马生徽，王文杰，邓金灿，王越岭，马雄忠

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430008；2.广西高峰矿业有限责任公司，广西 南丹 547205)

矿床地下开采中，采场结构参数的选定，取决于矿体的赋存条件、产状、围岩的稳固程度、矿区的地质条件、开采方法等诸多因素。而采场结构参数直接影响着采矿技术、经济指标及工程安全性[1]。由于矿山开采中岩土工程及其力学结构的复杂性决定了当前尚无法求得岩土工程问题的精确解，因而只能借助其他方法进行定性分析[2-4]。数值模拟方法可以有效分析矿山开采中的力学问题，并指导矿山安全生产，因而具有较高的可靠性和实际应用价值。本文通过数值模拟的方法对高峰矿中厚倾斜矿体上向水平分层充填法采场结构参数进行研究，为高峰矿深部矿体高效、安全、经济开采提供依据。

1 工程概况

广西高峰矿业有限责任公司(以下简称“高峰矿”)在100号矿体延深开采以及105号矿体的开采中，由于开采深度增加以及受原有民采及探矿过程的破坏，矿岩的完整性受到很大破坏，出现许多不规则空区和大面积的破碎矿岩体，给深部矿床的开发利用带来了极大的安全隐患。高峰矿-200m～-250m中段矿体呈近似南北走向的“哑铃状”，距地表超过1000m,已属于深部开采。在该中段 52#～54#勘探线/Ⅰ#～Ⅱ-Ⅲ#勘探线之间，矿体厚度为6～10m，倾角为30°～50°，矿体沿走向长度为360～400m，属于中厚倾斜矿体，上下盘围岩均为生物礁灰岩，属完整性好的硬质岩石，普氏系数为8～10。生物礁灰岩的抗压强度一般高于矿石，个别地段的矿石抗压强度较低。设计采用机械化上向水平分层无间柱充填法回采，矿块沿矿体走向布置，长70～90m，宽为矿体宽度，高为中段高度，不留间柱和顶柱，只留底柱。由于未设间柱，为便于相邻两个矿房的回采，在相邻矿块交接处用1∶4的水泥砂浆进行胶结充填，形成一个8m宽左右的胶结充填体人工矿柱。取消了间柱，增大了矿房尺寸，使采场生产能力提高， 损失率和贫化率降低，经济效益显著提高。然而连续布置采场实行强化采矿时，要保证安全高效生产，矿块长度、分层高度、人工矿柱宽度和超前回采分层数等参数的确定尤其重要[5-8]。本文利用FLAC3D软件，采用数值分析的方法，研究采用不同采场结构参数回采时对采场稳定性的影响，以确定合理的采场结构参数，保证深部充填回采的生产安全。

2 数值模型建立及计算方案的选择

2.1 计算模型的建立

为便于建模和分析计算，现做出如下假设：①矿体的厚度和倾角设为固定值；②简化矿体回采过程，矿块分层一次回采;③不考虑地下水的影响；④矿岩体假设为理想弹塑性体，不考虑应变硬化(或软化)。计算几何模型，模型的下盘围岩为生物礁灰岩，上盘围岩也为生物礁灰岩，开采范围内的关键层(顶板，矿柱，顶柱)网格划分较密集，围岩部分较稀疏。

图1 采场结构参数数值计算模型

2.2 计算方案的确定

数值计算中主要研究矿块长度、分层高度、人工矿柱宽度以及超前回采分层数对采场顶板稳定性的影响。而采场的结构参数众多，为便于分析比较，采用正交试验设计的方法，设计出矿块长度、分层高度、矿柱宽度以及超前回采分层数4因素、3水平共9组方案，正交试验方案见表1。

2.3 初始条件和计算参数的选取

根据历次地应力调查，高峰矿构造应力的水平应力比垂直应力大，初始应力采用应力边界法施加，先计算原岩应力场平衡，得到采场开挖前的最初应力状态；然后模拟分层开挖，得到开挖后的围岩应力状态，位移变化和塑性破坏状态。在计算中固定模型的左右表面的X方向位移,固定模型前后表面的Y方向位移，固定模型下表面的Z方向位移。数值计算采用Mohr-Coulomb准则[9]。计算参数通过现场取样和室内岩石力学试验以及相应的岩体参数工程处理得到，对于回采空场采用FLAC3D内置的null空模型，计算参数如表2所示。

