李龙福 江东平

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000)

胶结充填体下采场结构参数优化研究

李龙福1,2江东平1,2

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000)

要在大体积胶结充填体下对矿体进行安全高效地开采，合理的采场结构是采矿设计首先需要考虑的问题。在综合分析某地下矿山地质概况、开采技术条件现状的基础上，采用经验法与理论计算法对采场结构参数进行计算，提出了4种采场结构参数初步方案，建立对应的三维数值计算模型，将围岩的变形、应力分布及塑性区大小等作为衡量采场结构参数优劣的指标。根据模拟结果对比分析了各方案在矿房回采后采场围岩的力学响应情况，得到了采场处于最有利力学状态时的结构参数，结合各方案盘区矿石理论回采率，进而对采场结构方案进行了优选，即当顶柱厚度为6 m，矿房跨度38 m，矿柱宽14 m时，采场结构稳定性处于最有利状态并且具有较高的理论回采率。优化结果可为后续开采设计提供参考。

胶结充填体 采场结构参数 数值优化 围岩力学响应

地下矿山要安全高效地生产，采场结构参数是否合理是其开采前提[1]，而对于某一特定条件下的矿体开采，其结构参数的确定应视具体情况具体分析。目前国内外对采场结构参数优化选择的方法主要有经验类比法、半经验半理论法、不确定性方法、数值模拟法、模糊数学理论、人工神经网络理论等。而随着计算机科学技术的发展及数值理论分析的日趋成熟，各种功能强大的数值模拟软件得到迅猛发展，使得三维数值模拟计算成为采场结构参数优化的有效手段之一[2-4]。其中，三维数值模拟可以定量地计算和分析回采过程中围岩的应力、位移和塑性区的分布状况，分析它们在回采过程中的动态变化，从而对采场围岩的稳定性状态做出判断[5-6]。

本研究应用FLAC3D三维有限差分软件，结合某地下矿山开采现状，建立相关的三维数值模型，通过多方案的计算和分析，比较在不同方案下围岩的力学响应特征，从而确定出安全合理的采场结构参数。

1 工程概况

某矿山前期由于资金、技术人员等方面实力比较薄弱，所以采用落后、短期投入的开采技术。由于上述原因，目前在矿区地表、井下形成了大量的采坑(约92万m3)和未充填的采空区(约12.57万m3)。这些空区受矿体自然形态及开采条件的影响，空间形态分布各异，而且由于岩体的力学特性呈各向异性，导致岩体内天然应力场发生改变，应力场重新调整，在一些部位发生应力集中、局部释放，最终导致围岩的失稳破坏。2010年矿山对前期已经回采的3个中段中残留的大量矿柱进行回收及对采空区进行胶结充填处理，由此在已经回采中段中会留下大体积的充填体，这对于下层矿体的安全开采提出了新的要求，即合理布置采场结构，优化选择采场结构参数。

本研究选择矿区南矿段规模最大的5#矿体作为研究对象，矿体分布于南矿段的西南部，地表控制矿体长219 m，坑道工程控制矿体长319 m，垂深已控制180 m，在-180 m中段矿体厚2.07～27.79 m，平均厚15.02 m，变化系数0.67，矿体形态复杂程度中等。在地表处倾向东，至地下渐变为总体倾向西，倾向250°～335°，倾角52°～81°，走向8°～46°。

矿体围岩主要为砾岩，其次为花岗岩和炭质页岩。顶柱为砾岩时，岩石呈块状，结构稳定，取样深度180 m，其饱和抗压强度为59.5～146 MPa，稳定性较好；顶柱为炭质页岩时，岩体呈层状，结构不稳定，其饱和抗压强度为1.06 MPa，稳定性一般；顶柱为蚀变黑云母斜长花岗岩时，绿泥石化较强烈，小节理裂隙发育，岩体联结能力弱，岩石无水状态下较坚硬，遇水很快变软，力学性能强度较低，会发生崩塌，稳定性较差。本研究涉及的相关材料的物理力学参数如表1。

表1 材料物理力学参数

2 采场结构参数的初步确定

-180 m中段以下矿体的开采方案为空场嗣后充填采矿法，即先采矿房，回采完一个中段后全部充填，之后再回收矿柱。在此过程中采场的稳定情况大致可归纳为以下4种类型[7]：矿柱稳定、顶柱岩层稳定；矿柱稳定、顶柱岩层局部破坏；矿柱失稳、顶柱岩层完整；矿柱失稳、顶柱岩层破坏。而与此有关因素主要包括顶柱厚度、矿房长度、矿柱宽度和矿柱面积比率及岩体强度等，因此，主要对顶柱厚度、矿房跨度、矿柱宽度进行优化选择，其初始值确定如下。

