徐衛(wèi)東， 張永亮， 陳曉利， 楊 勇， 吳 迪

（1.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000； 2.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520； 3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471023； 4.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083； 5.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

膠結(jié)充填是一種既能解決地表尾礦堆存問題，又能控制采場地壓、提高回采率，同時(shí)防止地表沉陷的采空區(qū)處理方式［1－2］。 充填采礦法在金屬非金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用［3－4］，但充填成本高依然是阻礙膠結(jié)充填更大范圍應(yīng)用的因素之一。 在以水泥為膠結(jié)劑的膠結(jié)充填采礦法中，水泥成本占到總充填成本的60%～80%［5］，因此控制充填成本通常從減少水泥用量和尋求低成本、高性能膠結(jié)充填材料兩方面著手。 主流的膠結(jié)充填材料包括堿激發(fā)膠凝材料［6］、高水材料、膠固粉［7］等，根據(jù)充填材料性質(zhì)的不同，可以選擇合適的膠凝材料［8］。 水泥作為膠結(jié)充填中的主要膠結(jié)材料，對(duì)充填體強(qiáng)度有重要影響［9－11］，且充填體強(qiáng)度與料漿中水泥摻量成正相關(guān)［12］。 根據(jù)強(qiáng)度需求，針對(duì)不同充填部位使用不同強(qiáng)度的充填體能在一定程度上減少水泥用量，降低充填成本。 比如，在上向水平分層充填采礦法中，對(duì)礦房使用高強(qiáng)度充填體充填，礦柱則使用低強(qiáng)度充填體充填。 本文以廟嶺金礦某采空區(qū)為例，通過數(shù)值模擬方法，研究了在不改變現(xiàn)有采場參數(shù)和充填體參數(shù)基礎(chǔ)上，使用高強(qiáng)度充填體充填礦房、低強(qiáng)度充填體充填礦柱（簡稱混合強(qiáng)度充填體充填）處理采空區(qū)的可行性。

1 工程概況

廟嶺金礦位于河南省洛陽市西南約89 km 處的嵩縣大章鄉(xiāng)東灣村，礦巖以流紋巖和碎裂巖為主，其中流紋巖及凝灰熔巖一般致密、堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，穩(wěn)固性較好。 礦體主要為層狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較好，局部礦段硅化較強(qiáng)，巖石致密堅(jiān)硬，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD 值）大于50%，礦體巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)，巖體為較完整結(jié)構(gòu)。 本文所選采場埋深312 ～352 m，使用上向水平分層充填采礦法。 采場所在礦體平均傾角27.5°，平均水平厚度39.38 m，平均真厚度18.19 m。

2 數(shù)值模型建立與設(shè)定

2.1 構(gòu)建模型

COMSOL Multiphysics 是一款先進(jìn)的、功能強(qiáng)大的有限元模擬軟件，能有效模擬和解決巖土力學(xué)問題。根據(jù)已有地質(zhì)勘探資料和采場參數(shù)確定了建立幾何模型所需參數(shù)，見表1。

表1 采場參數(shù)

按表1 所示參數(shù)，以1 ∶1建立如圖1 所示的幾何模型，模型尺寸（長×寬×高）為700 m×400 m×500 m。模型以垂直礦體走向?yàn)閄方向、礦體走向?yàn)閅方向、豎直向上為Z方向。

圖1 數(shù)值模擬幾何模型

2.2 確定模擬方案

為了驗(yàn)證在不改變現(xiàn)有采場參數(shù)和充填體參數(shù)條件下配合使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案的可行性，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比不同采空區(qū)處理方案的巖層應(yīng)力分布情況和位移分布情況，具體數(shù)值模擬方案如下：

1） 模擬計(jì)算礦體開采前巖層應(yīng)力分布，為后續(xù)模型應(yīng)力平衡提供數(shù)據(jù)。

2） 模擬計(jì)算礦體開采后不充填采空區(qū)情況下采空區(qū)附近及巖層應(yīng)力、位移分布。

3） 模擬計(jì)算礦體開采后使用高強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)時(shí)充填體附近及巖層應(yīng)力、位移分布。