3 计算结果及分析

本次正交数值试验主要研究采场结构参数对顶板稳定性的影响，通过对比不同参数的采场顶板稳定优选出最优结构参数，以顶板中最大主应力P以及单位长度上的塑性破坏体积V作为评价采场稳定性的指标。由于各方案矿块长度不一，故采用单位长度上的塑性破坏体积作为评价指标。若最优的采场结构参数不能同时使指标P和指标V同时达到最小，以最大主应力指标为主，试验结果见表3。

采用极差分析法进行数值计算结果，极差大小反映了该因素选取不同的水平变动对指标的影响大小，极差越大，说明该因素对指标的影响越大。由表3求出各因素每个水平的均值和极差，可以得出P(表4)和V(表5)的极差分析结果。

根据表4中的指标P极差值栏的数据可知，分层高度对采场顶板的稳定性影响最大，其次是人工矿柱宽度和矿块长度，最后是超前回采分层数。分层高度B因素的极差最大，说明B因素的水平改变对试验指标值影响最大。对于分层高度B因素的确定，考虑到它的3个水平所对应的顶板最大主应力分别为：61.637MPa、62.893MPa、66.452MPa，其中第一水平所对应的数值61.637为最小(负号表示压应力)，所以取第一水平B1为最好。同理可得，矿块长度A的最优方案是A3、人工矿柱宽度C的最优方案是C1和超前回采分层数B的最优方案是B1，从而得出整个采场的最优参数为A3B1C1D3。

根据表5中的指标V极差值栏的数据可知，人工矿柱宽度对采场顶板的稳定性的影响最大，其次是矿块长度和分层高度，最后是超前回采分层数。首先确定极差最大的C因素，C因素所对应三个水平S的指标值分别为：10.823m3、11.607m3、11.245m3，以第一水平为最小，所以取第一水平C1为最优。同理，确定最优采场结构参数为A3B1C1D2。

表1 正交试验方案表

表2 矿岩物理力学参数

表3 采场结构参数数值模型结果

表4 顶板最大主应力P极差分析表

表5 顶板塑性破坏体体积V极差分析表

为了更直观地分析各因素对采场顶板稳定性的影响，根据表4和表5的直观分析结果分别作各因素对采场顶板稳定性影响的直观分析图(图2，图3)。

由各因素对采场顶板稳定性影响的直观分析图可知：①与其他因素相比，分层高度对顶板稳定性的影响最大，随着分层高度增大，顶板的最大主应力和塑性破坏体积都有增大。②人工矿柱的宽度也对顶板处最大主应力和塑性破坏影响较大，矿柱的宽度越大，最大主应力也随之增大。塑性破坏变化有所起伏，当矿柱宽为8m，塑性破坏体积最大，宽为6m时，塑性破坏体积最小。③矿块长度也是影响顶板稳定性的关键参数。数值模拟时矿体的宽度固定为10m，矿块的长度直接影响采场的暴露面积。当矿块长度为90m时，顶板出的最大主应力和塑性破坏体积最小。④超前回采分层数影响相邻矿块之间总体的暴露面积，当超前回采分层数达到2或3时，顶板的最大主应力和塑性破坏体积较小，有利于保证顶板的稳定性。

图2 各因素对顶板最大主应力的影响

图3 各因素对顶板最大主应力的影响

通过顶板的最大主应力和单位长度上塑性破坏体积两个指标分别得出的最佳参数为A3B1C1D2(方案10)和A3B1C1D3(方案11)。采用这两组最佳参数方案10和方案11继续进行数值试验，结果如表6所示。

对比表3中9种方案中指标P与指标V，方案10与方案11的指标值P和V均低于另外9种方案。从试验结果来看，方案10与方案11试验结果相近，即矿块长度为90m、分层高度为4m、人工矿柱高度为6m、超前回采分层数为2层或3层时，采场顶板各项指标均最优。

4 结论

根据高峰矿深部倾斜中厚矿体采用的上向水平分层充填法，通过正交数值模拟试验，分析了矿块长度、分层高度、人工矿柱以及超前回采分层数对采场顶板稳定性影响。结果表明：分层高度对采场顶板稳定性的影响最大；人工矿柱宽度居中；然后是矿块的长度以及超前回采分层数。为保证生产安全，合理的采场结构参数为矿块长度为90m、分层高度为4m、人工矿柱长度为6m、超前回采分层数为2～3层。另外由于矿山地质条件的复杂以及建模过程中的假定，使得数值模拟无法精确地模拟回采过程中的应力变化，因此在实施回采方案时，应进行现场的应力、位移值的监测，综合参考数值模拟和实测结果指导采场回采工作，以便于进一步优化方案,保障深部回采的安全进行。

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