多采空区干式充填与带式胶结充填力学性能数值模拟研究

科技 2024-11-05 13:25 湖南

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摘要

针对某萤石矿多采空区的工程概况,采用充填法治理采空区过程中提出了带式胶结充填体结构,运用3DEC离散元软件进行数值模拟计算,以空场法下采场的力学性能为基准,对传统废石干式充填与带式胶结充填2种不同充填方式下采空区进行沉降位移场、塑性区、应力场分析。结果表明:空场法下5号矿房顶板与左侧间柱出现塑性区贯通现象,有顶板坍落,间柱溃倒的风险;传统废石干式充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区面积大幅减少,但是由于废石自身重力作用顶板沉降量增加了12%;带式胶结充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区仅零星分布于受拉应力较大的临空面,顶板沉降量下降了4.33%,5号矿房上下盘收敛位移较空场法下降了12%。研究表明在不考虑充填成本的情况下,采用带式胶结充填治理多采空区,具有更优良的效果。

作者及单位

缪玉松¹，黄飞飞¹，朱明德²，李昱锦¹，王谦源¹

1.青岛理工大学理学院；2.山东黄金集团有限公司深井开采实验室

引用格式

缪玉松, 黄飞飞, 朱明德等. 多采空区干式充填与带式胶结充填力学性能数值模拟研究[J]. 金属矿山, 2024, (6):46-52.

正文

采用空场法开采地下矿产资源通常会形成大量的地下采空区,易诱发地表开裂、矿柱坍塌、顶板冒落等严重矿山灾害问题。空场法开采后由矿柱和围岩体共同作用维护采场的稳定安全,在开采过程中,采场主要由预留矿柱或人工矿柱进行支撑;充填法是由充填体与矿柱或围岩共同承载,对矿柱提供侧限应力,提高矿柱承载强度。充填法不仅能够有效地缓解地压问题,还能减少矿山废石或尾矿的堆放,符合矿山开采的环保要求。

近年来,国内外学者对空场嗣后充填法的研究主要集中在充填体性质上,采用不同材料或改变充填体料浆配比的方式对采空区进行充填,分析充填后采场的稳定性。林敏等运用数值模拟软件对采空区进行不同强度的充填体两步骤充填模拟,实现了矿柱成功回采,回收率达到 64.3%。董志富等针对矿山大直径深孔落矿嗣后充填,运用 FLAC3D软件进行数值模拟计算2种不同充填灰砂配比,在保证采场稳定性的同时,充填灰砂比可以由1∶4调整至1∶6,从而降低了充填成本。郭文晶等针对某矿利用掘进废石作为充填骨料用于井下充填,设计了废石胶结充填工艺,实现了矿柱的安全回采。杨建国等提出了适用于遂昌金矿高阶段大跨度柱状采空区低成本充填治理方案,并进行了充填体配比参数优化、管路线路设计,实现了大空区治理,产生了较好的经济、环境效益。陈伟华等对庙岭金矿分级尾砂进行了各种物理、力学特性实验,实验得出分级尾砂充填料浆在灰砂比 1∶4、料浆浓度 70%～74%时具有良好的力学特性,可以用于矿山充填作业。苗磊刚等采用数值模拟软件分析了矿体回采及采空区充填过程中的充填体及围岩受力特征及充填体在采场内的力学效应,得出充填体的灰砂比最低应为 1∶6,以维持充填体在采场的稳定。覃星朗等优选出分级尾砂新型胶凝材料胶结充填体,采用数值模拟的方法进行模拟充填,胶凝材料用量降低了21.8%。梁冰等运用FLAC3D数值模拟软件验证自研的复合激发尾砂盐基、碱基、水泥基胶结3种充填体充填效果,得出了碱基复合激发胶结充填体在减小顶底板变形、改善采场应力环境有良好的效果,对围岩具有良好的支撑作用。邓国梁等研究废石胶结充填体的孔隙特征和强度变化规律,基于能量释放与耗散原理获得了灰砂比为1∶3,细粒废石与粗粒废石配比为3∶2时的充填体最为合适。FENG F等研究了松散介质充填下采场的稳定性,并设计了垂直于矿体走向的进路充填采矿法回收孤立水平矿柱,实现了矿柱的安全回采。LIU Z X等建立了4种不同水泥尾砂配比充填体损失本构方程,研究了充填体与岩体的相互作用,推导了充填体失稳判据。董鹂宁采用离散元软件3DEC建立了工作面回采模型,模拟分析工作面回采时顶板失稳过程及应力重新分布规律。刘骞等采用三维离散元程序3DEC,对某矿开采进行了数值模拟,分析开采后采空区围岩的应力变化情况、上覆岩体的位移规律和矿柱塑性区变形情况,得出采用充填法开采的盘区比房柱法开采的盘区稳定性要好。