(1)顶柱厚度。顶柱厚度的确定采用经验类比法。根据经验，在空场法开采中，中厚—厚矿体的开采，顶柱厚度一般取3～6 m，5#矿体平均厚度为15.02 m，属于厚矿体，因此，顶柱厚度分别取3 m、4 m、5 m、6 m，并以此作为其他参数确定的依据。

(2)矿房跨度。由于矿体为全厚开采，所以其宽度为矿体的厚度，取平均值。采场极限跨度L可通过“岩梁”理论[8]来计算：

L=4H2Rs/3q(H-2),

(1)

式中，Rs为岩体的抗剪强度，Pa；q为上覆岩体的均布载荷，kN/m2；H为岩梁的厚度，m。因涉及的对象为-180 m、-220 m中段结构参数，中段高差40 m，应力增幅为1.08 MPa，远小于岩体的强度，因此，将两中段的参数作统一考虑，即上覆岩体的均布载荷取两者的平均值。代入相应参数，计算结果为44 m、39 m、41 m、44 m。

另外，针对顶柱围岩的力学分布结构，考虑顶柱上覆岩层的压力、岩体的力学特征等与矿房跨度的关系，得出空场法中矿房跨度b的理论计算公式[9]：

(2)

式中，λ为侧压力系数；γ为矿石的容重，kN/m3；H为开采深度(顶柱距地表深度)，m；α1为顶柱的许可抗拉强度，Pa。代入相应参数，计算结果为32 m。

综合考虑各种因素，取两者的平均值，分别为38 m、35 m、36 m、38 m。

(3)矿柱宽度。根据Bieniawski[10]的研究，矿柱宽度与安全系数几乎成正比关系，宽度越大，安全系数越高，进而可以确定出矿柱的合理宽度，且存在如下关系：

(3)

式中，K为矿柱安全系数；σc为矿岩的强度，MPa；h为矿房高度，m；β为常数，取值根据矿柱的宽高比值而定；Lp为矿柱截面长，m；L0为矿柱间隔的长度，m；Wo为矿房宽度，m；Wp为矿柱宽度，m；γ为上覆岩层的容重，N/m3。根据Bieniawski等的实验研究成果，当矿柱的宽高比大于5时，β=1.4；而当矿柱的宽高比小于5时，β=1。代入参数，得安全系数与矿柱宽度的关系如图1所示。

图1 安全系数与矿柱宽度的关系

考虑到现场实际条件的影响，一般安全系数取值在1.2以上，对应于图1所示关系，矿柱宽度应分别大于等于14 m、12 m、13 m、14 m。

综合以上分析，可得4个结构参数组合方案，如表2所示。

表2 采场结构参数初步方案

3 模型的建立及开挖方案的确定

3.1 三维模型的建立

考虑到计算量和计算效果，取-180 m中段控矿范围的一半作为计算区域，即盘区的一半160 m，中段高40 m，矿体厚度取平均值15 m，矿体倾角取平均值65°，共可布置3个矿房。

根据弹塑性理论，在地下工程中，岩体的开挖仅对距开挖中心点3～5倍跨度范围内的围岩产生影响，因此，计算模型范围：垂直矿体走向为x轴，取210 m；沿矿体走向为y轴，取500 m；垂直方向为z轴，为进一步优化计算模型，将垂直方向从+995 m水平取至+790 m水平(地表标高为+1 190 m)。得出模型长×宽×高为500 m×210 m×205 m。

计算边界采用位移-应力混合约束，将模型4个侧面法线方向的水平位移进行固定(ux=0,uy=0)，对模型底部平面位移固定(ux=0,uy=0,uz=0)，上部边界为上覆岩体的自重应力，σz=-2.57 MPa。采用Mohr-Coulomb屈服准则。

3.2 开挖方案的确定

根据矿山采矿方法中采场结构布置，模拟计算方案分3步完成：矿房1回采→矿房2回采→矿房3回采，如图2所示。

图2 采场结构示意

3.3 模拟结果分析

由于研究矿体埋深较浅，原岩应力场只考虑自重应力场的作用，水平应力根据泊松效应进行计算。选取矿房全部回采后，采场中围岩变形、应力分布、盘区矿石理论回采率及塑性区大小作为衡量采场结构参数优劣的指标。具体见表3所示。

