徐卫东， 张永亮， 陈晓利， 杨 勇， 吴 迪

（1.河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000； 2.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520； 3.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471023； 4.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京 100083； 5.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083）

胶结充填是一种既能解决地表尾矿堆存问题，又能控制采场地压、提高回采率，同时防止地表沉陷的采空区处理方式［1－2］。 充填采矿法在金属非金属矿山得到了广泛应用［3－4］，但充填成本高依然是阻碍胶结充填更大范围应用的因素之一。 在以水泥为胶结剂的胶结充填采矿法中，水泥成本占到总充填成本的60%～80%［5］，因此控制充填成本通常从减少水泥用量和寻求低成本、高性能胶结充填材料两方面着手。 主流的胶结充填材料包括碱激发胶凝材料［6］、高水材料、胶固粉［7］等，根据充填材料性质的不同，可以选择合适的胶凝材料［8］。 水泥作为胶结充填中的主要胶结材料，对充填体强度有重要影响［9－11］，且充填体强度与料浆中水泥掺量成正相关［12］。 根据强度需求，针对不同充填部位使用不同强度的充填体能在一定程度上减少水泥用量，降低充填成本。 比如，在上向水平分层充填采矿法中，对矿房使用高强度充填体充填，矿柱则使用低强度充填体充填。 本文以庙岭金矿某采空区为例，通过数值模拟方法，研究了在不改变现有采场参数和充填体参数基础上，使用高强度充填体充填矿房、低强度充填体充填矿柱（简称混合强度充填体充填）处理采空区的可行性。

1 工程概况

庙岭金矿位于河南省洛阳市西南约89 km 处的嵩县大章乡东湾村，矿岩以流纹岩和碎裂岩为主，其中流纹岩及凝灰熔岩一般致密、坚硬，裂隙不发育，稳固性较好。 矿体主要为层状结构，稳定性较好，局部矿段硅化较强，岩石致密坚硬，岩石质量指标（RQD 值）大于50%，矿体岩体基本质量等级为Ⅱ级，岩体为较完整结构。 本文所选采场埋深312 ～352 m，使用上向水平分层充填采矿法。 采场所在矿体平均倾角27.5°，平均水平厚度39.38 m，平均真厚度18.19 m。

2 数值模型建立与设定

2.1 构建模型

COMSOL Multiphysics 是一款先进的、功能强大的有限元模拟软件，能有效模拟和解决岩土力学问题。根据已有地质勘探资料和采场参数确定了建立几何模型所需参数，见表1。

表1 采场参数

按表1 所示参数，以1 ∶1建立如图1 所示的几何模型，模型尺寸（长×宽×高）为700 m×400 m×500 m。模型以垂直矿体走向为X方向、矿体走向为Y方向、竖直向上为Z方向。

图1 数值模拟几何模型

2.2 确定模拟方案

为了验证在不改变现有采场参数和充填体参数条件下配合使用混合强度充填体处理采空区方案的可行性，采用数值模拟的方法对比不同采空区处理方案的岩层应力分布情况和位移分布情况，具体数值模拟方案如下：

1） 模拟计算矿体开采前岩层应力分布，为后续模型应力平衡提供数据。

2） 模拟计算矿体开采后不充填采空区情况下采空区附近及岩层应力、位移分布。

3） 模拟计算矿体开采后使用高强度充填体充填采空区时充填体附近及岩层应力、位移分布。

4） 模拟计算矿体开采后使用混合强度充填体处理采空区时充填体附近及岩层应力、位移分布。

5） 通过对比各采空区处理方案的应力、位移分布情况得出结论。

不同充填体配比参数见表2。

表2 充填体配比参数

为了更直观观测采空区及充填体附近及其岩层的应力、位移分布，在与矿块底部垂直距离20 m、50 m 和80 m 处设置了高度h分别为20 m、50 m 和80 m 共3组水平截面，同时在矿块的合适位置设置了垂直截面。各截面布置示意如图2 所示。

图2 观测截面布置示意

2.3 边界条件和物理参数设置

模型中用到的具体边界条件设置见表3。 数值模拟中需要用到的矿岩物理力学参数见表4。

表3 模型边界条件设置

表4 矿岩物理力学参数

3 模拟结果及分析

3.1 矿体开采前岩层应力分布

图3 为矿体未开采时模型整体应力分布云图。 从图3可以看出，岩层中应力分布均匀，无明显应力集中，最大应力约为10 MPa；随着埋深加大，岩层中应力值也逐步均匀增长，且同一埋深的水平面应力大小相近。