综上所述,众多专家学者对于充填法治理采空区,大多集中于充填体的材料、胶结充填灰砂配比与料浆浓度等方面进行研究,并取得了丰硕的成果。主要从两个方面入手:一是通过土工实验配比出力学性能优良的充填体材料;二是建立工程模型通过数值模拟的方法来验证充填体填入采空区的效果。但是对空场嗣后充填的充填体结构研究匮乏。鉴于此,本文以某萤石矿山采空区治理为背景,运用3DEC离散元数值模拟软件对空场法与充填法处理采空区采场稳定性进行数值模拟分析,比较空场法与充填法下采场稳定性。并结合废石干式充填与带式胶结充填的数值模拟结果,分析2种不同充填结构的力学性能及对围岩的支护作用,为空场嗣后充填工艺的选择提供了指导依据。

1 工程背景与计算方案

1.1 工程背景

某萤石矿床赋存于区域性构造破碎带中,主要由半坚硬岩石组成,岩体结构以裂隙块状和层状碎裂为主,岩组结构较为复杂,有局部软弱夹层或透镜体分布,各类结构面较发育,可在风化破碎带、构造破碎带产生变形破坏,工程地质条件属中等类型。该矿以往采用浅孔留矿法开采,矿区围岩、采空区和矿体总体稳定性较好,未出现坍塌、冒落、片帮、积水等现象。现开采3号矿体岩质较坚硬,呈裂隙块状结构,局部层状碎裂结构,稳定性中等;产状均呈北北东57～70°走向,倾角55～80°,平均65°,倾向南东,为急倾斜产状,厚度较薄,矿体平均厚度1.98 m,矿体厚度的变化系数较大。其中最大真厚度达到12.10 m,最小真厚度仅为0.70 m,矿体厚度变化系数达86.29%。采用空场嗣后充填法,沿矿体走向分为3个长27 m的矿房,预设间柱为3个矿房分界线,以预设顶底柱将矿体分为上中段与下中段。

由于矿体厚度的变化系数较大,已经开采的薄矿体空场可以保持较长时间的稳定,厚矿体开采能否长时间稳定仍有很大风险,且矿体上部距离地表较近,只有31 m左右,地表安全是否可以保证。以何种充填方式来保证上下盘、矿房与地表安全是亟需解决的重难点问题。

1.2 计算方案

考虑到矿体距离地表较近,采场开采后若矿柱不能保持稳定,间柱和顶底柱垮塌必然出现上下盘围岩向空区的垮塌或滑落,从而引起覆盖岩层的不稳定,垮落至地表,对充填体强度与稳定性要求较高。设计2个空场嗣后充填模拟计算方案:

方案一:采用井下掘进废石和部分地面其他来源废石充填空区,称为干式充填。

方案二:在废石干式充填段中间增加一条由废石胶结充填加强带,称为带式胶结充填。

2 计算模型与采空区模拟

2.1 计算模型建立

取x、y、z向分别为倾向、走向、高度方向。沿倾向方向建立6个矿房,取矿体倾角68°,走向方向两边各扩大50 m作为矿体边界。矿房间柱宽取8.0 m,上下段间顶底柱高6.0 m;矿块长取35 m,其中矿房长27 m,按矿体真厚度9.0 m计算,矿房水平暴露面积262 m2。使用CAD构建矿体三维模型后导入3DEC软件,为节约计算时间采用梯度网格尺寸,计算模型如图1所示。最终模型尺寸为128 m×197 m×174 m。需重点计算分析的矿区、地表、网格尺寸较小,上下盘及周边围岩尺寸较大,三维模型共划分426 840个网格,节点1 067 100个,模型侧面及顶部边界条件为固定约束。采用莫尔库伦模型,结合现场测试数据与经验数据,围岩、矿体与充填体的密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度等力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数

