梁 冰，郭 斌，金佳旭，武鵬飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

近年來，充填采礦法逐漸成為了許多金屬礦山的主要開采方式，在提高采出率、控制地壓活動(dòng)、防止地表沉降、降低尾砂排放等方面[1-3]，具有其他采礦方法無可代替的優(yōu)勢(shì)，但充填效果的質(zhì)量會(huì)對(duì)礦山安全生產(chǎn)帶來直接影響。

為此，許多專家學(xué)者做了大量的研究：謝生榮等[4]、羅黎明等[5]和宋子嶺等[6]采用FLAC3D數(shù)值軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型對(duì)充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；姚囝等[7]通過數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了優(yōu)化后采場(chǎng)充填模式的可行性；姚寶志[8]運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法，揭示了不同級(jí)配的充填材料對(duì)充填效果的影響作用；丁德民等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析得到影響地表下沉的主要因素。而在新型材料研究方面，王東星等[10]研究了堿激發(fā)粉煤灰對(duì)淤泥的影響，揭示堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥強(qiáng)度性狀演變規(guī)律；吳磊等[11]以水玻璃作為激發(fā)劑，研究了不同外摻料對(duì)偏高嶺土基膠凝材料性能的影響；姚囝等[12]采用回歸正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了低強(qiáng)度膠結(jié)充填體相似材料配比試驗(yàn)研究。

鑒于此，本文基于自研的復(fù)合激發(fā)劑膠凝材料，運(yùn)用模擬軟件對(duì)鐵礦兩步驟充填開采過程和充填開采后地表沉陷過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析礦體開采充填過程中覆巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)變化情況及復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)充填體在充填前后的應(yīng)力和位移狀況；在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉陷變形情況，結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，研究礦體開采與空區(qū)充填對(duì)覆巖移動(dòng)與地表沉降的影響。

1 工程概況

某鐵礦位于遼寧省內(nèi)，其礦體傾角小、埋深淺、厚度較大，地表起伏較大，礦巖的節(jié)理裂隙較發(fā)育，礦體走向長(zhǎng)220 m，礦體賦存標(biāo)高-375～-625 m，最大厚度可達(dá)254.3 m，整體連續(xù)性較好。針對(duì)礦山的開采實(shí)際條件，采用“隔一采一”的方式對(duì)該礦體進(jìn)行回采充填，礦房長(zhǎng)度15 m，高度60 m，礦柱的尺寸與礦房相同。經(jīng)過多年開采，在鐵礦-470中段留下大量的采空區(qū)，這不僅會(huì)導(dǎo)致地表下沉引起周邊生態(tài)環(huán)境破壞，還會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)頂板塌陷時(shí)對(duì)井下工作人員的生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。除此之外，金屬礦區(qū)內(nèi)的大氣降水和地表積水會(huì)隨著頂板塌陷直接涌入下部生產(chǎn)中段，產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的災(zāi)難性后果，為礦山安全開采埋下嚴(yán)重隱患。因此，對(duì)滯留采空區(qū)的充填治理工作對(duì)保證礦山持續(xù)發(fā)展有重要意義。

2 模型建立與參數(shù)確定

2.1 模型的建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，建立長(zhǎng)×寬×高為200 m×50 m×150 m的二步驟充填開采三維計(jì)算模型，開挖的礦房與礦柱的尺寸與實(shí)際尺寸相同，模型兩側(cè)邊界各留50 m區(qū)域用于消除邊界效應(yīng)，此模型用于鐵礦二步驟充填開采數(shù)值模擬研究。此外，為了模擬礦體充填后地表的移動(dòng)變形結(jié)果，結(jié)合實(shí)際地形建立長(zhǎng)×寬×高為600 m×700 m×800 m的地表沉陷三維計(jì)算模型，其中礦體尺寸220 m×150 m×250 m，該模型可用于礦體全部開采、充填后地表的沉降模擬預(yù)測(cè)研究。

模型兩側(cè)限制水平位移，模型底部限制垂直位移，根據(jù)礦山地應(yīng)力報(bào)告設(shè)置模型邊界應(yīng)力施加的垂直荷載為6.5 MPa，水平荷載為7.5 MPa。

