劉建博，陳昌云

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

地下巷道處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，巷道穩(wěn)定性是關(guān)乎礦山能否正常生產(chǎn)的重要因素，礦體回采后，會引起圍巖應(yīng)力的重新分布，可能會導(dǎo)致圍巖發(fā)生局部破壞，從而影響巷道的穩(wěn)定性[1]，準(zhǔn)確有效地判斷礦體開挖后是否會造成巷道失穩(wěn)破壞，是當(dāng)前采礦工程研究的重點課題之一。國內(nèi)外專家及學(xué)者對巷道的穩(wěn)定性進行了大量的研究。在理論分析方面，牛少卿等[2]、趙毅鑫等[3]、石永奎等[4]分別基于不同的理論方法，對巷道的支護方式、巷道穩(wěn)定性影響因素、巷道的穩(wěn)定性預(yù)測等進行了研究。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，聶百勝等[5]、劉強等[6]應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)對巷道穩(wěn)定性及其微震時空能量特性進行了研究；李濤等[7]應(yīng)用空心包體地應(yīng)力測量方法對巷道受地應(yīng)力作用時的破壞規(guī)律進行了研究。在數(shù)值模擬方面，賈照遠等[8]、夏德威等[9]、楊寧等[10]、張寧等[11]、WU 等[12]借助FLAC3D、ABAQUS、FLAC2D等軟件，針對采動對軟巖巷道、矩形巷道的穩(wěn)定性進行了模擬研究。

隨著“兩山”理論的提出，充填采礦法以其安全風(fēng)險低、減少對自然環(huán)境的破壞等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用[13]，大量學(xué)者針對充填采礦法進行了研究，其中，趙興東等[14]、曹易恒等[15]、許洪亮等[16]針對充填采礦法的采礦工藝進行了研究；宋宏元等[17]、羅來和等[18]針對充填采礦法采場工藝參數(shù)進行了研究；羅方偉等[19]、曾佳龍等[20]、邵明偉等[21]分別針對充填采礦法采場穩(wěn)定性以及采場地壓管理進行了研究。

前人對巷道穩(wěn)定性和充填采礦法做了大量研究，但巷道穩(wěn)定性研究主要針對不存在地下水的情況，現(xiàn)實中，很多礦山都會涉及到地下水的存在；而充填采礦法的研究也多集中在采礦工藝、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、采場地壓控制等方面，對于充填采礦下巷道穩(wěn)定性的研究較少。因此，考慮到上述問題，本文基于前人研究成果，考慮地下水存在，采用3Dmine-Rhino-Griddle 軟件進行某礦山礦體與巷道建模，以FLAC3D軟件進行礦體開挖模擬，研究充填開采礦體開挖對巷道穩(wěn)定性的影響，為礦山穩(wěn)定性開采提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)域內(nèi)共有分布在6 個礦體群內(nèi)的39 個礦體：①號礦體群、②號礦體群、③號礦體群、⑤號礦體群、⑦號礦體群、⑧號礦體群。礦體形態(tài)簡單，以脈狀產(chǎn)出為主，在研究區(qū)域內(nèi)的主要礦體為①-1 號礦體。①-1 號礦體形態(tài)簡單，以大脈狀、大板狀、似層狀為主，局部呈透鏡狀和似層狀，礦體傾向SE，傾角在40°～55°之間，走向14°～24°，產(chǎn)狀穩(wěn)定，平均厚度30 m，礦體內(nèi)部基本無脈巖穿插或其他較大構(gòu)造破壞，構(gòu)造及脈巖影響程度小，礦體直接上盤為絹英化碎裂巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，礦體下盤為黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖或黃鐵絹英巖化碎裂巖，區(qū)域內(nèi)地下水的補給以地表水為主，通過地表裂隙、巖溶裂隙等途經(jīng)直接補給地下水，巷道圍巖出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