图1 去除上盘的三维模型

2.2 矿体开采模拟

矿体分为上下2个中段,上中段开采后有3个矿房由2根宽取8.0 m的间柱分隔,上、下中段由高6.0 m顶底柱分隔,下中段6号矿体不开采,1～5号矿房为采空区。矿体开采模拟目的是考察间柱、顶底柱塑性区情况、5号矿房上方顶柱与地表最大沉降量、上下盘的最大收敛位移、5号矿房两侧间柱与顶柱的主应力(主要考察拉应力)。以下计算结果分析除特殊声明外,主要取2个剖切位置:沿矿体走向中间取纵剖面(纵剖面);在5号矿房顶底柱跨中取横剖面(横剖面)。

空场法下所做数值模拟是为了对比分析干式充填与带式胶结充填,模拟矿体采空1～5号矿房了解其受力情况作为2种充填方式的初始条件。

2.3 矿体开采模拟计算结果

图2为1～5号矿房采空后矿房及周边沉降情况,下中段2个矿房顶柱沉降云图呈良好的拱形,5号矿房顶柱跨中最大沉降为2.64 mm;上中段矿房顶板最大位移不超过1.5 mm;地表位移很小,只有0.11 mm;5号矿房中间位置上盘围岩法向位移达2.99 mm,下盘围岩则呈上凸现象,凸出位移3.6 mm,则5号矿房处上下盘收敛位移为6.59 mm。矿场整体在开采后应力重新分布后有微小的沉降。

图2 采空区沉降及上凸位移(z向)

图3为1～5号矿房采空后主应力分布情况,分析可见:下中段矿房顶柱出现一定范围的卸压区,产生的最大拉应力0.5 MPa;上中段矿房顶板几乎不承受拉应力;下中段间柱临空侧出现一定范围的卸压区,但看不到拉应力;芯部受压,最大压应力0.28 MPa;5号矿房上下盘围岩出现椭圆形卸压区,临空侧出现拉应力,最大为0.4 MPa,与沉降及上凸情况一致。

图3 采空区主应力分布

如图4塑性区分布所示,上中段矿房间柱和顶板覆盖围岩均未出现塑性区;下中段4号、5号2矿房顶柱中间出现连续的剪切塑性区,但整体未贯通;图4(a)可见下中段间柱中下部有部分贯通现象,但结合图4(b)可见,间柱的塑性区主要集中在纵剖面芯部的较小范围。塑性区出现部分贯通并不意味着破坏状态,当围岩塑性区发展到一定程度,发生塑性应变突变或位移突变时才表明顶底柱真正地发生失稳。结合竖向位移与主应力分析可知:按2.1节设计的矿块参数,与现场实际较为吻合,空场法下矿场是安全的。

图4 采空区塑性区分布

3 干式充填模拟计算结果

干式充填由废石或尾砂直接进行充填,1～4号矿房进行干式充填,由于干式充填的缺点是废石的大小不同,会在自身重力作用下导致压缩变形大,本次干式充填模拟考虑垂直高度1 m不接顶(即为空气)。

3.1 沉降情况

图5为1～4号矿房采用废石干式充填下矿场沉降凸起情况,图5(b)显示上盘呈不同程度沉降,下盘呈轻微的上凸。由于5号矿房上方充填废石导致5号矿房顶柱跨中受力增大最大沉降为3.0 mm,较空场法增加了0.36 mm;由于1～4号矿房充填废石分担了更多上盘的压力,5号矿房中间位置上盘围岩法向位移达2.8 mm,下盘围岩则呈上凸现象,凸出位移3.1 mm,则5号矿房处上下盘收敛位移为5.9 mm,相较于空场法降低10.5%。

图5 干式充填下沉降及上凸位移(z向)

3.2 塑性区与应力分析

考察废石充填下矿场塑性区情况,如图6所示。在废石干式充填1～4号矿房下,图6(a)中下中段5号矿房两侧间柱塑性区仅分布间柱底部,且呈零星分布,5号矿房上方顶柱临空面呈现零星几点塑性区,再结合图6(b)分析,顶柱与间柱塑性区面积较空场法下大幅减少。上中段顶板和没有充填的5号矿房上下盘都未出现塑性区,可知干式充填后,矿柱和围岩的稳定性大为提高。