2.2 數(shù)值模型參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，礦區(qū)內(nèi)廣泛分布且影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的礦巖有安山巖、石英巖、磁鐵礦和大理巖。通過室內(nèi)基礎(chǔ)參數(shù)試驗(yàn)獲得這4種礦巖的物理力學(xué)指標(biāo)，為了能夠使試驗(yàn)結(jié)果更具普遍性，利用廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則對(duì)礦巖室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果做折減處理[13-15]，得到實(shí)際礦山巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 折減后礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 膠結(jié)充填體參數(shù)確定

本次模擬采用的復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)充填體，主要由鐵礦尾砂骨料、自研復(fù)合激發(fā)膠凝材料、普通早強(qiáng)劑和減水劑等混合外加劑按照一定配比制成。其充填體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。充填骨料選用密度為2.72 g/cm3、比表面積為1 740.32 cm2/g的鐵礦尾砂。自研的復(fù)合激發(fā)劑材料包括由激發(fā)劑A、激發(fā)劑B、激發(fā)劑C、礦渣微粉按18.3%，3.4%，0.8%，77.5%比例制成的鹽基復(fù)合激發(fā)膠凝材料(簡(jiǎn)稱“鹽基”)和由激發(fā)劑A、激發(fā)劑B、激發(fā)劑C、礦渣微粉按4%，14.8%，0.4%，80.8%比例制成堿基復(fù)合激發(fā)膠凝材料(簡(jiǎn)稱“堿基”)。該充填材料相比水泥等常見的充填材料具有成本低，流動(dòng)性好，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率快等特點(diǎn)。

表2 充填體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

用兩步驟充填開采三維計(jì)算模型對(duì)某鐵礦進(jìn)行一步驟礦房充填和二步驟礦柱充填數(shù)值模擬計(jì)算研究，分析研究采場(chǎng)充填后應(yīng)力環(huán)境和頂?shù)装遄冃吻闆r。

3.1 一步驟礦房充填分析

3.1.1 應(yīng)力場(chǎng)

一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装遄畲笾鲬?yīng)力場(chǎng)分布如圖1所示。由圖1可以看出：當(dāng)一步驟礦房開挖后，采場(chǎng)圍巖狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布，其中最大應(yīng)力集中位置主要分布在礦柱與底板相交位置以及礦柱下方圍巖部位，其分布的面積都不大，同時(shí)在礦柱的頂部與底部局部位置還出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。

圖1 一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装宕怪睉?yīng)力場(chǎng)分布

采用3種膠結(jié)充填體分別對(duì)一步驟礦房進(jìn)行充填后，圍巖應(yīng)力均發(fā)生變化。鹽基、堿基、水泥基膠結(jié)充填體內(nèi)部的應(yīng)力分別為1.52，1.48，1.69 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.2，1.1，1.5?？傮w上看，對(duì)礦房充填后采場(chǎng)各區(qū)域的應(yīng)力值波動(dòng)范圍都比較小，表明使用3種材料對(duì)一步驟礦房充填后采場(chǎng)整體上是穩(wěn)定的。相比之下，鹽基與堿基膠結(jié)充填體充入采場(chǎng)后圍巖應(yīng)力變化較小，表明一步驟充填時(shí)復(fù)合激發(fā)膠凝材料相比水泥具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于改善采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境、減小頂?shù)装遄冃尉哂蟹e極的作用。

3.1.2 位移場(chǎng)

一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逦灰茍?chǎng)分布如圖2所示。由圖2可以看出：一步驟礦房開挖后在礦柱頂部出現(xiàn)了較大的位移，最大豎向位移為25 mm，采空區(qū)頂板最大豎向位移為32.3 mm。底板出現(xiàn)底鼓，這是因礦房開挖后，底板巖層處于軟弱開放狀態(tài)，并且由于水平應(yīng)力的作用，造成底板較為破碎并產(chǎn)生向采空方向的塑性流動(dòng)，進(jìn)而引起底鼓，水平底鼓最大位移為11.42 mm。當(dāng)采用3種膠結(jié)充填體分別對(duì)一步驟礦房充填后礦柱與采空區(qū)頂板位移都有了不同程度減小，這說明膠結(jié)充填體起到了控制圍巖變形的作用。比較3種膠結(jié)充填體對(duì)圍巖變形控制的作用效果，發(fā)現(xiàn)鹽基膠結(jié)充填礦房后最大位移22.5 mm，堿基膠結(jié)充填礦房后最大位移18 mm，水泥基膠結(jié)充填礦房后最大位移27.5 mm，相比水泥基膠結(jié)充填體，復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體的效果要更好。

