劉禮福，黃 今，孫宇超，熊 珂，馮志昊

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

1 礦山簡(jiǎn)介

某礦山原采用充填法開采，為“采一充一”的生產(chǎn)方式，礦山為便于生產(chǎn)組織管理，經(jīng)常采用“隔一采一”的生產(chǎn)方式，在開采完幾條進(jìn)路之后再集中充填，因此在采場(chǎng)留下了很多非連續(xù)的進(jìn)路式采空區(qū)。目前該礦山采用無底柱分段崩落法和充填法聯(lián)合開采，簡(jiǎn)化模型示意圖如圖1所示。圖中1～8分別表示充填采場(chǎng)開挖后形成的8個(gè)間柱。上部礦體采用無底柱分段崩落法開采，下部礦體采用充填法開采并形成8個(gè)間柱，在采用兩種方法同時(shí)開采的情況下，下部采場(chǎng)開采形成的非連續(xù)進(jìn)路式采空區(qū)采場(chǎng)地壓會(huì)產(chǎn)生顯著的變化。尤其是上部礦體在崩落法開采的影響下，是否依然能保證下部充填采場(chǎng)頂板和礦柱的穩(wěn)定性，是當(dāng)前急需解決的問題。

圖1 礦體分布示意圖Fig.1 Ore body distribution diagram

2 模型的建立

由于該礦山礦體厚大，同時(shí)為降低模擬的運(yùn)算量，選取礦體的一部分進(jìn)行模擬。模型總體上分為5部分，由上至下分別為上部充填體、上部礦體、下部充填體、下部礦體，兩側(cè)為圍巖。根據(jù)圖1礦山開采所建立的模型如圖2所示。該模型的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=135 m×200 m×170 m，共建立229 400個(gè)節(jié)點(diǎn)，223 980個(gè)單元。

圖2 模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model

2.1 力學(xué)參數(shù)的選取

數(shù)值模擬中上部充填體、上部礦體、下部充填體、下部礦體和圍巖的力學(xué)參數(shù)參照該礦山巖石強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)Hoek-Brown巖體強(qiáng)度[8-9]折減公式折減后得到各巖體的強(qiáng)度指標(biāo)。由于巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與彈塑性材料特征相近，從充填采場(chǎng)的實(shí)際效果來看，礦柱的破壞主要為剪切破壞。所以此次研究選用摩爾-庫倫強(qiáng)度本構(gòu)模型[10-11]，開挖部分采用空單元(null)模型[12]?；谀?庫倫準(zhǔn)則計(jì)算過程中需要的參數(shù)主要有：體積模量K、剪切模量G、內(nèi)摩擦角fric、黏聚力coh和抗拉強(qiáng)度tens。根據(jù)式(1)～(2)得到各巖體的體積模量和剪切模量并將該礦山各巖體的力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

(1)

(2)

式中：K—體積模量，GPa；G—剪切模量，GPa；E—彈性模量，GPa；v—泊松比。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

將表1中的巖石及膠結(jié)充填體的力學(xué)參數(shù)帶入Bieniawski公式計(jì)算可得巖體及充填體在三向應(yīng)力條件下的力學(xué)參數(shù)，Bieniawski公式如式(3)所示。

(3)

式中：σc—材料單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；ε—常數(shù)，當(dāng)w/b>5時(shí)，ε=1.4，當(dāng)w/b<5時(shí)，ε=1.0。

生理、心理因素的影響。青少年是一個(gè)特殊的社會(huì)群體，從生理上看，其身心發(fā)育尚不成熟，各種心理活動(dòng)具有較大的不穩(wěn)定性和盲目性。一般來說，青少年思維相對(duì)簡(jiǎn)單，自控能力較差，情緒不很穩(wěn)定，易感情用事，一旦受到某種誘惑和刺激，容易鋌而走險(xiǎn)，以身試法；同時(shí)，青少年明辯是非的能力較成人低，好奇心和模仿性強(qiáng)，容易受到不良因素的侵蝕而發(fā)生心理畸變。法制意識(shí)淡薄。法律是規(guī)范人們行為的基本準(zhǔn)則，也是評(píng)判是非曲直的重要標(biāo)準(zhǔn)。但是由于種種原因，不少青少年不學(xué)法、不懂法，對(duì)自己的行為缺乏基本的分辨能力，以致于在不知不覺中走上犯罪的道路。