本次開采范圍是采礦范圍內(nèi)賦存于119 線以東-115～-165 m 間的礦體，考慮地下水的存在，為防止地表出現(xiàn)沉降，確保巷道穩(wěn)定性，保障礦體回采過程中人員安全，同時最大限度回采礦體，故本次回采應(yīng)用的采礦方法為高強度的上向進路膠結(jié)充填法。采場沿走向布置，長度50 m，采場高度50 m，寬為礦體厚度，留10 m 長礦柱。根據(jù)礦體賦存情況，自上而下進行礦體回采，分為3 個步驟，設(shè)計首采中段為-115～-131 m，然后逐次開采-131～-147 m 水平、-147～-165 m 水平。分別分析各礦體回采后-105 m 水平巷道和-120 m 水平巷道位移、應(yīng)力、塑性區(qū)的變化情況，同時，借助監(jiān)測數(shù)據(jù)對擾動較大區(qū)域進行穩(wěn)定性分析。

2 礦區(qū)模型的構(gòu)建

2.1 模型

利用FLAC3D軟件實現(xiàn)礦體回采模擬，研究滲透壓存在情況下礦體回采對巷道穩(wěn)定性的影響?；?Dmine、Rhino-Griddle 軟件，將礦區(qū)礦體、巷道、圍巖經(jīng)過三種軟件的不同功能、不同格式的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格劃分，最終建成可被FLAC3D軟件識別的模型，通過初始條件以及工況的設(shè)定，實現(xiàn)礦體開挖的模擬，模型構(gòu)建流程如圖1 所示，模型效果如圖2所示，監(jiān)測點布置如圖3 所示。

圖1 數(shù)值模型構(gòu)建流程圖Fig.1 Flow chart of numerical model construction

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

圖3 不同水平分段巷道監(jiān)測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points in different horizontal segmented roadways

2.2 基本力學(xué)參數(shù)

在實際礦山中，由于巖石與巖體尺寸存在差異，同時礦體和圍巖的賦存環(huán)境有可能存在對其具有腐蝕作用的化學(xué)物質(zhì)以及會受到頻繁采動的影響和開挖過程中巖體會受到風(fēng)化作用等，本文應(yīng)用Hoek-Brown 強度準(zhǔn)則進行巖石力學(xué)參數(shù)折減，得到最終符合實際礦山的巖石力學(xué)參數(shù)，見表1。通過查閱礦區(qū)資料，得到充填體力學(xué)參數(shù)，見表2。

表1 巖體基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock mass

表2 充填體力學(xué)參數(shù)Table 2 Parameters of filling mechanics

2.3 初始地應(yīng)力的生成

基于前人對礦區(qū)地應(yīng)力的調(diào)查，地應(yīng)力變化均呈線性增長趨勢（圖4），且具有最大主應(yīng)力>垂直應(yīng)力>最小主應(yīng)力的特點；此外，考慮礦區(qū)內(nèi)賦存大量地下水，故進行滲透壓生成。本次模型最深處深度為-240 m，按圖4 所示公式進行初始地應(yīng)力計算，最大主應(yīng)力為13.046 MPa，最小主應(yīng)力為4.474 MPa，垂直主應(yīng)力為7.640 MPa，滲透壓力為2.350 MPa。

圖4 初始地應(yīng)力Fig.4 Initial ground stress

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移分析

結(jié)合模擬結(jié)果，分別對兩水平巷道各步驟回采后的頂板及邊幫沉降變形情況進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖5 和圖6 所示，規(guī)定整體變形量大于10 mm 區(qū)域為回采過程擾動較大的區(qū)域，整體變形量小于10 mm區(qū)域為回采過程中擾動較小區(qū)域。

圖5 -105 m 水平巷道各步驟位移變化規(guī)律Fig.5 Displacement change laws of each step in -105 m horizontal roadway

圖6 -120 m 水平巷道各步驟位移變化規(guī)律Fig.6 Displacement change laws of each step in -120 m horizontal roadway

