某矿山崩落法和充填法联合开采采场地压分析

1、某矿山崩落法和充填法联合开采采场地压分析刘礼福，黄今，孙宇超，熊珂，冯志昊（西南科技大学环境与资源学院 四川 绵阳 621010）摘要：某矿山采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采。本文研究两种方法同时开采时采场地压的变化及采场稳定性问题，运用FLAC3D数值模拟技术对该矿山采场地压的演化规律进行模拟研究并利用微震监测技术验证模拟结果。研究表明，该矿山上部矿体随着无底柱分段崩落法的进行，下部胶结充填体的稳定性得到显著提高，下部充填采场矿柱受力整体呈下降趋势，且无底柱分段崩落法开采结束后，下部充填采场矿柱的垂直应力下降了约35%。由此可见采用无底柱分段崩落法开采能有效缓解下部充填采场的地压，有利于

2、提高采场的稳定性。基金项目：西南科技大学博士基金项目（19zx7104）第一作者简介：刘礼福（1996-），男，四川广安人，硕士研究生，安全工程专业，主要研究方向为矿山安全与采矿技术，E-mail：3296594367。通讯作者简介：黄今（1981-），男，重庆云阳县人，讲师，博士，安全科学与工程专业，主要研究方向为矿山稳定性监测与分析，E-mail：35417234。关键词：无底柱分段崩落法；FLAC3D数值模拟；微震监测；充填法；采场稳定性中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：Analysis of stope ground pressure by Caving and Fil

3、ling in a MineLIU Lifu,HUANG Jin,SUN Yuchao,XIONG Ke,FENG Zhihao(Environment and Resources Institute of Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010,china)Abstract：In a mine, sublevel caving method without bottom column and filling method are used for mining. This paper st

4、udies the change of stope ground pressure and stope stability when two mining methods are used at the same time. FLAC3D numerical simulation technology is used to simulate the evolution law of stope ground pressure in this mine and microseismic monitoring technology is used to verify the simulation

5、results. The results show that with the development of sublevel caving method, the stability of the lower consolidated backfill is significantly improved, and the force on the lower stope pillar is on the decline. After the mining of sublevel caving method, the vertical stress of the lower stope pil

6、lar decreases by about 35%. Thus it can be seen that the mining method of sublevel caving without bottom column can effectively relieve the ground pressure in the lower filling stope and is conducive to improving the stability of stope.Keywords: Sublevel caving method;FLAC3D numerical simulation;Mic

7、roseismic monitoring;Filling method;Stope stability引 言矿山地压的显现是在原岩应力状态下，人们的生产活动打破了岩体的初始平衡状态，导致岩体变形并逐步向新的平衡状态转化的过程。在这个过程中，针对不同的开采方法地压显现存在着不同的规律。近年来，随着国家对矿山生产活动等安全工作的重视，很多学者对矿山地压问题进行了大量的研究。例如，曹帅1等基于弹性力学平面应变基本假设对金属矿山阶段嗣后充填法矿柱力学模型进行了理论求解计算；MANOJN.B2基于分析程序Phase2探究了二步矿块回采对邻近胶结充填体稳定性影响，结果表明充填采场的接顶程度将影响采场的整体

8、稳定及采场应力的消减与转移，并发现充填体底部受力明显大于顶部区域。黄苏锦3对充填法开采中的不安全因素进行了分析；Razak Karim等4对某矿采场的膏体充填稳定性进行研究，采用解析法和数值模拟相结合的方法对膏体充填采场的受力、破坏模式及变形等进行分析，从而评价了该膏体充填采场的稳定性。吴连贵5采用FLAC3D数值模拟技术对缓倾斜中厚矿体充填法开采地压进行了研究。黄毅6针对无底柱分段崩落采矿法的地压进行了研究并提出了控制地压的可行性措施；胡宝文7采用现场监测的方法对北洺河铁矿无底柱分段崩落法开采下进路地压的变化规律进行了研究。以上学者均是对单一采矿方法开采下，采场地压的变化进行研究，在采用两种

