阶段空场嗣后充填采矿法采场结构参数的岩石力学分析

 O引言

    随着采矿技术的发展、大型采矿设备的引进、新型充填材料的研制成功，应用新型充填材料开采大型冶金矿山已成为采矿工作者的优先选择。

    对于应用充填法开采大型冶金矿山所必须解决的先决条件是：1)充填材料的选择及充填系统的设计；2)开采-充填过程和采场结构形式的岩石力学分析。本文分析主要是结合几座大型冶金矿山充填法开采的可行性研究设计及国内外充填开采的岩石力学分析实例，说明在不同条件下充填法开采采场结构参数的确定方法；不同采场结构尺寸在开采-充填过程中围岩的应力、变形特征及围岩-充填体的协调变形特征，并在此基础上初步分析开采顺序对采场结构尺寸选择的影响及地层稳定性分析。

1  充填法开采矿山的地质背景

制约矿山开采最关键的问题是矿山的地质条件，其中包括构造、地层结构、水文地质、工程地质以及矿区地应力场特征等诸多条件。因此，无论采用何种采矿方法，首要的就是要查明并分析矿区地质条件对采矿的影响。从几个拟采用充填法开采的矿山地质条件来看，它们有着相同或近似的地质背景，如矿体顶板为含水丰富的灰岩和大理岩，有的矿山矿体顶板含水层与地表第四系或河流具有水力联系，在这种复杂及水文地质条件下开采矿体必然存在许多问题。因此提出充填法开采以缓解该矛盾的发生。

2应用岩体分级体系确定采场结构参数

    矿体及围岩的结构组成、质量级别制约采矿开采岩体稳定性和采场结构尺寸的确定。岩体结构的划分是在各工程地质岩组的划分基础上进行的。按岩体结构的分类可以经验地评价岩体变形、强度、时间效应和动力破坏特征，并可在此基础上评价岩体的稳定性。

    岩体分级是岩体特征和实际工程经验的总结。根据岩体分级指标可以经验地确定岩体强度、岩体设计强度、指导巷道支护设计、确定采场无支护跨度、最大暴露面积、岩体崩落角以及锚喷支护设计等。分析研究中主要考虑两种岩体分级体系：即Q分类体系、CSIR分类体系，使其岩体分级参数更为全面地用于地下采矿采场结构尺寸的估计。

    基于上述岩体结构特征分类和岩体分级系统，选择某矿山的矿体围岩及矿体等进行分类与分级，并为在岩石力学分析中经验地确定采场结构尺寸提供基础，见表1。

    应用Q分类体系可以经验地选择地下工程无支护最大跨度，并可确定围岩的支护分类及方法，也可以通过Q分类值经验地确定岩体的变形参数。按表I中所列各围岩的Q分类值的最大跨度：

    根据式(1)可得：顶板为大理岩时无支护最大跨度 L=20m；顶板为矿体时无支护最大跨度L=25m。

    以上计算是按临时性矿山巷道来考虑的(一般指存在时间一年左右)。对于永久性矿山巷道(存在时间10年以上)，ESR取1．6。永久性矿山巷道如运输巷道等一般均在下盘闪长岩体中，按式(1)确定其无支护最大跨度L=17m。

    南非科学和工业委员会(CSIR)Bieniawski等提出CSIR分类体系和在此基础上，南非 D．H．Laubscher以现场观念和修正的分级值为基础，充分考虑开采环境提出了MRMR分类体系。该体系更有效地解决了矿山开采中所遇到的相关岩石力学问题。应用稳定指数(式(2))可求得顶板最大暴露面积：

    当矿体倾角300、中段40m、顶板斜长80m时，可求得相应采场的稳定跨度a=17～23m(SI=7～9)，顶板最大暴露面积为1360～1840m2。

可以看出，应用不同分级体系所得出的结论是近似的(SI=8时，均值a=20m)。

3数值法计算模型的确定

    通过岩体分级经验确定采场结构参数后还需对所推荐的采场结构尺寸及开采-充填顺序应用数值计算方法进行模拟分析，以确定采场结构参数选择的合理性和可靠性。

    本次分析研究所采用的数值计算方法主要为有限元法并辅助采用边界元法进行分析。研究分析中，主要利用有限元程序模拟矿体开采-充填过程，并分析其围岩应力随采场结构尺寸及开挖-充填顺序的影响。

    依据岩体分级所确定采场结构尺寸，建立有限元计算模型。由于几个矿山矿体赋存条件不同，如矿体埋深、产状、围岩特征。考虑的剖面方向以垂直矿体走向方向作为采矿进路方向，由下盘向上盘推进，由两侧向中间依次开采。计算以非线性分析为基础，同时考虑了开挖充填过程。