4） 模擬計(jì)算礦體開采后使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)時(shí)充填體附近及巖層應(yīng)力、位移分布。

5） 通過對(duì)比各采空區(qū)處理方案的應(yīng)力、位移分布情況得出結(jié)論。

不同充填體配比參數(shù)見表2。

表2 充填體配比參數(shù)

為了更直觀觀測采空區(qū)及充填體附近及其巖層的應(yīng)力、位移分布，在與礦塊底部垂直距離20 m、50 m 和80 m 處設(shè)置了高度h分別為20 m、50 m 和80 m 共3組水平截面，同時(shí)在礦塊的合適位置設(shè)置了垂直截面。各截面布置示意如圖2 所示。

圖2 觀測截面布置示意

2.3 邊界條件和物理參數(shù)設(shè)置

模型中用到的具體邊界條件設(shè)置見表3。 數(shù)值模擬中需要用到的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表3 模型邊界條件設(shè)置

表4 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 礦體開采前巖層應(yīng)力分布

圖3 為礦體未開采時(shí)模型整體應(yīng)力分布云圖。 從圖3可以看出，巖層中應(yīng)力分布均勻，無明顯應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約為10 MPa；隨著埋深加大，巖層中應(yīng)力值也逐步均勻增長，且同一埋深的水平面應(yīng)力大小相近。

圖3 礦體開采前模型整體應(yīng)力分布

3.2 礦體開采后巖層應(yīng)力分布

圖4 為采用不同方案處理采空區(qū)后模型整體應(yīng)力分布云圖。 對(duì)比開采前巖層中應(yīng)力分布情況，3種采空區(qū)處理方案都出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中，主要出現(xiàn)在采空區(qū)附近或充填體與圍巖交界處附近。 采用不充填采空區(qū)方案時(shí)，巖層中最大應(yīng)力由未開采時(shí)的10 MPa升至約36 MPa；而采用高強(qiáng)度充填體和混合強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)時(shí)其巖層中最大應(yīng)力分別約為15 MPa 和16 MPa，說明相較于不充填采空區(qū)方案，采用高強(qiáng)度充填體或混合強(qiáng)度充填體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理都能有效減弱巖層中的應(yīng)力集中。 同時(shí)可以看到，在遠(yuǎn)離采空區(qū)或充填體區(qū)域，巖層應(yīng)力分布與礦體開挖前巖層應(yīng)力分布接近。 這主要是因?yàn)榈V體開采破壞了原有應(yīng)力平衡，應(yīng)力需要重新分布達(dá)到新的平衡，這會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)附近一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力增高區(qū)或應(yīng)力降低區(qū)，超出該區(qū)域范圍的區(qū)域則表現(xiàn)為原巖應(yīng)力。

圖4 不同處理方案下模型整體應(yīng)力分布

圖5 和圖6分別為采用不同方案處理采空區(qū)后垂直截面和h＝20 m 截面應(yīng)力分布云圖。 從圖5 ～6可以看出，采用3種采空區(qū)處理方案處理采空區(qū)后，巖層中應(yīng)力分布呈現(xiàn)出相同規(guī)律。 從垂直截面來看，在采空區(qū)或充填體上方和底部形成應(yīng)力降低區(qū)，在采空區(qū)或充填體兩側(cè)則會(huì)形成應(yīng)力增高區(qū)；礦體上盤巖層相當(dāng)于其下部采空區(qū)或充填體上方巖層，礦體下盤相當(dāng)于其上部采空區(qū)或充填體下方巖層，故水平截面左右兩側(cè)為應(yīng)力降低區(qū)、前后兩側(cè)為應(yīng)力增高區(qū)。 從截面應(yīng)力分布云圖來看，由于充填體強(qiáng)度低于礦巖，承受的應(yīng)力也低。 值得注意的是，使用混合強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)時(shí)，礦房充填體和礦柱充填體承受的應(yīng)力有所差異。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是礦柱充填體強(qiáng)度較低，受到相同應(yīng)力時(shí)變形量更大，使得應(yīng)力向強(qiáng)度較高的礦房充填體和附近礦巖轉(zhuǎn)移，這也是使用高強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案相較于使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案能更有效減弱應(yīng)力集中的原因。