第一步回采結(jié)束后，兩水平巷道頂板及邊幫均產(chǎn)生了較大位移，-105 m 水平巷道邊幫最大沉降變形量為7.49 mm，位于各采場正上方或靠近采場采聯(lián)位置處，頂板最大沉降變形量為8.32 mm，位于39 線采聯(lián)端部，原因在于其處于采場正上方中心位置，因此受礦體回采擾動影響最大，而位于礦柱上方的采聯(lián)或距離礦柱較近的采聯(lián)，其頂板、邊幫沉降變形量均較小，-105 m 水平巷道主巷道由于距離采場較遠，其變形量較小，在4 mm 左右；-120 m 水平巷道變化相對-105 m 水平巷道則較小，主巷道由于距離采場較遠，其頂板、邊幫沉降變形量均較小，在2～3 mm之間，由于在礦體回采完畢后，對與采場連接的采聯(lián)部分進行了及時的充填，因此控制住了采聯(lián)沉降變形量進一步擴大，頂板、邊幫最大變形量在3 mm 左右。第二步回采結(jié)束后，兩水平巷道沉降變形量均較第一步回采結(jié)束后大幅度降低，-105 m 水平巷道最大沉降變形量增加2.29 mm，-105 m 水平主巷道沉降變形量基本未增大，39 線采聯(lián)端部沉降變形量最大，邊幫沉降變形量為9.78 mm，頂板沉降變形量為9.89 mm，其余各條采聯(lián)相較第一步回采后基本未產(chǎn)生較大變形；-120 m 水平巷道由于礦體回采結(jié)束后及時對空區(qū)進行充填以及其距離采場較遠，因此未產(chǎn)生較大變形，主巷道頂板及邊幫最大沉降變形量仍保持在2～3 mm，各條采聯(lián)頂板最大沉降變形量在3 mm 左右，分別是位于29 線與37 線之間的采聯(lián)，其原因在于相較于其他采聯(lián)，這幾條采聯(lián)距離采場較近，因此所受擾動也較大。第三步回采結(jié)束后，兩水平巷道的沉降變形量進一步增大，-105 m 水平巷道最大變形量達到11.66 mm，頂板最大沉降位移達到11.6 mm，位于39 線采聯(lián)端部位置，其余位置變形量增量較小，頂板及邊幫變形均小于10 mm；-120 m水平巷道受擾動影響相對較小，其邊幫最大沉降位移為3 mm，與第二步回采完畢后相同，而頂板沉降位移有所增加，最大值達到3.48 mm，位于39 線、33 線、29 線采聯(lián)端部位置。

整體上，隨著回采步驟的增加，兩水平巷道的沉降變形量均呈逐漸增大趨勢，而增加量則呈逐漸減小趨勢，由于-105 m 水平巷道39 線采聯(lián)位于采場正上方，因此其受擾動影響最大，超過了10 mm，在回采過程中應(yīng)著重關(guān)注此處位置，及時采取相應(yīng)措施控制其變形量的進一步擴大，同時，由于及時對采場進行了充填，避免了兩水平巷道變形量的進一步擴大。