表2为几座矿山实际计算模型及所模拟的开采顺序，对于充填材料的力学性质主要参考了几座矿山拟选用的充填材料经验选取的。

4  计算结果分析(采场结构、开采顺序、充填过程之间的相互关系)

    根据所建立的计算模型选择矿山二阶段空场嗣后胶结充填采矿法进行分析。根据计算模型，该矿山采用上向阶段空场嗣后胶结充填采矿法，阶段高60m，一、二步矿房均按15m考虑。通过有限元计算结论如下：

    ——多阶段上向阶段空场嗣后胶结充填采矿法，一、二步矿房开挖充填后，在其顶板产生较大的拉应力区，顶板围岩通过与充填体的协调变形达到稳定，并在顶板一定高度处达到一个稳定的应力拱；

    ——对于单阶段空场嗣后胶结充填采矿各步骤开挖-充填过程中，其顶板未产生大的拉应力区。局部所产生的拉应力区其拉应力值小于岩体的抗拉强度，顶板稳定性良好；

    ——无论是多阶段还是单阶段开采，在整个采区的边缘均产生较大的应力集中，多阶段开采时，其应力集中部位的最大压应值接近围岩抗压强度设计值；

    ——充填体通过与围岩的相互作用、相互协调变形，使回采所产生的应力集中得到缓解。充填体的刚度越大，其对围岩位移的限制作用越强，同时也能够改善围岩的应力环境；

——计算结果还表明，作为二步矿房回采矿柱的胶结充填体其内部应力值均<3MPa；而二步矿房开采充填后，其充填体内部应力值<1MPa。

5采场结构尺寸确定的合理性及安全性

    根据岩体结构分级及数值法计算分析结果，综合确定了采场结构尺寸，对于不同的矿体赋存条件，采用不同的采场结构及开采顺序，从计算实例中可以看出：

    ——围岩的岩体结构特征及分级指标近似，因此，其稳定的最大无支护跨度大多为17～23m，研究分析中多采用15m跨度；

  ——无论是上向或下向开采，充填体作用效果明显。它通过与围岩的协调变形，有效地限制了围岩的变形移动，并降低了围岩的应力集中。多阶段开采采场端部最大压应力值为3．2MPa，小于岩体抗压强度设计值；

  ——充填体内部应力<3MPa。因此充填体作为矿柱进行二步矿房开采时，有效地保证了二步矿房开采的稳定性。

    按研究中所提出的采场结构尺寸和开采顺序选择了矿山2第5勘探线剖面进行了数值法计算，以分析其对地表稳定性的影响，计算结果表明，充填体通过自身刚度阻抗顶板以至地表的变形，使地表未产生较大变形，上向开采地表的位移值小于下向充填开采地表的位移值。6  国外类似矿山实例分析

    国外目前采用充填法开采的大型铁矿山实例较少。乌克兰扎波罗热铁矿较典型，该矿是目前应用阶段矿房法并嗣后胶结充填采空区的大型地下铁矿。矿体走向南北，走向长2．5km，倾向东，倾角600～800，矿体厚2～210m，矿石品位60．5％。矿石中等稳固，f=12～14，下盘围岩稳固性较差，f=5～7。在矿体上部有厚50m，宽十几米，静水压力5MPa的含水岩层，并和顿聂兹河水系联系。扎波罗热矿体480～640m阶段北5～南7勘探线间应用阶段矿房采矿法并嗣后胶结充填采空区。矿房垂直矿体走向布置，由于矿体极厚，从矿体中间划分为上、下盘两部分回采。矿房几何形状呈菱形，上、下部分棱面与水平的夹角为600左右相邻矿房交错布置，不留顶底柱，形成无矿柱房式回采新结构。矿房长40～50m，宽30m，高92～100m至120～160m，分段凿巷道垂距30m。每个矿房回采周期约为半年。矿房矿石放出后，进行胶结充填采空区。充填料主要为炉渣、细砂和水泥高浓度充填体，充填强度达5～8MPa。

    生产实践表明，在具有较高的充填强度下，再经过半年以上养护时间，充填体暴露后，可呈稳定状态。矿房菱形布置结构，采用分区上、下行交叉的回采方式，回采后的采空区进行高强度的胶结充填，不仅保证上覆岩层不受破坏，而且提高了矿石回采率。采场菱形结构除稳定性较好外，下部便于集矿和出矿，上部有利于充填接顶。该结构对地压大，特别是深部开采其优越性就更加突出。

7结语

从几座矿山充填开采采场结构尺寸的计算分析过程可以看出，矿山的岩体结构特征资料及岩石的物理力学性质指标及地应力场条件等资料还很不全面。因此，计算分析过程中尚不能更合理地确定采场结构尺寸，因此这部分内容尚待完善。