由于膠結(jié)充填體與礦體的差別較大，因此需要分別進(jìn)行計(jì)算。

將膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度σc=8.62 MPa，w=5，c1=2.5帶入式(3)，求出膠結(jié)充填體的強(qiáng)度為11.72 MPa；將礦石單軸抗壓強(qiáng)度σc=36.39 MPa，w=5，c2=2.5帶入式(3)，求得礦體的強(qiáng)度為49.49 MPa。

2.2 模擬工況

模擬工況按照先開挖進(jìn)路、再回采礦石的順序進(jìn)行模擬。由圖1和圖2可知，上部礦體分4個(gè)分段進(jìn)行回采，因此模擬步驟設(shè)置如下：

1)開挖下部充填進(jìn)路；

2)開挖無底柱分段崩落法首采分段進(jìn)路；

3)回采首采分段礦石；

4)開挖無底柱分段崩落法第二分段進(jìn)路；

5)回采第二分段礦石；

6)開挖無底柱分段崩落法第三分段進(jìn)路；

7)回采第三分段礦石；

8)開挖無底柱分段崩落法最末分段進(jìn)路；

9)回采最末分段礦石。

2.3 邊界條件

模型的邊界條件包括位移邊界和應(yīng)力邊界。設(shè)置固定模型邊界水平方向上的位移和加速度，并在模型的頂部施加上覆巖層的自重應(yīng)力；隨著開采的進(jìn)行，根據(jù)上覆巖層重度的變化而變化，在x軸方向上施加水平應(yīng)力并設(shè)置應(yīng)力梯度，y方向上由于被斷層錯(cuò)斷因此不施加水平應(yīng)力。模擬過程中不考慮地下水、節(jié)理裂隙和時(shí)間效應(yīng)。

3 模擬結(jié)果分析

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，又采用無底柱分段崩落法和充填法聯(lián)合開采，因此為保證下部充填采場(chǎng)的安全需對(duì)采場(chǎng)地應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)束后，下部膠結(jié)充填體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的計(jì)算云圖分別如圖3～6所示，下部充填采場(chǎng)“進(jìn)路式”采空區(qū)中礦柱的受力狀態(tài)如圖7所示。

3.1 下部膠結(jié)充填體模擬結(jié)果

模擬結(jié)束后，下部膠結(jié)充填體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的計(jì)算云圖(部分圖件)分別如圖3～6所示。

圖3 崩落法回采完畢后最大主應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution diagram of the maximum principal stress after caving mining

圖4 崩落法回采完畢后最小主應(yīng)力分布圖Fig.4 Distribution diagram of the minimum principal stress after caving mining

圖5 崩落法回采完畢后垂直應(yīng)力分布圖Fig.5 Vertical stress distribution diagram after caving mining

圖6 崩落法回采完畢后水平應(yīng)力分布圖Fig.6 Horizontal stress distribution diagram after caving mining

由圖3～6可知，上部礦體在采用無底柱分段崩落法開采結(jié)束后，下部膠結(jié)充填體和充填采場(chǎng)間柱垂直方向的應(yīng)力顯著降低，水平方向應(yīng)力影響不大，由此可知，西二采區(qū)礦體主要受垂直應(yīng)力影響。根據(jù)圖5繪制下部膠結(jié)充填體的垂直應(yīng)力變化圖，如圖7所示。

圖7 無底柱分段崩落法各分段回采完畢后下部充填體垂直應(yīng)力分布圖Fig.7 Vertical stress distribution of lower filling body after the completion of sublevel caving without bottom pillar

由圖7可知，隨著上部礦體各個(gè)分段的回采，下部膠結(jié)充填體受垂直方向的力逐漸降低。由2.1節(jié)可知，下部膠結(jié)充填體的強(qiáng)度為11.72 MPa，無底柱分段崩落法開采之前，下部膠結(jié)充填體中部的垂直應(yīng)力約為5.51 MPa，無底柱分段崩落法開采結(jié)束之后，下部膠結(jié)充填體最大垂直應(yīng)力約為3.32 MPa，遠(yuǎn)小于膠結(jié)充填體的極限抗壓強(qiáng)度，下部膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性得到顯著提高。