表3 不同方案模拟结果对比

(1)计算结果表明，在矿房回采结束后，最大垂直位移、最大水平位移均发生在采场的顶板中。从表3的数据可知，当顶柱厚度由3 m增加到6 m时，顶柱中的位移显著减小，相对于方案一减小幅度分别为7.4%、13.5%、19.0%；5.7%、15.9%、24.0%。说明顶柱在控制采场变形方面起着重要作用。

在上部充填体中，如图3所示，矿房回采后位移在垂直方向呈现拱形分布，矿房正上方位移比周边大，由中心向外逐渐减小；并且从云图中发现，当顶柱厚度在5 m以上时，矿房正上方的位移等值云图中较大变形区没有发生叠加现象，说明在该厚度下，顶柱可以较好地控制位移的传递，阻止变形在充填体中的扩展，维护采场稳定。

图3 垂直方向位移云图

(2)随着矿房的回采，采场围岩中出现了不同程度的应力集中现象，以矿房底柱中最为显著，矿柱与顶板中次之，如图4所示。最大主应力值相差不大，最大值出现在方案一中，为-10.17 MPa，远小于岩体的抗压强度，因此，采场处于较小的压应力场中。从充填体中应力分布情况分析，顶柱厚度不同，充填体的受力状态有差异，如图4所示，随顶柱厚度的增加，围岩与充填体的受力更趋一致，说明当顶柱达到一定厚度时，可以把矿柱的支撑效果几乎均匀地分配到整条岩梁上，从而表现出整体变形模式，而不会出现由于顶柱强度不足而出现的分段弯曲，表现在矿柱正上方挠度小，其他地方如矿房中部挠度大等特征。因此，要使充填体与围岩作为一个整体受力，顶柱的厚度是一个重要的影响因素。

图4 最大主应力云图

对比最小主应力值可以发现，在方案二中出现120 kPa大小的拉应力，虽小于围岩的抗拉强度，但岩体作为一种特殊的脆性材料，且其中存在大量的微裂隙、不连续面，这些结构弱面在很小的拉应力作用下就发生断裂，因此，一般情况下要尽可能的避免出现拉应力。其余方案中均没有出现拉应力，但从最小主应力值发现，随顶柱厚度的增加，最小主应力的绝对值逐渐增大，说明围岩的受力条件更好。

(3)由图5可知，采场下盘围岩与矿房底柱中分别发生大面积拉伸破坏和剪切破坏，方案三、方案四的破坏范围稍小于方案一、方案二；在顶柱中，方案三、方案四中只有局部小范围的拉伸破坏，而在方案一与方案二中除了有拉伸破坏，还出现剪切破坏，说明顶柱中的剪应力较大，局部超过岩体的剪切强度；在矿柱中塑性区深度几乎相同。

图5 塑性区分布云图

整体而言，4种方案的塑性区情况类似，在矿柱与顶柱中均没有出现贯通性的塑性破坏区，说明在该工况下采场都是安全的，但从下盘围岩与底柱塑性区范围大小而言，方案三、方案四要优于方案一与方案二。

经过综合对比分析，考虑盘区矿石理论回采率，当顶柱厚度为6 m，矿房跨度38 m，矿柱宽14 m时，采场结构稳定性处于最有利状态并且具有较高回采率，所以将方案四中的参数确定为最优采场结构参数。

4 结 论

(1)利用数值模拟手段，对采用经验与理论计算相结合确定的采场结构参数初始值进行计算，对比分析了矿房回采后围岩的变形、应力及塑性区分布情况，考虑盘区矿石回采率，对结构参数进行了优化，即当顶柱厚6 m，矿房跨度38 m，矿柱宽14 m时，采场稳定性处于最有利状态并且具有较高回采率。

(2)采场垂直方向位移呈现拱形分布，位移由中心向外逐渐减小；当顶柱厚度在5 m以上时，矿房正上方的大变形区没有发生叠加现象，说明在该厚度下，顶柱可以较好地控制位移的传递，阻止变形在充填体中的扩展。垂直与水平方向的最大变形均分布在顶柱中，且从变形的幅值可以看出，顶柱在控制采场变形方面起着重要作用。

(3)充填体的受力情况与顶柱厚度有关，当顶柱达到一定厚度时，可以把矿柱的支撑效果几乎均匀地分配到整条岩梁上，从而使充填体与围岩表现出整体变形模式。

(4)虽同为理论计算下的安全参数，但在方案二中却出现拉应力，显示出经验与理论计算等传统方法的局限性，而三维数值模拟却可以较好地解决这一问题，且随着数值仿真技术的发展，将在地下工程结构优化中发挥出更大的作用。