匯總各監(jiān)測點下沉數(shù)據(jù)可知各監(jiān)測點沉降變形隨回采步驟進行呈現(xiàn)增大趨勢，且同步增大（圖7）。

圖7 位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data of displacement

1）-105 m 水平巷道：監(jiān)測點1 監(jiān)測51 線至53 線之間采聯(lián)端部頂板沉降，第一步回采引起頂板產(chǎn)生較大沉降變形，變形量為1.05 mm，后續(xù)回采其變形量呈線性增長，最終穩(wěn)定在3.48 mm；監(jiān)測點2 監(jiān)測45 線采聯(lián)端部頂板沉降，由于其位于采場正上方的邊緣，第一步回采引起其產(chǎn)生急劇下沉，下沉量達5.8 mm，由于采用充填法回采，避免了第一步回采產(chǎn)生更大的沉降變形，第二步回采、第三步回采對其影響較小，但沉降變形量仍持續(xù)增加，最終穩(wěn)定在8.61 mm；監(jiān)測點3 監(jiān)測39 線采聯(lián)端部頂板沉降，由于其位于采場的正上方，其受采動影響最大，第一步回采結(jié)束后，其沉降變形量達到7.2 mm，第二步回采、第三步回采對其產(chǎn)生的影響相對第一步回采較小，回采結(jié)束后，其變形量達到10.39 mm；監(jiān)測點4 監(jiān)測33 線采聯(lián)中間位置頂板沉降，由于其位于采場正上方的邊緣位置，其沉降變形量較監(jiān)測點3 小，第一步回采結(jié)束后，其變形量達到5.8 mm，第二步回采、第三步回采結(jié)束后，其變形量最終穩(wěn)定在8.89 mm；監(jiān)測點5 監(jiān)測33 線采場上盤采聯(lián)頂板沉降，由于其距離采場較遠，故礦體回采對其產(chǎn)生的影響相對較小，第一步回采結(jié)束后，其變形量為1 mm，回采結(jié)束后，其變形量穩(wěn)定在3.6 mm。

2）-120 m 水平巷道：監(jiān)測點1 監(jiān)測47 線采聯(lián)與主巷道交叉口頂板沉降，由于其距礦房中心位置較遠，回采初期，頂板受短暫時間的拉應(yīng)力影響，出現(xiàn)些許向上的變形，但隨著回采的進行，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，頂板由向上的變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌两底冃危罱K沉降變形量在第三步回采結(jié)束后穩(wěn)定在2.18 mm；監(jiān)測點2 監(jiān)測39 線采聯(lián)與主巷道交叉口頂板沉降，其變形規(guī)律與監(jiān)測點1 相同，均先產(chǎn)生向上變形，后轉(zhuǎn)變?yōu)槌两底冃?，但由于其距礦房中心位置較近，回采結(jié)束后，沉降變形量穩(wěn)定在2.99 mm；監(jiān)測點3 監(jiān)測33線采聯(lián)與主巷道交叉頂板沉降，隨著回采的進行，其最終沉降變形量穩(wěn)定在2.67 mm；監(jiān)測點4 監(jiān)測29 線采聯(lián)與主巷道交叉口頂板沉降，回采對其產(chǎn)生的影響相對較小，回采完畢后，其最終沉降變形量穩(wěn)定在1.14 mm；監(jiān)測點5 監(jiān)測19 線采聯(lián)與主巷道交叉口頂板沉降，其變形規(guī)律與監(jiān)測點4 相同，回采結(jié)束后，其最終沉降變形量穩(wěn)定在2.12 mm。

3.2 應(yīng)力分析

圖8 為-105 m 水平巷道、-120 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力隨著回采步驟進行的變化規(guī)律。由圖8 可知，隨著礦體的回采充填，兩水平巷道的最大壓應(yīng)力（-105 m 水平巷道：R2=0.998 9；-120 m水平巷道：R2=0.997 71）和最大拉應(yīng)力（-105 m 水平巷道：R2=0.995 8；-120 m 水平巷道：R2=0.941 06）均呈指數(shù)形式增長，其增長速率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，但-105 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力增長速率均大于-120 m 水平巷道，隨著礦體回采步驟的進行，對巷道所受最大壓應(yīng)力影響較大，當(dāng)?shù)V體回采完畢后，兩水平巷道所受最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均達到峰值，其中，-105 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力值為17.8 MPa，最大拉應(yīng)力值為1.8 MPa，-120 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力值為11.5 MPa，最大拉應(yīng)力值為0.37 MPa。基于受力可知，-105 m 水平所受最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力已接近巷道圍巖的抗壓、抗拉強度，壓應(yīng)力、拉應(yīng)力最大區(qū)域位于39 線采聯(lián)端部位置，其沉降變形也較大，一旦超過抗壓強度，必然會導(dǎo)致該位置產(chǎn)生破壞，-120 m 水平巷道所受壓應(yīng)力、拉應(yīng)力值均較小，且均未超過巖體強度，因此，從受力來看，-120 m 水平巷道保持在穩(wěn)定狀態(tài)，綜上所述，說明采用充填法進行礦體的開采，可以有效維持圍巖的穩(wěn)定性，避免兩水平巷道受到破壞。

