廖 勝，杜 偉

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法［1-2］是一種高效、安全、低成本的采礦方法，但是在開采過程中，由于開采跨度的不同會(huì)對采場周圍地壓顯現(xiàn)造成一定的影響。探究這種影響可為我們在礦山開采過程中選取合理的開采跨度提供很大的幫助。

目前針對這種情況已有一些研究成果。陳天云等通過FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對分段采場不同開采跨度下的采場位移與變形特征、頂板最大主應(yīng)力、頂板垂直應(yīng)力分布、采場塑性區(qū)分布等數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了合理的開采跨度［3］；高謙等根據(jù)邊界單元法的不連續(xù)位移法，模擬了礦區(qū)內(nèi)不同采空區(qū)頂板跨度時(shí)，頂板及圍巖內(nèi)的應(yīng)力及頂板的安全系數(shù)［4］；倪勇等利用彈性力學(xué)關(guān)于薄板彎曲的小撓度問題理論分析頂板的穩(wěn)定性，再基于顆粒流方法分析不同頂板厚度下的安全開采跨度［5］；閆奇等結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采場回采過程中動(dòng)靜組合作用下的鑿巖硐室穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析頂板、支撐條柱、間柱的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)變化規(guī)律［6］；李東等運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對三種礦房跨度分別進(jìn)行開挖模擬，對頂板關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測，對開挖后的采場進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析［7］；張海波等采用“隔一采一”的開采方式模擬分析了不同采場跨度條件下巖體的應(yīng)力分布、塑性分布及位移變化情況［8］；王維德等采用嗣后膠結(jié)充填房柱法對不同跨度下回采巷道暴露面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析［9］；翟德元等利用房柱式開采在對礦房跨度進(jìn)行確定時(shí)考慮了安全系數(shù)法［10］。

上述研究成果還存在一些不足：（1）只研究了礦房跨度對頂板穩(wěn)定性的關(guān)系，未提及對礦柱等穩(wěn)定性的關(guān)系；（2）跨度選取較大，未考慮到小跨度影響的變化過程，選取區(qū)域不夠大，單元?jiǎng)澐州^少，使結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一些誤差；（3）采用了不連續(xù)位移法，研究結(jié)果不夠生動(dòng)形象。本文在已有的研究基礎(chǔ)上選取合適的基本力學(xué)參數(shù)，通過FLAC3D建立恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果研究小跨度下不同開采跨度與硐室頂板及礦柱等穩(wěn)定性的關(guān)系。

2 模型建立

安徽合肥某鐵礦屬一類大型鐵礦、硫鐵礦與硬石膏共生的礦床，開采礦體位于20聯(lián)巷以北高階段采場，賦存標(biāo)高為：-455~-540m，共5個(gè)水平工作面，從下至上分別為：-540m水平、-515m水平、-494m水平、-470m水平、-455m水平，設(shè)計(jì)埋深465m?？紤]到高效、安全、低成本，主要采用垂直深孔階段空場嗣后充填采礦方法進(jìn)行采礦，垂直深孔階段空場嗣后充填礦房長×高=90m×85m。

考慮到模型的復(fù)雜性與計(jì)算結(jié)果的精確度，根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，對計(jì)算模型進(jìn)行必要簡化的同時(shí)，采用加密單元辦法對礦柱、礦房及其周邊巖體進(jìn)行了單元加密處理，以盡可能提高計(jì)算精度?？紤]邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取如圖1（a）所示375m×200m×240m的長方體輪廓。模型底面高程為-615m(XOY平面在高程為-615m的水平面上)，頂面高程為-375m，Z軸垂直向，離散后的計(jì)算模型四面體單元數(shù)為510892個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)85431個(gè)。如圖1（b）所示為離散后計(jì)算模型三維立體圖。

圖1 計(jì)算模型

在計(jì)算模型中， 軸邊界限制 方向移動(dòng)； 軸邊界限制 方向的移動(dòng)； 軸（鉛垂方向即深度方向）下邊界限制 方向移動(dòng)，上邊界考慮上覆巖體自重作用，施加12MPa壓應(yīng)力外荷載，模型垂直方向應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型初始應(yīng)力場等值云圖