圖5 不同處理方案下垂直截面應(yīng)力分布

圖6 不同處理方案h＝20 m 截面應(yīng)力分布

3.3 礦體開采后巖層位移分布

圖7 為不充填采空區(qū)時(shí)不同水平截面的垂直位移分布云圖。h＝20 m 截面位于采空區(qū)內(nèi)，故垂直位移量最大；礦體開采導(dǎo)致巖層中應(yīng)力重新分布，采場伴隨有頂板下沉和底鼓現(xiàn)象，即礦體上盤發(fā)生下沉位移，礦體下盤發(fā)生上向位移，其中上向位移達(dá)到0.122 m、下沉位移達(dá)到0.130 m。h＝50 m 和h＝80 m 截面位于采空區(qū)上方，因而截面內(nèi)采空區(qū)上方位置發(fā)生不同程度的下沉位移，但位移量相較h＝20 m 截面有所減少。h＝80 m 截面與采空區(qū)垂直距離更大，截面內(nèi)發(fā)生的位移比h＝50 m 截面小，且位移分布更接近放射狀。

圖7 不充填采空區(qū)時(shí)水平截面垂直位移分布

圖8～9 為高強(qiáng)度充填體與混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案水平截面垂直位移分布云圖。 對(duì)比2種方案的位移分布云圖可以得出與不充填方案類似的結(jié)論。 值得注意的是，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理的2種方案在相應(yīng)水平截面的位移要遠(yuǎn)小于不充填采空區(qū)方案。 同時(shí)，混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案由于使用了部分低強(qiáng)度充填體，其各截面位移要略大于高強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案。 以h＝50 m 截面為例，不充填采空區(qū)時(shí)截面最大位移為0.105 m，采用高強(qiáng)度充填體和混合強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)后，該截面最大位移分別減至0.040 m 和0.046 m。 從h＝20 m 截面可以看出，該截面最大位移發(fā)生在充填體邊緣，從充填體邊緣到中部，位移逐漸減小，且充填體附近巖層位移隨著與充填體邊緣距離增大而減小。

圖8 高強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)水平截面垂直位移分布

圖9 混合強(qiáng)度充填體充填采空區(qū)水平截面垂直位移分布

圖10 為采用不同方案處理采空區(qū)時(shí)水平截面最大下沉位移變化曲線圖。 從圖10可以清晰地看出，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理在控制采場位移方面有顯著作用。 使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)時(shí)，采場周圍和上覆巖層位移與使用高強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案相差不大，結(jié)合圖6，可以認(rèn)為使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案能在保證充填效果較好的同時(shí)減少水泥用量、降低充填成本。

圖10 不同處理方案水平截面最大下沉位移

4 結(jié) 語

1） 對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理能將采空區(qū)圍巖由二維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，有效改善采場應(yīng)力狀態(tài)，減弱應(yīng)力集中，同時(shí)減小礦體開采帶來的巖層位移，更好地保護(hù)地表環(huán)境。

2） 充填體力學(xué)性能（主要為強(qiáng)度）越高，其控制巖層位移和減弱應(yīng)力集中的效果越明顯，但充填體強(qiáng)度越高則充填成本越高。 使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)可以在保證良好充填效果的同時(shí)一定程度上降低充填成本。

3） 通過數(shù)值模擬對(duì)比了使用混合強(qiáng)度充填體和高強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)的巖層位移及應(yīng)力分布情況，認(rèn)為在不改變現(xiàn)有采場參數(shù)和充填體參數(shù)基礎(chǔ)上，使用混合強(qiáng)度充填體處理采空區(qū)方案可行。