傲牛鐵礦三采區(qū)充填體穩(wěn)定性及間柱回采順序研究

胡世利 衣福強(qiáng) 周 樂 張世玉 邱景平

（1.撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司，遼寧撫順113001；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

傲牛鐵礦在回收礦柱時(shí)為保證生產(chǎn)安全，準(zhǔn)備采用上向水平分層充填法進(jìn)行回采；在回采礦柱之前，需要對(duì)礦柱鄰近的礦房空區(qū)進(jìn)行充填，待充填體達(dá)到一定的強(qiáng)度要求時(shí)方可回收礦柱。通過前期全尾砂膠結(jié)充填的試驗(yàn)，傲牛鐵礦充填擬采用普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)劑，骨料選取的是含泥少、透水性好的選礦廠全尾砂，充填體外形尺寸與礦房一致，長(zhǎng)×高×寬為40 m×50 m×14 m，充填料采用的是灰砂比1∶20，料漿濃度76%。

充填體在充滿采場(chǎng)并形成一定強(qiáng)度之后，由于時(shí)間效應(yīng)，充填體會(huì)繼續(xù)下沉，產(chǎn)生較大的垂直位移；與充填體緊密相近的圍巖較充填體具有高強(qiáng)度、高剛度，產(chǎn)生的垂直位移要小得多，正是由于這種產(chǎn)生垂直位移大小的差異性，致使圍巖會(huì)在一定程度上阻止充填體下沉，產(chǎn)生面與面的摩擦力，從而使充填體內(nèi)垂直、水平應(yīng)力比自重應(yīng)力要低，這種現(xiàn)象稱為“成拱作用”［1-6］。由于同一生產(chǎn)中段有多個(gè)間柱，開采間柱之后，會(huì)降低圍巖對(duì)礦房充填體的“成拱作用”，充填體的受力條件發(fā)生改變，影響充填體的穩(wěn)定性。不同的開采順序會(huì)造成礦房充填體受力條件多次變化，對(duì)穩(wěn)定性的影響程度也不一樣。故研究充填體在間柱開采時(shí)受力的穩(wěn)定性對(duì)優(yōu)化間柱回采順序具有一定的指導(dǎo)意義。

1 礦房充填體穩(wěn)定性分析［7-8］

如圖1所示建立礦房充填體受力模型圖，圖中充填體左側(cè)受到未開采間柱的側(cè)向壓力P，礦房膠結(jié)充填體上部受到上覆圍巖壓力Q作用，右側(cè)為暴露自由面，由于空區(qū)形成已久，間柱不會(huì)向充填體發(fā)生收斂位移，此時(shí)礦房充填體為主動(dòng)壓力狀態(tài)，假設(shè)充填體與間柱僅存摩擦力（界面黏結(jié)力為0），側(cè)壓力P的大小與間柱高度成正比為

式中，γ為礦石的容重；x為充填體沿深度方向坐標(biāo)值；φ為間柱與充填體之間的有效摩擦角，其值可近似取充填體的內(nèi)摩擦角。

礦房充填體高度為50 m，間柱回采完畢，暴露高度即為50 m，此條件下采用南非公式對(duì)膠結(jié)充填體能否保持自穩(wěn)做出判斷，即

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)，一般取1.2；a為垂直方向加速度，取重力加速度與微震動(dòng)引起的加速度的垂直分量之和；β為滑移角；ρ為充填體容重。

將充填體的相關(guān)力學(xué)參數(shù)代入式（2）得此條件下充填體極限自立高度56.12 m，故在該礦房充填體強(qiáng)度條件下能夠自穩(wěn)。

對(duì)圖1的模型進(jìn)行力學(xué)分析，假設(shè)應(yīng)力函數(shù)分量σy=xf（y），可得應(yīng)力函數(shù)：

代入相容方程?4φ=0，對(duì)任意區(qū)域內(nèi)的x、y均成立，并結(jié)合充填體力學(xué)模型的應(yīng)力邊界條件可得應(yīng)力函數(shù)分量：

由圖2可以看出，礦房膠結(jié)充填體臨近間柱空區(qū)開采方向沒有水平應(yīng)力，另一側(cè)與未開采間柱相鄰側(cè)則受到最大的水平應(yīng)力為0.478 MPa，且隨著充填體暴露高度越高，水平應(yīng)力越大；當(dāng)沿著充填體底部時(shí)，在膠結(jié)充填體暴露側(cè)，剪切應(yīng)力為0，在未開采間柱相鄰側(cè)，膠結(jié)充填體所受剪切應(yīng)力趨向一定值，達(dá)到0.892 MPa，這是由于膠結(jié)尾砂充填體在變形的過程中與間柱接觸而產(chǎn)生摩擦阻力的原故；當(dāng)沿著充填體高度時(shí)，越靠近充填體底部，在充填體內(nèi)出現(xiàn)的剪切應(yīng)力就越大，而且在充填體y方向上，越靠近間柱相鄰側(cè)，剪切應(yīng)力就越大。前期的全尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)展示充填體強(qiáng)度可達(dá)2.66 MPa，由此來看，間柱開采能保證礦房充填體的穩(wěn)定性。