图3 矿体开采前模型整体应力分布

3.2 矿体开采后岩层应力分布

图4 为采用不同方案处理采空区后模型整体应力分布云图。 对比开采前岩层中应力分布情况，3种采空区处理方案都出现了不同程度的应力集中，主要出现在采空区附近或充填体与围岩交界处附近。 采用不充填采空区方案时，岩层中最大应力由未开采时的10 MPa升至约36 MPa；而采用高强度充填体和混合强度充填体充填采空区时其岩层中最大应力分别约为15 MPa 和16 MPa，说明相较于不充填采空区方案，采用高强度充填体或混合强度充填体对采空区进行充填处理都能有效减弱岩层中的应力集中。 同时可以看到，在远离采空区或充填体区域，岩层应力分布与矿体开挖前岩层应力分布接近。 这主要是因为矿体开采破坏了原有应力平衡，应力需要重新分布达到新的平衡，这会导致采空区附近一定范围内形成应力增高区或应力降低区，超出该区域范围的区域则表现为原岩应力。

图4 不同处理方案下模型整体应力分布

图5 和图6分别为采用不同方案处理采空区后垂直截面和h＝20 m 截面应力分布云图。 从图5 ～6可以看出，采用3种采空区处理方案处理采空区后，岩层中应力分布呈现出相同规律。 从垂直截面来看，在采空区或充填体上方和底部形成应力降低区，在采空区或充填体两侧则会形成应力增高区；矿体上盘岩层相当于其下部采空区或充填体上方岩层，矿体下盘相当于其上部采空区或充填体下方岩层，故水平截面左右两侧为应力降低区、前后两侧为应力增高区。 从截面应力分布云图来看，由于充填体强度低于矿岩，承受的应力也低。 值得注意的是，使用混合强度充填体充填采空区时，矿房充填体和矿柱充填体承受的应力有所差异。 出现这一现象的主要原因是矿柱充填体强度较低，受到相同应力时变形量更大，使得应力向强度较高的矿房充填体和附近矿岩转移，这也是使用高强度充填体处理采空区方案相较于使用混合强度充填体处理采空区方案能更有效减弱应力集中的原因。

图5 不同处理方案下垂直截面应力分布

图6 不同处理方案h＝20 m 截面应力分布

3.3 矿体开采后岩层位移分布

图7 为不充填采空区时不同水平截面的垂直位移分布云图。h＝20 m 截面位于采空区内，故垂直位移量最大；矿体开采导致岩层中应力重新分布，采场伴随有顶板下沉和底鼓现象，即矿体上盘发生下沉位移，矿体下盘发生上向位移，其中上向位移达到0.122 m、下沉位移达到0.130 m。h＝50 m 和h＝80 m 截面位于采空区上方，因而截面内采空区上方位置发生不同程度的下沉位移，但位移量相较h＝20 m 截面有所减少。h＝80 m 截面与采空区垂直距离更大，截面内发生的位移比h＝50 m 截面小，且位移分布更接近放射状。

图7 不充填采空区时水平截面垂直位移分布

图8～9 为高强度充填体与混合强度充填体处理采空区方案水平截面垂直位移分布云图。 对比2种方案的位移分布云图可以得出与不充填方案类似的结论。 值得注意的是，对采空区进行充填处理的2种方案在相应水平截面的位移要远小于不充填采空区方案。 同时，混合强度充填体处理采空区方案由于使用了部分低强度充填体，其各截面位移要略大于高强度充填体处理采空区方案。 以h＝50 m 截面为例，不充填采空区时截面最大位移为0.105 m，采用高强度充填体和混合强度充填体充填采空区后，该截面最大位移分别减至0.040 m 和0.046 m。 从h＝20 m 截面可以看出，该截面最大位移发生在充填体边缘，从充填体边缘到中部，位移逐渐减小，且充填体附近岩层位移随着与充填体边缘距离增大而减小。

图8 高强度充填体充填采空区水平截面垂直位移分布

图9 混合强度充填体充填采空区水平截面垂直位移分布

图10 为采用不同方案处理采空区时水平截面最大下沉位移变化曲线图。 从图10可以清晰地看出，对采空区进行充填处理在控制采场位移方面有显著作用。 使用混合强度充填体处理采空区时，采场周围和上覆岩层位移与使用高强度充填体处理采空区方案相差不大，结合图6，可以认为使用混合强度充填体处理采空区方案能在保证充填效果较好的同时减少水泥用量、降低充填成本。

图10 不同处理方案水平截面最大下沉位移

4 结 语

1） 对采空区进行充填处理能将采空区围岩由二维应力状态变为三维应力状态，有效改善采场应力状态，减弱应力集中，同时减小矿体开采带来的岩层位移，更好地保护地表环境。

2） 充填体力学性能（主要为强度）越高，其控制岩层位移和减弱应力集中的效果越明显，但充填体强度越高则充填成本越高。 使用混合强度充填体处理采空区可以在保证良好充填效果的同时一定程度上降低充填成本。

3） 通过数值模拟对比了使用混合强度充填体和高强度充填体处理采空区的岩层位移及应力分布情况，认为在不改变现有采场参数和充填体参数基础上，使用混合强度充填体处理采空区方案可行。