图6 干式充填下塑性区分布

图7为干式充填下主应力分布情况,在5号矿房上方及其邻近区域形成了大面积的卸压区,5号矿房两侧间柱及顶柱临空面都受到了不同程度拉应力,大小均不超过0.5 MPa,废石干式充填体也在受压或受拉下受到较严重的破坏变形,与塑性区情况相验证。由此可知,废石干式充填体对维护围岩稳定,增强矿柱的安全性起到了良好的作用。

图7 干式充填下主应力分布

4 带式胶结充填计算结果

废石胶结充填的位置可选在下部、中部或上部。考虑到顶底柱的变形刚度远大于胶结充填体,废石胶结充填选在空区底部和顶部所能起的作用有限,在上下盘收敛位移较大的空区中部进行部分废石胶结充填,混合充填方案如图8所示。

图8 带式胶结充填示意

4 带式胶结充填计算结果

图8 带式胶结充填示意

4.1 沉降情况

图9为1～4号矿房采用带式胶结混合充填下矿场沉降凸起情况,图9(b)显示上盘呈不同程度沉降,下盘呈轻微的上凸。由于5号矿房上方采用带式胶结混合充填,胶结带强度较高承担了一部分废石重力,5号矿房顶柱跨中受力增大最大沉降为2.9 mm,较干式充填减少了0.1 mm;由于1～4号矿房采用带式胶结混合充填分担了更多上下盘的压力,5号矿房中间位置上盘围岩法向位移达2.7 mm,下盘围岩则呈上凸现象,凸出位移3.1 mm,则5号矿房处上下盘收敛位移为5.8 mm,相较于空场法降低10.7%。充填体上部有明显的隆起现象,其中4号矿房的充填体隆起最大,达到56 cm。

图9 带式胶结充填沉降及上凸位移(z向)

4.2 塑性区与应力分析

如图10所示,下中段矿房顶柱和间柱中已经基本没有塑性区;带式胶结充填充填体中也没有出现塑性区,在干式废石充填的下部和上部出现零星几点的塑性区,带式胶结充填带未出现塑性区,可见胶结充填部分比干式充填力学性能要优。再结合图10(b)分析,5号矿房上方顶柱与左侧间柱塑性区面积较干式充填下减少。图11为带式胶结充填下主应力分布情况,图11(b)中5号矿房周围上下盘出现大面积的卸压区,5号矿房两侧间柱及顶柱临空面都受到了不同程度拉应力,大小均不超过0.4 MPa。

图10 带式胶结充填塑性区分布

图11 带式胶结充填主应力分布

5 结论

综上所述,以1～5号矿房采空后矿场稳定的前提下,开展了2种不同充填方案进行数值模拟计算和数据分析,可以得到以下结论:

(1)在矿场1～5号矿房采空后,空场法下的塑性区、沉降量、最大主应力情况是较为稳定的,间柱与5号矿房顶板塑性区形成了小区域贯通,顶板最大沉降量2.64 mm,顶板受拉应力最大值为0.5 MPa,不会产生顶板垮落、矿房片帮、间柱倒塌等现象。

(2)采用废石干式充填1～4号矿房,虽然5号矿房顶板在上中段废石充填的重力作用下最大沉降量增至3.0 mm,但从5号矿房顶板及两侧间柱塑性区考虑,塑性区仅呈小面积分布均未发生贯通现象。

(3)采用带式胶结充填1～4号矿房,5号矿房顶板在上中段充填体的重力作用下最大沉降量增至2.9 mm,带式胶结充填带承担了一部分废石重量,相较于废石干式充填,5号矿房顶板最大沉降量降低了0.1 mm。顶板及两侧间柱塑性区仅呈零星集中于临空面,与所受拉应力表现一致。

(4)为了提高矿房长期稳定性,采用充填法可以提高矿房整体的长期稳定性。废石干式充填与带式胶结充填从充填效果来看,带式胶结充填明显优于废石干式充填,在矿山尾砂条件允许的情况下,可采用带式胶结充填提高矿山充填效果。

参考文献（略）

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