2 間柱開采順序模擬［9-10］

2.1 間柱整體開采順序方案

從礦柱整體回采順序來講，是先充填原有的礦房采空區(qū)，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度之后開采礦柱，直到完成所有中段的回采。礦柱整體回采順序可分為從下至上和從上至下2種回采順序，通過對(duì)2種不同回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬得出礦柱回采完畢并充填后的最大、最小主應(yīng)力及豎直位移特征見圖3。

2.2 整體開采順序模擬結(jié)果分析

由主應(yīng)力分布特征可知：從下至上開采時(shí)最大主應(yīng)力最大值為101.07 MPa，最小主應(yīng)力最大值為12.6 MPa，最大拉應(yīng)力值為8.9 MPa，出現(xiàn)在了上部邊幫位置，但是由于圍巖的強(qiáng)度較大，不會(huì)對(duì)邊幫造成破壞；從上至下開采時(shí)最大主應(yīng)力最大值為140.06 MPa，最小主應(yīng)力最大值為16.95 MPa，最大拉應(yīng)力為14.48 MPa，超出了圍巖的抗拉強(qiáng)度（13.1 MPa），邊幫容易產(chǎn)生拉伸破壞從而失穩(wěn)。

從豎直位移分布特征來看，從下至上開采時(shí)最大豎直位移為0.22 m，且位于上部頂柱邊幫，這是由于充填順序的緣故，頂柱長(zhǎng)期置于空區(qū)上方，受到垂直應(yīng)力的作用發(fā)生了較大位移，但整個(gè)充填區(qū)域豎直位移不大，充填穩(wěn)定性較好；從上至下開采時(shí)最大豎直位移為0.8 m，且位于整個(gè)采場(chǎng)的中間區(qū)域，這是由于上部空區(qū)先充填，下部空區(qū)在充填后由于強(qiáng)度較小，在受到上部較大載荷時(shí)產(chǎn)生較大位移，對(duì)充填體的整體穩(wěn)定性影響較大。故一般來說，整體開采順序應(yīng)選擇從下至上。

2.3 間柱中段順序開采方案

對(duì)于某個(gè)中段的間柱回采順序來說，以265 m中段為例，礦房空區(qū)充填之后與間柱的分布（俯視）如圖4所示。對(duì)回采順序提出2種方案，方案1：先開采①、③、⑤間柱，再回采②、④間柱；方案2順序開采①、②、③、④、⑤間柱。通過對(duì)2種不同間柱回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬得出間柱回采完畢并充填后的最大主應(yīng)力及豎直位移分布特征如圖5所示。

2.4 中段順序模擬結(jié)果分析

方案1回收礦柱時(shí)，上部空區(qū)間柱出現(xiàn)較大拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為3.21 MPa，而方案2出現(xiàn)最大拉應(yīng)力值為3.79 MPa；由已經(jīng)充填完成的礦房空區(qū)和回采間柱空區(qū)來看，方案1處于低應(yīng)力的充填體區(qū)域比方案2大。對(duì)比2種方案豎直方向位移，方案1部分區(qū)域的頂板豎直位移比方案2要小，這是由于方案1后采的②、④間柱具有強(qiáng)度、剛度高，能夠承受較大的應(yīng)力集中，對(duì)中段整體框架起到較好的保護(hù)作用。

根據(jù)圖6，布置在間柱②、③、④鄰近的充填體內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、6、7、8變化曲線可知：方案1中豎直位移變化較為平穩(wěn)，變化較大發(fā)生在兩步驟開采間柱，且總體上豎直位移相對(duì)較小，而方案2隨著間柱的回收，對(duì)充填體多次擾動(dòng)，豎直位移明顯增加，不利于充填體的穩(wěn)定。綜上可知：方案1的間柱回收方式比方案2更加合理。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)礦房充填體建立力學(xué)模型，計(jì)算了充填體的極限自立高度為56.12 m；受到側(cè)壓產(chǎn)生的水平應(yīng)力最大值為0.478 MPa，最大剪切應(yīng)力為0.892 MPa，間柱的回采對(duì)礦房充填體的穩(wěn)定性不會(huì)造成較大影響。

（2）通過礦柱整體開采順序模擬，對(duì)比分析其最大、最小主應(yīng)力及豎直位移分布特征，可知礦柱整體開采順序選擇從下至上最優(yōu)，能保證充填體的穩(wěn)定性。

（3）對(duì)比265 m中段2種間柱回采方案的充填體最大主應(yīng)力及豎直位移分布特征，結(jié)合布置在礦房充填體的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移曲線變化，可知方案1的間柱回收方式比方案2更加合理，即先開采①、③、⑤間柱，再回采②、④間柱。