圖8 各步驟應(yīng)力變化Fig.8 Stress variation at each step

進一步分析各開采步驟下滲透壓的變化規(guī)律，選取兩水平巷道在各步驟礦體回采結(jié)束后所受滲透壓最大值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知，隨著回采步驟的進行，兩水平巷道滲透壓呈指數(shù)增長規(guī)律（-105 m 水平巷道：R2=0.999 8；-120 m 水平巷道：R2=0.999 93），滲透壓總體呈增大趨勢，在第一步礦體回采完畢后，滲透壓增大速率較快，且-105 m水平巷道增大速率與增大值均大于-120 m 水平巷道，在后續(xù)回采步驟中，兩水平巷道滲透壓增加速率逐漸減小，在礦體全部回采完畢后，-105 m 水平巷道滲透壓為1.72 MPa，較未回采之前，滲透壓增加0.82 MPa，-120 m 水平巷道滲透壓為1.82 MPa，較未回采之前滲透壓增加0.17 MPa。由于礦巖受到回采擾動，導(dǎo)致巖體的孔隙水壓力產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，會對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而加劇巷道發(fā)生失穩(wěn)的可能性，因此，針對巷道受力及變形較大位置（-105 m 水平巷道29 線、35 線、39 線采聯(lián)，-120 m水平巷道29 線、33 線、39 線采聯(lián)），應(yīng)采取必要加固手段保證其穩(wěn)定性，避免造成人員和財產(chǎn)的損失。

圖9 各步驟滲透壓變化Fig.9 Osmotic pressure changes at each step

3.3 塑性區(qū)分析

圖10 為塑性區(qū)隨回采變化規(guī)律圖，在回采過程中以拉伸破壞為主，剪切破壞次之，其中拉伸破壞主要出現(xiàn)在采場上、下盤圍巖中，剪切破壞出現(xiàn)在上盤圍巖中，兩水平巷道附近發(fā)生的塑性破壞極少，且主要為拉伸破壞，考慮由于滲透壓的影響導(dǎo)致巖體強度降低，部分巖體出現(xiàn)破壞，但破壞范圍較小，巷道整體保持穩(wěn)定狀態(tài)。拉伸破壞在第一步回采、第二步回采過程中增長較快，在第三步回采過程中增長態(tài)勢變緩，基本與第二步回采后所產(chǎn)生的塑性區(qū)體積相同，剪切破壞在第一步回采、第二步回采過程中增長緩慢，在第三步回采過程中急劇增長?；夭山Y(jié)束后應(yīng)及時對采空區(qū)進行充填，避免塑性破壞區(qū)域延伸到兩水平巷道周圍。

圖10 塑性區(qū)變化規(guī)律Fig.10 Change law of plastic zone

3.4 現(xiàn)場位移監(jiān)測對比

本次監(jiān)測點布置與-105 m 水平巷道、-120 m 水平巷道數(shù)值模擬過程中監(jiān)測點布置一致，分別監(jiān)測各步驟礦體回采后相應(yīng)位置變形情況，監(jiān)測設(shè)備選用單點位移計（圖11）。