3.2 下部充填采場(chǎng)模擬結(jié)果

下部充填采場(chǎng)“進(jìn)路式”采空區(qū)中礦柱的受力狀態(tài)如圖8所示，無底柱分段崩落法開采前后充填采場(chǎng)間柱受力統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖8 無底柱分段崩落法開采前后充填采場(chǎng)間柱受力分析圖Fig.8 Stress analysis of pillars between filling stopes before and after sublevel caving without bottom pillar

圖9 無底柱分段崩落法開采前后充填采場(chǎng)間柱受力統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Stress statistics of pillars between filling stopes before and after sublevel caving without bottom pillar

由圖9可知，無底柱分段崩落法開采結(jié)束后，充填采場(chǎng)間柱受垂直方向的應(yīng)力顯著下降。且無底柱分段崩落法開采前后充填采場(chǎng)采空區(qū)間柱所承受的垂直應(yīng)力由11.5 MPa下降到7.5 MPa，約下降35%，極大地提高了充填采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

4 微震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是48通道、24位采樣精度的微地震數(shù)據(jù)采集儀，采樣率為1 000 Hz，增益為16，共使用了16個(gè)三分量速度傳感器，采用連續(xù)記錄方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)微地震信號(hào)顯示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)崩落法采場(chǎng)空區(qū)頂板圍巖冒落及各采場(chǎng)穩(wěn)定性的全面監(jiān)測(cè)，結(jié)合礦山實(shí)際工程布置，16個(gè)三分量速度傳感器分別安裝在1 650、1 554、1 494、1 430 m四個(gè)水平，每個(gè)水平布置4個(gè)傳感器，在現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)盡可能的使傳感器構(gòu)成的幾何矩陣將礦體包圍起來，微地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站布置于1 554 m水平的休息硐室之中。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到采場(chǎng)中發(fā)生強(qiáng)微震事件的位置如圖10所示。

由圖10可知，具有剪切破壞特征的強(qiáng)微地震事件發(fā)生位置均在崩落法采空區(qū)正后方30～40 m，標(biāo)高1 610～1 630 m水平，且這幾次強(qiáng)微地震事件發(fā)生之前，都監(jiān)測(cè)到了若干弱微地震事件，預(yù)示著巖石內(nèi)部裂隙的逐步發(fā)育及能量積蓄。

總體來說，微地震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的微地震事件主要集中在崩落法采場(chǎng)采空區(qū)附近，表明崩落法采礦引發(fā)采區(qū)應(yīng)力發(fā)生重分布，導(dǎo)致采空區(qū)頂板發(fā)生開裂冒落，說明隨著崩落法采礦的進(jìn)行，采空區(qū)頂板膠結(jié)充填體已經(jīng)安全順利地發(fā)生冒落形成覆蓋層。而充填采場(chǎng)及其附近未監(jiān)測(cè)到任何強(qiáng)微地震事件，表明上部中段的崩落法采礦未對(duì)下部充填采場(chǎng)的穩(wěn)定性造成不利影響，證實(shí)了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

通過采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該礦山采場(chǎng)地壓的演化規(guī)律和礦柱受力情況進(jìn)行模擬研究并利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，綜合分析后得出以下結(jié)論：

1)該礦山在采用兩種采礦方法聯(lián)合開采的條件下，地壓環(huán)境主要受垂直應(yīng)力影響，且隨著上部無底柱分段崩落法的回采，對(duì)下部膠結(jié)充填體及充填采場(chǎng)在一定程度上起到了卸壓作用，充填采場(chǎng)的穩(wěn)定性得到顯著提高。

2)微地震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。在崩落法回采過程中，微震事件主要發(fā)生在崩落法采空區(qū)頂板以上，下部充填采場(chǎng)附近未監(jiān)測(cè)到任何強(qiáng)微震事件，表明上部中段的崩落法采礦未對(duì)下部中段充填采場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3)本研究為礦山實(shí)現(xiàn)充填法與崩落法的安全高效協(xié)同開采提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)礦山而言具有重大的工程實(shí)際意義和重要的研究?jī)r(jià)值。