劉 洋， 劉曉光， 侯奎奎， 吳欽正

（1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400； 2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400； 3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺(tái) 261438）

地下采礦所引起的地表塌陷制約礦山企業(yè)安全運(yùn)行［1-2］，它不僅會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和浪費(fèi)大量?jī)?yōu)質(zhì)資源，更時(shí)刻威脅著井下作業(yè)人員的生命安全［3-4］。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一系列措施防治地表塌陷，主要包括：地表固體廢棄物回填、選廠尾砂沉淀濾餅回填、塌陷區(qū)改建尾礦庫、爆破崩落周圍巖體回填等［5-6］，前3 種措施可以在處理地表塌陷的同時(shí)解決生產(chǎn)廢石和尾礦問題，同時(shí)具有顯著經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境意義，已先后被大多數(shù)礦山采用。

某礦山一直采用空?qǐng)龇ê捅缆浞ㄩ_采，前期生產(chǎn)已導(dǎo)致地表發(fā)生大規(guī)模塌陷，為此，該礦啟動(dòng)了地表塌陷區(qū)回填工程，采用尾砂回填處理地表塌陷區(qū)。 然而，塌陷區(qū)回填后，深部礦體開采引起的應(yīng)力重分布和巖層移動(dòng)將會(huì)繼續(xù)影響塌陷區(qū)回填體的穩(wěn)定性，存在誘發(fā)二次災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，如回填體大量塌陷或井下泥石流等［7］。 為了研判和分析能保證塌陷區(qū)回填體穩(wěn)定的更合理的回采方式［8-10］，本文結(jié)合該礦山生產(chǎn)實(shí)際，采用PFC2D數(shù)值模型開展了崩落法和充填法開采深部礦體對(duì)隔離礦柱以及塌陷區(qū)回填體穩(wěn)定性影響的研究，總結(jié)并對(duì)比分析了2 種回采方法下回填體和圍巖的應(yīng)力演化和移動(dòng)規(guī)律，為礦山塌陷區(qū)和采空區(qū)治理以及深部資源安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦山概況

某礦山是以鉛、鋅為主的矽卡巖型多金屬礦，礦體賦存標(biāo)高630～1 110 m，最大延深480 m。 目前，該礦采用盤區(qū)階段深孔空?qǐng)霰缆渎?lián)合采礦法，盤區(qū)內(nèi)礦房同樣采用兩翼后退式回采。 礦區(qū)標(biāo)高1 035 ～665 m，每40 m 布置一個(gè)中段，共布置了9 個(gè)中段。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

資料顯示，8 中段（標(biāo)高705 m）崩落開采后極易在地表形成巨大的塌陷區(qū)。 據(jù)此，本文首先利用尾砂對(duì)地表塌陷區(qū)進(jìn)行回填，后在8 中段以下保留30 m 隔離礦柱，接著對(duì)深部礦體進(jìn)行開采模擬，所建回填模型如圖1 所示。 圖中根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際給出了損傷邊界，在損傷邊界內(nèi)，平行黏結(jié)已經(jīng)破壞，對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中的塌陷廢石。 塌陷廢石和回填體共同作用于下部隔離礦柱。

圖1 塌陷區(qū)回填模型

2.2 模擬步驟

首先采用非膠結(jié)充填回填地表塌陷區(qū)，運(yùn)行20 000 時(shí)步至模型平衡。 然后，采用崩落法或充填法從9 中段（665 m）開始回采，每次回采10 m，直至605 m結(jié)束，共8 個(gè)回采步驟，每次開挖后運(yùn)行20 000 時(shí)步。其中采用充填法回采時(shí)，充填材料采用膠結(jié)充填，膠結(jié)充填材料宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)如表1 所示。

表1 膠結(jié)充填材料宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)

2.3 監(jiān)測(cè)布置

為監(jiān)測(cè)深部礦體開采過程中的應(yīng)力和位移演化規(guī)律，在模型中設(shè)置了多處應(yīng)力監(jiān)測(cè)圓和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示。 其中，在上下盤地表分別設(shè)置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)圓（A1～A3 和C1～C3），半徑12 m；在回填體中設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測(cè)圓B1，半徑25 m；在礦體4～7 中段分別設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測(cè)圓D1～D4，半徑25 m；在隔離礦柱中設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)圓E1，半徑15 m；在上盤地表和下盤地表分別設(shè)置5 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（F1 ～F5 和H1 ～H5）；在回填體中設(shè)置了3 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1～G3；在隔離礦柱中設(shè)置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)K1。

圖2 應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 崩落法回采結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力演化特征