9、采矿方法开采的矿山，采场地压的相关研究相对较少。因此，本文采用FLAC3D数值模拟技术对某矿山同时采用无底柱分段崩落法和充填法两种采矿方法下，采场地压的变化和矿柱受力情况进行研究与分析，为矿山实现崩落法与充填法的安全高效协同开采提供重要的科学依据，对矿山而言具有重大的实际意义。1矿山简介某矿山原采用充填法开采，设计要求为“采一充一”的生产方式，但是矿山为便于生产组织管理，经常采用“隔一采一”的生产方式，在开采完几条进路之后再集中充填，因此在采场留下了很多非连续的进路式采空区。目前该矿山采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采，简化模型示意图如图1所示。图中18分别表示充填采场开挖后形成的8个间柱。

10、上部矿体采用无底柱分段崩落法开采，下部矿体采用充填法开采，在采用两种方法同时开采的情况下，下部采场开采形成的非连续进路式采空区采场地压会产生显著的变化。尤其是上部矿体在崩落法开采的影响下，是否依然能保证下部充填采场顶板和矿柱的稳定性，是当前急需解决的问题。图 1 矿体分布示意图Fig. 1 Ore body distribution diagram2模型的建立由于该矿山矿体厚大，同时为降低模拟的运算量，选取矿体的一部分进行模拟。模型总体上分为5部分，由上至下分别为上部充填体、上部矿体、下部充填体、下部矿体、两侧为围岩。模型的简化示意图如图1所示。根据图1建立矿山开采的FLAC3D数值模型，所建

11、立的模型如图2所示。该模型的尺寸为：长宽高=135m200m170m，共建立229400个节点，223980个单元。图 2 模型示意图Fig. 2 schematic diagram of the model2.1力学参数的选取数值模拟中上部充填体、上部矿体、下部充填体、下部矿体和围岩的力学参数参照该矿山岩石强度指标，将该矿山岩石的强度指标根据Hoek-Brown岩体强度8-9折减公式折减后得到该矿山各岩体的强度指标。由于岩体的物理力学性质与弹塑性材料特征相近，根据充填采场的实际效果来看，矿柱的破坏主要为剪切破坏。所以此次研究选用摩尔-库伦强度本构模型10-11，开挖部分采用空单元（null）

12、模型12。基于摩尔-库伦准则计算过程中需要的参数主要有：体积模量、剪切模量、内摩擦角、粘聚力和抗拉强度。根据公式（1）（2）得到各岩体的体积模量和剪切模量并将该矿山各岩体的力学参数汇总如表1所示。 （1） （2）式中，为体积模量，为剪切模量，为弹性模量，为泊松比。表1 岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass矿岩体类别矿体胶结充填体围岩抗压强度（Mpa）36.398.6211.47抗拉强度（Mpa）0.80.4290.86弹性模量（Gpa）7.907.6211.5体积模量（Gpa）4.75.776.39剪切模量（Gpa）3.242.984

13、.79泊松比0.220.280.31平均容重kg/m3302020002730摩擦角（）37.5836.640.5内聚力（Mpa）2.7870.50.8将表1中的岩石及胶结充填体的力学参数带入Bieniawski公式可计算得岩体及充填体在三向应力条件下的力学参数，Bieniawski公式如式（3）所示。 （3）式中：表示材料单轴抗压强度，MPa；表示常数，当w/b5时，=1.4，当w/b5时，=1.0。由于胶结充填体与矿体的差别较大，因此需要分别进行计算。将胶结充填体单轴抗压强度=8.62MPa，w=5，c1=2.5带入式（3），求胶结充填体的强度为：11.72MPa，将矿石单轴抗压强度=36

14、.39MPa，w=5，c2=2.5带入式（3），求得矿体的强度为：49.49MPa。2.2模拟工况本文模拟工况按照先开挖进路，再回采矿石的顺序进行模拟。由图1和图2可知，上部矿体分4个分段进行回采，因此模拟步骤设置如下：开挖下部充填进路；开挖无底柱分段崩落法首采分段进路；回采首采分段矿石；开挖无底柱分段崩落法第二分段进路；回采第二分段矿石；开挖无底柱分段崩落法第三分段进路；回采第三分段矿石；开挖无底柱分段崩落法最末分段进路；回采最末分段矿石。2.3边界条件本模型的边界条件包括位移边界和应力边界。设置固定模型边界水平方向上的位移和加速度，并在模型的顶部施加上覆岩层的自重应力；并随着开采的进行根据