3 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法是指用垂直或接近垂直的深孔和柱狀藥包爆破進(jìn)行階段落礦然后等回采結(jié)束后一次完成充填工作的礦房采礦法。如圖3所示從下至上按15m一步進(jìn)行分階段分步開采，最后一次充填。

圖3 開采示意圖

文章設(shè)計(jì)礦房采高85m、礦房寬15m，長度為礦體的水平厚度，分段高度依次為25m（-540~-515m水平）、21m（-515~ -494m水平）、24m（-494~-470m水平）、20m（-470~ -450m水平）。硐室采高4.15m，硐室寬6m，長度為礦體的水平厚度，條柱采高4.15m，條柱寬3m，長度為礦體的水平厚度，炮孔采高85m，中間礦房寬15m，左右礦柱寬均為3m，長度為礦體的水平厚度。為模擬不同開采順序和開采方式，設(shè)計(jì)了如表1所示的三種開采方案。方案1形成了包含應(yīng)力平衡在內(nèi)的32個(gè)模擬工況，其中工況1~6為-455到-450中間礦房硐室15m分步開采，工況7~12為中間礦房-540到-515分段分步開采（塹溝），工況13~27為中間礦房15m分步-515、-494、-470分段開采，工況28~30為中間礦房75-90m分步-515、-494、-470分段開采，工況31為采空區(qū)整體嗣后充填。方案2的工況是在方案1的基礎(chǔ)上加上了左礦柱形成的，同理，方案3的工況是在方案2的基礎(chǔ)上加上了右礦柱形成的。

表1 模擬方案

本文在巖體力學(xué)參數(shù)選取上，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)如表2所示，礦巖、圍巖參數(shù)參照現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

表2 巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

為便于了解巖體空間關(guān)系，共設(shè)置了4個(gè)計(jì)算模型視圖，分別為y=62m剖面、y=92m剖面、y=122m剖面和y=137m剖面，反映了模型不同位置各工況應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布等關(guān)鍵參量的變化特征。

4 鑿巖硐室跨度充采擾動(dòng)效應(yīng)對比分析

4.1 應(yīng)力特征對比分析

4.1.1 最大主應(yīng)力

圖4分別是方案1~3工況30在y=137m剖面的最大主應(yīng)力分布云圖，從圖可以看出：礦體開采后，采場周邊礦體及巖體的應(yīng)力釋放、次生應(yīng)力場重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象?？傮w上來說在采空區(qū)頂板中央出現(xiàn)拉應(yīng)力，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幊霈F(xiàn)壓應(yīng)力，在采空區(qū)頂板處拉應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力位于采空區(qū)頂板和礦房兩幫礦體處，壓應(yīng)力主要集中于礦柱與頂?shù)装褰唤缣帯?/p>

圖4 工況30剖面最大主應(yīng)力分布云圖

如圖5所示為方案1~3工況30過程中的頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力曲線圖。對不同跨度最大主應(yīng)力曲線進(jìn)行了對比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

圖5 工況30頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力曲線圖

（1）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的最大主應(yīng)力值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，15m跨最大主應(yīng)力值先升高后下降并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，18m跨和21m跨最大主應(yīng)力值先下降后升高并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，說明后續(xù)的開采活動(dòng)產(chǎn)生了明顯應(yīng)力擾動(dòng)。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大主應(yīng)力值有所增大，21m跨相對于18m跨增幅約9%，21m跨相對于15m跨增幅約45%，18m跨相對于15m跨增幅約40%?？傮w來說礦柱受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全。

4.1.2 主應(yīng)力差

圖6所示為方案1~3工況30過程中的頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖。對不同跨度主應(yīng)力差曲線進(jìn)行了對比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

圖6 工況30頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖

（1）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的主應(yīng)力差值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，15m跨和18m跨主應(yīng)力差值保持增大并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，21m跨主應(yīng)力差值先下降后升高并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，說明后續(xù)的開采活動(dòng)產(chǎn)生了明顯應(yīng)力擾動(dòng)。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)主應(yīng)力差值有所增大，21m跨相對于18m跨增幅約40%，21m跨相對于15m跨增幅約75%，18m跨相對于15m跨增幅約25%?？傮w來說礦柱受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全。