圖2 一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逦灰茍?chǎng)分布

3.1.3 塑性破壞區(qū)

一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖3所示。由圖3可以看出：一步驟礦房開挖后采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定程度較高，在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下采空區(qū)底板發(fā)生了拉破壞，而礦柱的完整性較好，僅在采空區(qū)底部有部分塑性區(qū)出現(xiàn)。應(yīng)用3種膠結(jié)充填體分別對(duì)一步驟礦房進(jìn)行充填，鹽基膠結(jié)充填體頂部有部分塑性區(qū)，堿基膠結(jié)充填體未出現(xiàn)塑性區(qū)，水泥基膠結(jié)充填體頂部出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū)，計(jì)算結(jié)果與位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果相同，總體來看，3種膠結(jié)充填體都能使采場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 一步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布

3.2 二步驟礦柱充填分析

3.2.1 應(yīng)力場(chǎng)

二步驟充填體與頂?shù)装鍛?yīng)力場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可以看出：二步驟充填完成后，鹽基、堿基、水泥基膠結(jié)充填體內(nèi)部的平均應(yīng)力分別為0.12，0.28，0.19 MPa，三者數(shù)值相差不大。提取3種膠結(jié)充填體在采場(chǎng)上部、中部、下部的最大主應(yīng)力，在采場(chǎng)上部鹽基膠結(jié)充填體的平均應(yīng)力值分別為0.11，0.24，0.55 MPa：在采場(chǎng)上部堿基膠結(jié)充填體的平均應(yīng)力值分別為0.08，0.22，0.50 MPa；在采場(chǎng)上部水泥基膠結(jié)充填體的平均應(yīng)力值分別0.28，0.46，0.71 MPa。3種膠結(jié)充填體的底端兩側(cè)位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力平均值分別為0.92，0.79，0.93 MPa，且分布面積較小，充填體安全穩(wěn)定。

圖4 二步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装宕怪睉?yīng)力場(chǎng)分布

3.2.2 位移場(chǎng)

二步驟充填體與頂?shù)装逦灰茍?chǎng)分布如圖5所示。由圖5可以看出：二步驟礦柱充填后，3種材料的膠結(jié)充填體頂部最大位移值分別為38，22，75 mm，內(nèi)部位移基本相同，底部都存在20～60 mm的底鼓?？傮w來看，3種膠結(jié)充填體對(duì)采場(chǎng)保護(hù)效果較好，確保了采場(chǎng)的安全開采，相比水泥基膠結(jié)充填體，復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體的控制采場(chǎng)變形效果要更優(yōu)越。

圖5 二步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逦灰茍?chǎng)分布

3.2.3 塑性破壞區(qū)

二步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)二步驟礦柱開挖后，3種礦房膠結(jié)充填體與采場(chǎng)頂、底部接觸位置都出現(xiàn)了塑性區(qū)，主要發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞，而二步驟全部充填完成后，各區(qū)域塑性破壞區(qū)都得到了改善；鹽基膠結(jié)充填體頂、底部有少數(shù)貫穿塑性破壞區(qū)，堿基膠結(jié)充填體頂、底部只有零星的破壞點(diǎn)，水泥基膠結(jié)充填體在采場(chǎng)礦柱的上肩角處出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)。

圖6 二步驟膠結(jié)充填體與頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布

綜合以上分析，堿基復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體對(duì)礦體的開采充填效果優(yōu)于其他2種充填材料的充填體，故選擇堿基復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體作為現(xiàn)場(chǎng)礦山采空區(qū)充填的主要材料，通過地表三維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)地表沉陷值，分析堿基復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體對(duì)地表的沉陷效果。

3.3 地表沉陷分析

為研究整個(gè)礦體完全開采充填后對(duì)地表建筑等的不良影響，采用地表沉陷三維計(jì)算模型對(duì)礦體開采地表移動(dòng)變形過程進(jìn)行研究。礦體應(yīng)力場(chǎng)分布如圖7所示，地表位移場(chǎng)分布如圖8所示。