表2給出了采用崩落法開采不同深度礦體時(shí)回填體和圍巖的應(yīng)力演化具體過程。 可以看出，9 中段礦體開挖以后，出現(xiàn)了采空區(qū)，導(dǎo)致隔離礦柱失去支撐。 在上部塌陷廢石和兩側(cè)圍巖的共同作用下，隔離礦柱出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中。 從平行黏結(jié)力分布圖可以看出，隔離礦柱已完全破壞。 在隨后的礦體開采過程中，塌陷廢石和回填體隨深部礦體的開挖逐漸下沉，地表再次出現(xiàn)塌陷區(qū)。

表2 崩落法開采時(shí)回填體和圍巖的應(yīng)力演化

圖3給出了深部礦體崩落法開采時(shí)模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化規(guī)律。在整個(gè)模擬過程中定義壓應(yīng)力方向?yàn)檎?在深部礦體開挖過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1 應(yīng)力變化不大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2 和A3 拉應(yīng)力隨回采深度增加呈增加趨勢(shì)。 這表明，隨著深部礦體開挖，上盤地表有可能會(huì)因拉應(yīng)力集中而發(fā)生拉伸裂紋，甚至誘發(fā)大規(guī)模塌陷。 當(dāng)605 m 中段開挖以后，A3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)到了2.3 MPa。 除了塌陷區(qū)回填時(shí)下盤地表水平應(yīng)力發(fā)生了波動(dòng)外，下盤地表水平應(yīng)力變化不大，且以拉應(yīng)力為主。 回填體水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都隨礦體開挖而降低，說明回填體對(duì)圍巖的支撐作用隨礦體開挖而逐漸減弱。 礦體開挖過程中，回填體水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力相差不大。 隔離礦柱破壞前，塌陷廢石給圍巖提供的支撐為2.5 MPa，隔離礦柱破壞后，塌陷廢石和回填體向深部移動(dòng)，此時(shí)塌陷廢石對(duì)圍巖的支撐力減小為1 MPa。 隔離礦柱塌陷前，隔離礦柱垂直應(yīng)力為4 MPa，其水平應(yīng)力達(dá)到了16 MPa。 這說明，隔離礦柱的破壞主要是水平應(yīng)力集中引起的，但以往對(duì)水平隔離礦柱的穩(wěn)定性研究主要都是考慮上覆廢石的荷載，這說明實(shí)際上應(yīng)主要考慮水平應(yīng)力的影響而不是上覆廢石產(chǎn)生的垂向荷載。

圖3 崩落法開采模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化規(guī)律

3.2 回填體及圍巖移動(dòng)規(guī)律

圖4給出了深部礦體崩落開采時(shí)模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移演化規(guī)律。 隨著深部礦體開挖，上盤地表沉降量逐漸增加，且離回填塌陷區(qū)越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量越大。 但上盤地表沉降并非隨著礦體回采均勻變化而是呈現(xiàn)出一定的突變性，7.5 s 時(shí)發(fā)生了第1 次較大的沉降，隨后沉降增量比較平穩(wěn)，24 s 時(shí)發(fā)生了第2 次較大的沉降。 地表塌陷區(qū)回填時(shí)，下盤地表形成了一定沉降，且隔離礦柱發(fā)生破壞前，下盤地表豎向位移變化不大。 當(dāng)隔離礦柱發(fā)生破壞時(shí)，下盤地表豎向位移發(fā)生了一定跌落，且離塌陷區(qū)越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向沉降越小。

圖4 崩落法開采模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移演化規(guī)律

采用崩落法開采深部礦體時(shí)，上盤沉降量要遠(yuǎn)大于下盤，上盤最大沉降量為下盤最大沉降量的8 倍。隔離礦柱破壞前，回填體基本不發(fā)生移動(dòng)。 但隔離礦柱破壞后，回填體豎向沉降迅速增加，且位于回填體中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)G2 位移大于兩側(cè)位移。 隔離礦柱破壞前，隔離礦柱豎向沉降基本為0。 但隔離礦柱破壞后，隔離礦柱沉降隨礦體回采而增加，此時(shí)隔離礦柱失去了承載力，已基本成為廢石。

4 充填法回采結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力演化特征

表3給出了采用充填法開采深部礦體時(shí)回填體和圍巖的應(yīng)力演化過程。 可以看出，深部礦體剛開挖時(shí)，隔離礦柱能夠保持整體穩(wěn)定。 隨著深部礦體持續(xù)開采與采空區(qū)持續(xù)回填，由于黏結(jié)回填材料強(qiáng)度較低，回填材料發(fā)生了明顯破壞。