[1] 王新民，李洁慧，张钦礼，等．基于FAHP 的采场结构参数优化研究[J]．中国矿业大学学报，2010，39(2)：163-168． Wang Xinmin，Li Jiehui，Zhang Qinli，et al.Optimizing mining stope structural parameters using a FAHP[J].Journal of China University of Mining & Technology，2010，39(2)：163-168．

[2] 王新民，曹 刚，张钦礼，等.康家湾矿深部难采矿体采场稳定性及结构参数优化研究[J].河南理工大学学报：自然科学版,2007,26(6):634-640． Wang Xinmin，Cao Gang，Zhang Qinli，et al.Research on stability and optimum sizes of deep stope with weak roof in Kangjiawan Mine[J].Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science，2007，26(6)：634-640．

[3] 罗周全，管佳林，冯富康，等.盘区隔离矿柱采场结构参数数值优化[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):261-264． Luo Zhouquan，Guan Jialin，Feng Fukang，et al.Stope structural parameters of panel isolation pillar numerical optimization[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2012，29(2):261-264．

[4] 崔少东,刘保国.石人沟铁矿北区采场结构参数的优化[J].北京交通大学学报,2009,33(1):131-134． Cui Shaodong，Liu Baoguo.Stope structure parameters.optimization of North Shirengou Iron Mine[J].Journal of Beijing Jiaotong University，2009，33(1):131-134．

[5] 李佳洋.贡北金矿破碎顶柱下缓倾斜薄至中厚矿体安全开采技术研究[D].长沙:中南大学,2011． Li Jiayang.Study of Safety Mining Technology for Mining Gently Inclined Thin to Medium Thick Ore under Broken Roof in Gongbei Gold Mine[D].Changsha：Central South University,2011．

[6] Hart R，Cundall P A，Lemos J.Formulations of three-dimensional distinct element model PAPTⅡ:Mechanical calculation of a system composed of many polyhedral blokes[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1988(3)：117-121．

[7] 黄英华，徐必跟，唐绍辉.房柱法开采矿山采空区失稳模式及机理[J].矿业研究与开发,2009,29(4):24-26． Huang Yinghua，Xu Bigen，Tang Shaohui.Study on the damage patterns and mechanism of mined-out area in mines using room-and-pillar mining method[J].Mining Research & Development，2009，29(4)：24-26．

[8] 柴修伟，张电吉，周 麟，等.磷块岩矿柱置换安全稳定性研究[J].金属矿山,2011(7):8-11． Chai Xiuwei，Zhang Dianji，Zhou Lin，et al Research on safety and stability of phosphorite ore pillar replacement[J].Metal Mine，2011(7)：8-11．

[9] 赵 奎，胡慧明，王晓军，等.某金矿房柱法采场人工矿柱参数选取[J].采矿技术,2011,11(2):15-17． Zhao Kui，Hu Huiming，Wang Xiaojun，et al.Artificial column parameters selected of room and pillar mining in a gold mine[J].Mining Technology，2011，11(2)：15-17．

[10] 廖文景.石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析[J].采矿技术,2009，9(3):52-54． Liao Wenjing.Effect of gypsum mine goaf hydrops on pillar stability analysis[J].Mining Technology，2009，9(3)：52-54

(责任编辑 石海林)

StudyonOptimizationofStopeStructuralParametersunderCementedFill

Li Longfu1,2Jiang Dongping1,2

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo．，Ltd.，Maanshan243000，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China)

To safely and efficiently mining the ore under large cemented filling body，reasonable stope structure is the first issue that need to consider in mining design.On the basis of comprehensive analysis on geological situation and current mining technical condition of some underground mine，stope structure parameters were calculated by using empirical method with theoretical calculation，and four kinds of the preliminary scheme about the stope structure were put forward.Then，the corresponding 3-dimensional numerical model is established，where the deformation，stress distribution of surrounding rock and the plastic zone size were taken as indicators to measure the performance of stope structure parameters.Based on the simulation results，the mechanical response of the various programs in the stope wall rock after room mining are comprehensively analyzed，obtaining the structural parameters under the most favorable mechanical state of the stope.Combining with the theoretical recovery rate of each panel，the programs of stope structure were optimized，that is，when the thickness of top column is at 6 m，the stope span at 38 m and the pillar width at 14 m，stope structural stability keeps in the most favorable state and the stope has a high theoretical recovery rate.The optimized results could provide reference for the follow-up mining design.

Cemented fill，Stope structural parameter，Numerical optimization，Mechanical response of surrounding rock

2014-08-04

李龙福(1986—)，男，硕士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-12-035-05