從圖7可以看出：礦體全部開采后采場(chǎng)頂部平均應(yīng)力3.83 MPa，充填后采場(chǎng)頂部平均應(yīng)力3.35 MPa，可以看出，當(dāng)全部采空區(qū)充填完成后，充填體周圍垂直應(yīng)力的分布相比開采完成后發(fā)生了很大的改變，由于充填體對(duì)圍巖的支撐作用，大大降低了采空區(qū)上部巖層斷裂的幾率，從而使采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境得到改善。從圖8可以看出：采空區(qū)充填后地表中心處的最大位移僅113 mm，遠(yuǎn)小于開采后的地表位移，表明采用堿基復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體可以很好地改善地表沉降現(xiàn)象，所得結(jié)論也進(jìn)一步完善了復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填地壓控制理論。

圖7 礦體應(yīng)力場(chǎng)分布

圖8 地表位移場(chǎng)分布

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了能使數(shù)值模擬的結(jié)論更為可靠，對(duì)某鐵礦采用堿基復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)充填體后的采場(chǎng)應(yīng)力和地表沉降量進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證。

4.1 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)

以某鐵礦-470中段的應(yīng)力變化情況為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖9所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間變化情況如圖10所示。

圖9 -470中段YL1～YL6應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

圖10 采場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線

由圖10可以看出：采場(chǎng)充填前后復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)體能夠?qū)Σ蓤?chǎng)應(yīng)力變化產(chǎn)生明顯的改善。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)YL1和YL3的應(yīng)力值變化最為明顯，說明在開采前6個(gè)月該觀測(cè)區(qū)域內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力變化值為1.71 MPa；現(xiàn)場(chǎng)在7月開始出礦作業(yè)，隨著采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)展，圍巖對(duì)礦巖壓力越來越大，應(yīng)力集中愈發(fā)明顯，最大應(yīng)力變化值為2.65 MPa；從10月開始，充填工作進(jìn)入實(shí)施階段，采空區(qū)范圍會(huì)不斷縮小，應(yīng)力集中出現(xiàn)緩解趨勢(shì)，待充填結(jié)束后，應(yīng)力均值回落到1.87 MPa，然后工作面的應(yīng)力狀態(tài)趨于平穩(wěn)，采場(chǎng)圍巖也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 地表變形監(jiān)測(cè)

以某鐵礦-470中段的地表變形情況為研究對(duì)象，在礦體位置均勻布置7個(gè)地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中WY1～WY3為礦體中心位置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，WY4～WY7為礦體邊緣地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。WY1～WY7監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平和垂直方向的位移變化情況如圖11所示。結(jié)合數(shù)值模擬部分對(duì)充填的效果進(jìn)行分析。從圖11可以看出：從1～6月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平和垂直位移變化都處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，位移沒有發(fā)生突變的情況，結(jié)合證明在這段時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生大規(guī)模的地壓活動(dòng)。7～9月內(nèi)，大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移產(chǎn)生較為明顯的變化，且沒有任何規(guī)律，說明在這幾個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生變化后又重新分布。在10～12月里，監(jiān)測(cè)區(qū)域逐步趨于平穩(wěn)沒有較大的位移變化，說明在這段時(shí)間內(nèi)地壓活動(dòng)處在可控范圍內(nèi)。由以上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證了在整個(gè)生產(chǎn)階段，復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填達(dá)到了預(yù)期的效果，為后續(xù)的安全生產(chǎn)提供了條件。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況

5 結(jié)論

1)對(duì)某鐵礦二步驟充填開采進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明3種膠結(jié)充填體都能使采場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在改善采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境、減小頂?shù)装遄冃畏矫?，堿基復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)充填體要優(yōu)于其他2種材料。

2)在地表沉陷三維模型中對(duì)全部礦體的開采與充填進(jìn)行模擬，對(duì)比充填采空區(qū)后地表移動(dòng)變形情況，證明堿基復(fù)合激發(fā)尾砂膠結(jié)充填體對(duì)圍巖有支撐作用，能夠很好地改善地表沉降現(xiàn)象。

3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行為期1 a的應(yīng)力和沉降跟蹤監(jiān)測(cè)，全年監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移變化與采場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，區(qū)域位移變化量基本穩(wěn)定，在整個(gè)生產(chǎn)階段，新型復(fù)合激發(fā)膠結(jié)充填體達(dá)到了預(yù)期的充填效果，可為后續(xù)的安全生產(chǎn)提供條件。