4.2 位移特征對比分析

由沿礦體走向剖面的豎向位移云圖7可知：在礦體開采過程中，始終存在兩處明顯變形，即礦房頂板附近巖體產(chǎn)生較明顯的沉降，在底板附近突出巖體產(chǎn)生較明顯隆起，這是由于礦體開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放引起的回彈現(xiàn)象。同時(shí)在采場頂板以上與底板以下出現(xiàn)圍巖位移等值拱，越往上發(fā)展拱徑越大，位移越小，圍巖變形較小比較穩(wěn)定。

圖7 工況30剖面豎向位移分布云圖

圖8所示為方案1~3工況30過程中的頂板中心點(diǎn)最大沉降曲線圖。對不同跨度最大沉降曲線進(jìn)行了對比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

圖8 工況30頂板中心點(diǎn)最大沉降曲線圖

（1）礦體開采后，采場周邊巖體應(yīng)力釋放、應(yīng)力場二次重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生位移。不同跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大，15m跨、18m跨和21m跨最大沉降值保持增大。

（2）各跨度硐室開采模擬結(jié)果曲線圖顯示：隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大沉降值有所增大，21m跨相對于18m跨增幅約6%，21m跨相對于15m跨增幅約14%，18m跨相對于15m跨增幅約7%。

4.3 塑性區(qū)分布云圖特征對比分析

YAI（破壞接近度）可以用來描述巖土體從進(jìn)入塑性狀態(tài)到最終破壞這一過程中的損傷程度，其量值與巖土體的損傷度呈現(xiàn)正相關(guān)，對于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好指導(dǎo)作用［11-12］。

圖9和圖10分別為方案1~3工況30沿y軸y=137m剖面破壞區(qū)分布云圖和塑性區(qū)分布云圖。對不同跨度的破壞區(qū)分布云圖和塑性區(qū)分布云圖進(jìn)行了對比分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

圖9 工況30剖面破壞區(qū)分布云圖

圖10 工況30剖面塑性區(qū)分布云圖

（1） 礦體的開采必然引起周邊巖體擾動(dòng)與破壞，開采過程中巖體受力比較復(fù)雜，各部分破壞形式各不相同，有拉伸破壞、剪切破壞以及兩種破壞形式共存等形式。塑性破壞區(qū)主要分布在采場頂板中央、采場隅角、斷層，及斷層與采場間巖橋等應(yīng)力集中區(qū)與構(gòu)造破碎帶等強(qiáng)度薄弱區(qū)。頂板中央破壞形式主要為拉剪破壞，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幹饕獮閴杭艉屠舻募羟衅茐?，斷層部分為局部開采擾動(dòng)破壞，及斷層與采場間巖橋的剪切破壞。

（2）不同跨度礦房在開采完成后，在礦房兩幫礦體和礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房兩幫礦體處塑性變形較大。

5 結(jié)論

本文通過模擬計(jì)算，對比分析了15m、18m、21m三個(gè)不同開采跨度在工況30過程中的頂板應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布情況，得出了如下結(jié)論：

（1）各跨度礦房開采擾動(dòng)后頂板中心點(diǎn)的最大主應(yīng)力值和主應(yīng)力差值隨著開采的進(jìn)行而逐漸變化，并且隨著跨度的增加，二者都有所增大?？傮w來說礦柱主要受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2MPa以下，礦柱較為安全；

（2）不同跨度礦房開采擾動(dòng)后，礦柱水平位移變化不明顯，但頂板中心點(diǎn)的巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大。并且隨著跨度的增加，頂板中心點(diǎn)最大沉降值有所增大；

（3）不同跨度礦房在開采完成后，在礦房兩幫礦體和礦柱處有大量塑性積累，塑性變形較大，具有發(fā)生破壞的趨勢；

（4）采場跨度增加，將導(dǎo)致頂板安全風(fēng)險(xiǎn)逐步增大。