內(nèi)外圍繞采場(chǎng)回填開(kāi)展了大量研究工作，國(guó)內(nèi)的研究主要圍繞施工設(shè)計(jì)及初步分析，國(guó)外對(duì)采場(chǎng)回填應(yīng)力分析開(kāi)展了大量研究，較好地分析了采場(chǎng)回填的應(yīng)力分布狀況，對(duì)排水效應(yīng)的研究是近年的趨勢(shì)。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究礦山回填采場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力變化及影響因素分析，模擬出隨深度變化應(yīng)力分布的應(yīng)力拱效應(yīng)。

1　礦山采場(chǎng)回填的彈塑性應(yīng)力分布及參數(shù)影響

數(shù)值模擬模型的采場(chǎng)填土深度為45m，填土寬度為6m，自然壓力為q，左右分布各20m寬的巖體，頂部距地表10m，填土空間為0.5m。

表1給出了計(jì)算所用的有關(guān)巖石和回填體的物理力學(xué)參數(shù)。在模擬中，假定周?chē)鷰r體是均質(zhì)的、各向同性、線彈性體，填土假定為摩爾庫(kù)倫材料。回填體密度、彈性模量、泊松比均低于巖體，且為無(wú)粘性土，內(nèi)摩擦角為30°。

數(shù)值模擬時(shí)首先按照給出的幾何參數(shù)建立數(shù)值模型，給材料賦值之后，進(jìn)行邊界條件設(shè)定。為了表征實(shí)際條件和原位上的自然應(yīng)力，又考慮到模型簡(jiǎn)化，在進(jìn)行模擬時(shí)，需要考慮到采場(chǎng)上方巖體的自重。在自重作用下達(dá)到初始平衡之后，進(jìn)行開(kāi)挖操作。采用5次分層逐步回填，一次回填9m。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1　采場(chǎng)回填的幾何模型

2　礦山采場(chǎng)回填的應(yīng)力分布分析

礦山采場(chǎng)回填應(yīng)力分布圖（圖2）中，可以看到采場(chǎng)內(nèi)部和周?chē)鷰r體的垂直應(yīng)力分布情況，并明顯看出回填采場(chǎng)內(nèi)部存在著拱效應(yīng)現(xiàn)象。圖3是回填體垂直應(yīng)力的分析結(jié)果，從圖3可以看到，回填采場(chǎng)中距采場(chǎng)頂部1/4深度里，垂直應(yīng)力與上覆壓力相差不大，而之后隨著深度的繼續(xù)增加垂直應(yīng)力明顯小于上覆壓力（簡(jiǎn)單表示為填土深度和單位重量的乘積），并在最后保持一定值。

表1　巖體和回填體的物理力學(xué)參數(shù)

圖2　采場(chǎng)回填應(yīng)力拱分布圖

圖3　充填體內(nèi)豎向應(yīng)力分析結(jié)果

3　礦山采場(chǎng)回填的應(yīng)力分布的參數(shù)影響

在進(jìn)行拱效應(yīng)研究之后，我們通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的改變，獲取不同參數(shù)對(duì)回填采場(chǎng)豎向應(yīng)力分布規(guī)律的影響。這里先介紹采場(chǎng)寬度及回填材料內(nèi)摩擦角的影響。

設(shè)置4種不同的采場(chǎng)寬度B進(jìn)行計(jì)算，依次取B 為6m、10m、15m、20m4種情況的采場(chǎng)中心處的豎向應(yīng)力曲線，如圖4所示。

圖4　采場(chǎng)寬度對(duì)豎向應(yīng)力的影響

從采場(chǎng)寬度B的變化對(duì)垂直應(yīng)力的影響（圖4）可以看到，采場(chǎng)寬度對(duì)垂直應(yīng)力的影響很明顯，B=20m回填采場(chǎng)的垂直應(yīng)力曲線與上覆壓力最接近，相反B=6m的回填采場(chǎng)的垂直應(yīng)力曲線與上覆壓力相差很大。也就是說(shuō)，回填采場(chǎng)寬度越窄，回填體內(nèi)部的拱應(yīng)力現(xiàn)象越明顯，回填采場(chǎng)底部的垂直應(yīng)力越小。

4　結(jié)論

通過(guò)垂直采場(chǎng)回填過(guò)程進(jìn)行了彈塑性模擬分析，驗(yàn)證了回填采場(chǎng)拱效應(yīng)的存在。并給出了采場(chǎng)寬度對(duì)垂直應(yīng)力拱效應(yīng)的影響。即回填采場(chǎng)寬度越窄，回填體內(nèi)部的拱應(yīng)力現(xiàn)象越明顯，回填采場(chǎng)底部的垂直應(yīng)力越小。由于實(shí)際采場(chǎng)回填中出現(xiàn)了多年后采場(chǎng)回填塌陷的現(xiàn)象，說(shuō)明時(shí)間效應(yīng)對(duì)回填應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生較大影響。今后將進(jìn)一步對(duì)粘彈性體的回填應(yīng)力及時(shí)間效應(yīng)的影響進(jìn)行深入研究。

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TD164

A

1004-5716（2016）03-0100-03

2015-12-15

2015-12-21

馬小龍（1971-），男（漢族），遼寧昌圖人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。