15、上覆岩层重度的变化而变化，在x轴方向上施加水平应力并设置应力梯度，y方向上由于被断层错断因此不施加水平应力。模拟过程中不考虑地下水、节理裂隙和时间效应。3模拟结果分析由于该矿山地质条件复杂，又采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采，因此为保证下部充填采场的安全需对该矿山采场地应力进行模拟分析。该矿山模拟结束后，下部胶结充填体的最大主应力、最小主应力、垂直应力和水平应力的计算云图分别如图3图6所示，下部充填采场“进路式”采空区中矿柱的受力状态如图7所示。3.1下部胶结充填体模拟结果该矿山模拟结束后，下部胶结充填体的最大主应力、最小主应力、垂直应力和水平应力的计算云图（部分图件）分别如图3图6所示。

16、图 3 崩落法回采完毕后最大主应力分布图Fig. 3 Distribution diagram of maximum principal stress after caving mining图 4 崩落法回采完毕后最小主应力分布图Fig. 4 Distribution diagram of minimum principal stress after caving mining图 5 崩落法回采完毕后垂直应力分布图Fig. 5 Vertical stress distribution diagram after caving mining图6 崩落法回采完毕后水平应力分布图Fig. 6 Hor

17、izontal stress distribution diagram after caving mining根据图3图6可知，该矿山上部矿体在采用无底柱分段崩落法开采结束后，下部胶结充填体和充填采场间柱垂直方向的应力显著降低，水平方向应力影响不大，由此可知，西二采区矿体主要受垂直应力影响。根据图5绘制下部胶结充填体的垂直应力变化图，如图7所示。图 7 无底柱分段崩落法各分段回采完毕后下部充填体垂直应力分布图Fig. 7 vertical stress distribution of lower filling body after the completion of sublevel cav

18、ing without sill pillar由图7可知，随着上部矿体各个分段的回采，下部胶结充填体受垂直方向的力逐渐降低。且根据2.1节可知，下部胶结充填体的强度为11.72MPa，无底柱分段崩落法开采之前，下部胶结充填体中部的垂直应力约为5.51MPa，无底柱分段崩落法开采结束之后，下部胶结充填体最大垂直应力约为3.32MPa，远小于胶结充填体的极限抗压强度，下部胶结充填体的稳定性得到显著提高。3.2下部充填采场模拟结果下部充填采场“进路式”采空区中矿柱的受力状态如图8所示，无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力统计图如图9所示。 （a）无底柱分段崩落法开采之前 （b）无底柱分段崩落法开

19、采结束（4分段回采完毕）图 8 无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力分析图Fig. 8 stress analysis of pillars between filling stopes before and after sublevel caving图 9 无底柱分段崩落法开采前后充填采场间柱受力统计图Fig. 9 stress statistics of pillars between filling stopes before and after sublevel caving without bottom pillar根据图9可知，无底柱分段崩落法开采结束后，充填采场间柱受垂直方向

20、的应力显著下降。且无底柱分段崩落法开采前后充填采场采空区间柱所承受的垂直应力由原先的11.5MPa下降到了7.5MPa，约下降了35%，极大的提高了充填采场的稳定性。4微震监测验证为验证数值模拟的正确性，本文采用微震监测技术对矿区进行全面的动态监测。本次微地震监测系统使用的是48通道、24位采样精度的微地震数据采集仪，采样率为1000Hz，增益为16，总共使用了16个三分量速度传感器，采用连续记录方式进行监测，实时微地震信号显示。为实现对崩落法采场空区顶板围岩冒落及各采场稳定性的全面监测，结合矿山实际工程布置，16个三分量速度传感器分别安装在1650m、1554m、1494m、1430m四个水

21、平，每个水平布置4个传感器，在现场布置时尽可能的使传感器构成的几何矩阵将矿体包围起来，微地震监测台站布置于1554m水平的休息硐室之中。通过现场监测，得到采场中发生强微震事件的位置如图10所示。图 10 强微震事件发生位置Figure 10 The location of the strong microseismic event根据图10可知，具有剪切破坏特征的强微地震事件，发生位置均在崩落法采空区正后方3040m，标高在1610m1630m水平，且这几次强微地震事件发生之前，都监测到了若干弱微地震事件，预示着岩石内部裂隙的逐步发育及能量积蓄。总体来说，微地震系统监测到的微地震事件主要集中在