圖11 單點位移計布設(shè)Fig.11 Layout of single point displacement meter

在各步驟礦體回采完畢后，提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行整理，獲取穩(wěn)定后數(shù)據(jù)，分別得到-105 m 水平巷道、-120 m 水平巷道位移變化規(guī)律圖（圖12）。由圖12 可知，隨著回采的進行，兩水平巷道各監(jiān)測點位移變化規(guī)律均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，-105 m 水平巷道變形最大位置出現(xiàn)在監(jiān)測點3 位置處（39 線采聯(lián)端部），實際監(jiān)測沉降變形量為10.5 mm，與模擬數(shù)據(jù)10.39 mm 相差1%左右，其余監(jiān)測點變形量與模擬數(shù)據(jù)相比變化范圍均在1%左右；-120 m 水平巷道其最大沉降變形位置出現(xiàn)在監(jiān)測點2 位置處（39 線采聯(lián)與主巷道交叉口處），實際監(jiān)測變形量為2.8 mm，與模擬數(shù)據(jù)2.99 mm 相比變化6%左右，其余監(jiān)測點與模擬數(shù)據(jù)相比變化范圍也均在6%左右，由于-120 m 水平巷道整體位移較小，因此，模擬結(jié)果與實際變形量相差較小，通過對比模擬數(shù)據(jù)與實際位移變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，模擬結(jié)果監(jiān)測點沉降變形發(fā)展規(guī)律及變形量與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律及變形量基本吻合，表明通過數(shù)值模擬預(yù)測的兩水平巷道變形量較為合理，因此，在后續(xù)回采過程中可在此基礎(chǔ)上進行下一步模擬，確保礦體回采過程中兩水平巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 位移變形規(guī)律Fig.12 Deformation law of displacement

4 結(jié)論

1）基于3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D分析方法，可以對含水礦山礦體回采過程中巷道穩(wěn)定性進行有效分析，從而為含水礦山礦體回采過程中確保巷道穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

2）分別進行三步驟礦體回采模擬。礦體的回采引起兩水平巷道產(chǎn)生沉降變形，隨著回采的進行，兩水平巷道沉降變形均逐漸增大，每步回采引起的沉降變形量則逐漸減小，礦體回采完畢后，-105 m 水平巷道39 線采聯(lián)端部沉降變形量最大，為11.66 mm，其余部位沉降變形量小于10 mm；-120 m 水平巷道受擾動相對較小，其最大沉降變形量在3 mm 左右，采空區(qū)的及時充填有效地阻止了變形量的進一步擴大。

3）兩水平巷道所受最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力隨著回采步驟的增加呈指數(shù)增長規(guī)律，礦體回采完畢后，-105 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力值為17.8 MPa，最大拉應(yīng)力值為1.8 MPa，-120 m 水平巷道所受最大壓應(yīng)力值為11.5 MPa，最大拉應(yīng)力值為0.37 MPa，與位移變形位置相對應(yīng)，兩水平巷道所受最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著回采的進行，兩水平巷道滲透壓均呈現(xiàn)指數(shù)增長狀態(tài)，回采過程中，滲透壓較大區(qū)域均出現(xiàn)在各個采聯(lián)兩幫位置處，距離采場位置較遠的主巷道處，滲透壓基本保持初始滲透壓狀態(tài)。

4）結(jié)合應(yīng)力和塑性區(qū)分布可知，雖然巷道圍巖所受應(yīng)力并未超過巖石強度，但由于存在滲透壓，兩水平巷道在拐角位置及部分采聯(lián)端部位置出現(xiàn)塑性破壞，但塑性區(qū)范圍較小，表明滲透壓對巖石強度存在弱化作用，因此，在-105 m 水平巷道及-120 m 水平巷道變形、受力較大位置應(yīng)及時采取相應(yīng)措施，避免在礦體回采過程中造成更大的破壞。

5）通過模擬與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可知，數(shù)值模擬可準(zhǔn)確模擬礦體回采過程中兩水平巷道穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果可為含水礦山穩(wěn)定性開采提供理論依據(jù)。