表3 充填法開采時(shí)回填體和圍巖的應(yīng)力演化

圖5為深部礦體充填開采時(shí)模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化規(guī)律。地表塌陷坑回填后，上下盤地表的水平應(yīng)力發(fā)生了一定程度跌落，在此之后基本保持恒定。同時(shí)，距離塌陷區(qū)越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其水平拉應(yīng)力越大，這說明隨著深部礦體回采，地表水平拉應(yīng)力集中區(qū)向塌陷坑兩側(cè)轉(zhuǎn)移。 在回填過程中，回填體水平應(yīng)力有小幅波動(dòng)，且回填體水平應(yīng)力略大于豎向應(yīng)力，這是因?yàn)閲鷰r水平構(gòu)造應(yīng)力部分轉(zhuǎn)移到了回填體上。 采空區(qū)塌陷廢石水平應(yīng)力隨深部礦體回采逐漸增加，說明廢石對(duì)圍巖的支撐作用逐漸增加。 當(dāng)深部礦體被開挖和采空區(qū)被回填后，膠結(jié)回填體剛度較低，能承受的圍巖水平應(yīng)力有限，部分水平圍巖應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到了上部的塌陷廢石和隔離礦柱上。 隨著深部礦體回采，圍巖水平應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到隔離礦柱上，隔離礦柱水平應(yīng)力隨礦體開采而不斷增加。 當(dāng)水平應(yīng)力增加到23 MPa時(shí)，隔離礦柱發(fā)生了一定程度破壞，但仍具備一定的承載能力，為12 MPa。

圖5 充填法開采模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化規(guī)律

4.2 回填體及圍巖移動(dòng)規(guī)律

圖6給出了深部礦體充填開采時(shí)模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律。 上下盤地表沉降都隨著深部礦體開采而增加，但上盤監(jiān)測(cè)點(diǎn)離塌陷區(qū)越近位移越小，而下盤監(jiān)測(cè)點(diǎn)離塌陷區(qū)越近位移越大。 整個(gè)過程中，上下盤地表沉降量相差不大，9 中段開采以后，上下盤地表的最大沉降量分別為12 mm 和15 mm。 在礦體回采過程中，回填體沉降量不大，且位于回填體中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)G2 位移大于兩側(cè)位移。 雖然隔離礦柱沒有破壞，但隔離礦柱沉降隨礦體回采而增加，9 中段開挖以后，隔離礦柱最大沉降量為0.1 m。

圖6 充填法開采模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移演化規(guī)律

5 兩種采礦方法對(duì)比分析

圖7為2 種不同采礦方法引起的圍巖應(yīng)力演化對(duì)比。 采用崩落法開采時(shí)引起的上盤地表水平拉應(yīng)力較充填法大，說明崩落法更容易引起上盤發(fā)生拉伸破壞。充填法開采在下盤地表引起的拉應(yīng)力要略大于崩落法，但均不足0.4 MPa，所以基本可以判斷該礦山深部礦體開采時(shí)下盤基本不受影響。 采用充填法開采時(shí)，采空區(qū)塌陷廢石提供的支撐力要遠(yuǎn)優(yōu)于崩落法開采，說明充填法更有利于維持圍巖的穩(wěn)定性。

圖7 2 種采礦方法引起的圍巖應(yīng)力演化對(duì)比

圖8給出了2 種不同采礦方法引起的圍巖位移變化對(duì)比圖。 采用崩落法回采深部礦體引起的沉降量要遠(yuǎn)大于采用充填法引起的沉降量，這說明充填法能夠很好地控制上盤地表沉降量。 2 種方法的下盤地表沉降都基本可以忽略，說明該礦山地表塌陷有可能發(fā)生在上盤。 崩落法開采在回填體和隔離礦柱引起的沉降遠(yuǎn)大于充填法開采引起的，說明充填法能夠很好地控制回填體和隔離礦柱沉降。

圖8 2 種采礦方法引起的圍巖位移變化規(guī)律對(duì)比

6 結(jié) 論

1） 采用崩落法開采深部礦體時(shí)，隔離礦柱會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致上盤地表出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，塌陷區(qū)回填體和圍巖發(fā)生較大沉降。 隔離礦柱的破壞主要是水平應(yīng)力集中引起的，而非上部回填體產(chǎn)生的垂向荷載。 隔離礦柱破壞前，回填體圍巖應(yīng)力和位移變化不大。 隔離礦柱破壞后，隔離礦柱水平應(yīng)力發(fā)生較大跌落。

2） 采用充填法開采深部礦體時(shí)，隨著深部礦體持續(xù)回采，上下盤地表和回填體水平應(yīng)力變化不大，但塌陷廢石和隔離礦柱水平應(yīng)力隨礦體開采深度增加而顯著增加。 整個(gè)過程中，隔離礦柱未被破壞，地表未出現(xiàn)明顯塌陷區(qū)，可以很好地解決該礦山地表塌陷問題。