22、崩落法采场采空区附近，表明崩落法采矿引发采区应力发生重分布，导致采空区顶板发生开裂冒落，这说明随着崩落法采矿的进行，采空区顶板胶结充填体已经安全顺利地发生冒落形成覆盖层。而充填采场及其附近未监测到任何强微地震事件，表明上部中段的崩落法采矿未对下部充填采场的稳定性造成不利影响，证实了数值模拟结果的正确性。5结论通过采用FLAC3D数值模拟技术对该矿山采场地压的演化规律和矿柱受力情况进行模拟研究并利用微震监测技术对模拟结果进行验证，综合分析后得出以下结论：1）该矿山在采用两种采矿方法联合开采的条件下，地压环境主要受垂直应力影响，且随着上部无底柱分段崩落法的回采，对下部胶结充填体及充填采场在一定程度

23、上起到了卸压作用，充填采场的稳定性得到显著提高。2）微地震监测验证了数值模拟结果的正确性。在崩落法回采过程中，微震事件主要发生在崩落法采空区顶板以上，下部充填采场附近未监测到任何强微震事件，表明上部中段的崩落法采矿未对下部中段充填采场的稳定性产生不利影响。3）本研究为矿山实现充填法与崩落法的安全高效协同开采提供了科学依据，对矿山而言具有重大的工程实际意义和重要的研究价值。参考文献1 曹帅,杜翠凤,谭玉叶,付建新. 金属矿山阶段嗣后充填胶结充填体矿柱力学模型分析J. 岩土力学,2015,36(08):2370-2376.CAO Shuai, DU Cuifeng, TAN Yuye, FU Ji

24、anxin. Mechanical model analysis of consolidated filling pillar using stage-delayed backfill in metal minesJ. Rock and Soil Mechanics,2015,36(08):2370-2376.2 Manoj N. Bagde,Hani S. Mitri. Numerical Analysis of Backfill Face StabilityJ. Procedia Earth and Planetary Science, 2015, 11.3 黄苏锦. 充填法开采矿床的不安

25、全因素及对策J. 铜业工程,2002(02):23-24.HUANG Sujin. Unsafe factors of back-fill mined orebodies and its countermeasuresJ. Copper Engineering,2002(02):23-24.4 Razak Karim,Ganda M. Simangunsong, Budi Sulistianto, Arnol Lopulalan. Stability Analysis of Paste Fill as Stope Wall using Analytical Method and Numeric

26、al Modeling in TheKencana Underground Gold Mining with Long Hole Stope MethodJ. Procedia Earth and Planetary Science, 2013, 6.5 吴连贵. 缓倾斜中厚矿体充填法开采地压分布规律研究D. 福州大学,2017.WU Liangui. Study on the distribution of ground pressure in mining by filling gently inclined medium thick ore bodiesD. Journal of Fuz

27、hou University(Natural Science Edition),2017.6 黄毅. 无底柱分段崩落采矿法地压控制J. 技术与市场,2012,19(04):103-104.HUANG Yi. Ground pressure control by sublevel caving mining method without bottom columnJ. Technology and Market,2012,19(04):103-104.7 胡宝文,李长洪,魏晓明. 回采空间变化对无底柱分段崩落法进路地压的影响J. 金属矿山,2015(12):5-9.HU Baowen, LI C

28、hanghong, WEI Xiaoming. Impact of mining space variation on stope ground pressure with respect to pillarless sublevel cavingJ. Metal Mine,2015(12):5-9.8 赵冬. 基于Hoek-Brown准则的高陡岩质边坡岩体力学参数估算J. 中国水运(下半月),2019,19(06):235-236+238.ZHAO Dong. Estimation of rock mechanics parameters of high and steep slope based on Hoek-Brown criterionJ. China Water Transport,2019,19(06):235-236+238.9 吴松,魏作安,杨永浩. 基于Hoek-Brown准则