充填法回采采场结构数值优化

矿山应用上向水平分层充填法两步骤回采时，采场结构参数的合理性直接影响着矿山采矿成本、采矿效率、生产能力及作业的安全性。长期的生产实践及理论研究表明，地下岩体被开挖以后，工作面顶板随着二次应力状态的形成及变化，会发生弯曲、下沉、离层、断裂及垮落等变形和破坏现象［1］。采用合理的开拓布置与优化的采场结构至关重要，它是防治地压危害最为根本有效的措施之一，具有时空上的长期性与区域性［2］。因此，采场单元尺寸大小及比例关系不仅是保证回采安全的必要条件，同时也对分步骤回采的安全性及经济效益有着重要的影响［3］。随着矿山岩石力学理论以及数值模拟技术的快速发展，数值模拟已成为分析地下开采时采场稳定性行之有效的方法，传统的模型试验［4］及现场工业试验［5］难以有效地实现多种回采方案的对比分析。目前，国内外已研发出多款较为成熟的有限元计算软件用于岩土工程分析，如NCAP，Phase2［6］，SAP，UDEC，FLAC，NOLM83，ANSYS［7］，MIDAS等，其中ANSYS是应用最为广泛的一种，它具有强大的三维建模能力和非线性计算分析功能，为分析地下开采时采场稳定性提供了一个有效的平台，得到了国内外的广泛认可与应用。马钢集团姑山矿业有限公司后观音山铁矿采用两步回采，即先采矿柱，采完后进行充填形成人工矿柱，最后再回采矿房。为了提高井下铲运机、凿岩台车等无轨设备的生产效率、有效控制地压和保证井下人员作业的安全，本文运用ANSYS有限元分析软件，以后观音山铁矿3号矿体为代表性矿段，模拟不同采场结构参数下回采时采场的应力分布状态及变形情况，进而确定适合3号矿体开采技术条件的采场结构参数，以充分发挥上向水平分层充填法的安全、经济和高效的优势，为矿区以后的开拓和采准设计等提供充分的理论依据。

13号矿体开采技术条件

后观音山矿区处于低山丘陵与长江冲积平原接触部位。矿区内地形属于浸蚀残丘，由4座海拔标高在53～102m的小山和山间凹地组成，矿区外围，南部、西部为冲积平原，地面标高8～9m。北边、东边为低山和山间凹地，标高在12～109m之间。3号矿体是位于矿区以19#勘探线为边界偏东北方向的独立矿体，属于缓倾斜中厚及厚矿体，产状为NNE∠20°～40°，厚度为2～33m，平均13m，走向长约350m，矿体埋深－150m，延伸深度－300m，现今开采最深深度为－200m。矿体顶板主要岩性为灰岩、砂岩、页岩，局部有闪长玢岩。闪长玢岩呈半坚硬及松软，其它岩性一般为坚硬、完整。矿体底板主要岩性为闪长岩，靠近矿体处的闪长岩以半坚硬为主，少量软弱，往下即为新鲜、完整的闪长岩。

2ANSYS模型的建立

2．1模型建立条件优化1)以矿体产状、矿岩特性、回采过程和采空区状况作为模拟计算分析的基本条件，并进行必要的简化，简化后的矿体模型取平均厚度为13m，平均倾角为30°。2)计算选定的载荷不随单元方向的改变而变化，始终保持着它们最初的方向，表面载荷作用于变形单元表面，数值等于上覆围岩的质量。3)为了便于分析直接顶板对矿体回采的影响程度，根据相关理论和经验佐证，取顶板隔离层厚度为20m。4)模拟的采空区高度即为回采过程中的最大控顶高度，为6m。5)模拟不同矿房矿柱尺寸的组合方式，同时对每种组合方式，计算其间隔回采最危险的状况，即3个矿房同时回采(第二步回采)。6)由于有限元程序的局限性，假设采场内无地质构造活动的影响，原岩地应力为大地静力场型，各岩层之间整合接触为连续介质，模型中不考虑地下水活动的影响，也不考虑岩层和矿体中的结构面、裂隙和软弱层的存在与影响。

2．2矿岩及充填体的力学参数模拟计算分析的准确性很大程度上取决于矿岩的基本力学参数是否准确。本次模拟采用的矿岩力学参数和充填体力学参数采用室内试验值，试验的内容包括测定矿岩的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度、泊松比、密度［8－9］，在模型计算中，为确保计算结果的安全可靠，在室内试验基础上用RMR分级法［10－11］进行矿岩的分级，结合Hoek-Brown公式［12］估算后观音山铁矿的矿岩和充填体的力学参数，如表1。

2．3数值模型的建立依照后观音山铁矿采空区极限暴露面积的要求，当矿块宽度为20m时，矿块长度不得超过31．6m，根据这一上限值进行采场的划分，矿体模型中矿房、矿柱按不同尺寸进行组合，共建4个模型进行数值分析以供择优选择，如表2。根据后观音山铁矿提供的姑山采场综合平面图、地质勘探剖面图，在CAD中经过提取实用的台阶及边坡线图，再把这些线转化为三维多段线，所有的线形再经过一定的处理后，得到Surpac中所能够接受的线形，利用Surpac软件建立露天边坡三维模型，见图1。按照后观音山铁矿3号矿体的矿岩力学性质及弹塑性力学理论，为了满足计算需要和保证计算精度，计算采用的模型必须取所开挖范围尺寸的3～5倍［13］。当计算模型的尺寸足够大时，可视计算模型边界处的位移为零。因此，计算模型底面为全约束状态，其余4个侧面仅在竖直方向上有变形。依照上述条件，建立整体模型尺寸为X(宽)×Y(高)×Z(长)=370m×200m×500m的数值模型图。由于3号矿体为独立矿体，距露天采坑边坡甚远，因此模型顶板可以简化为水平面，如图2。为了更具体和直观的了解矿体模型的采场内部特征，对采场进行剖面分析，如图3。网格的划分质量直接影响模拟结果分析的准确性。网格太密或是太疏都会使计算结果产生过大的误差。网格太疏会致使离散误差增大，网格太密会导致离散点数增多，舍入误差增大。因此，矿体模型采用扫掠式划分网格，开采范围以内的单元以2m间隔进行划分，开采范围以外的单元以5m间隔进行划分，如图4。

3结果分析

根据表2确定的采场结构尺寸，运用ANSYS软件计算采空区顶板以及周围矿柱(或胶结充填体)上应力分布状态和变形情况，结果见图5～9，有限元模拟分析结果汇总于表3。模拟结果表明:1)在顶板拉应力方面，各模型中采场顶板上都出现了拉应力，其中模型1和模型4上的抗拉强度均大于顶板极限抗拉强度1．31MPa，因此，为了保证顶板安全不宜选择拉应力过大的模型，即模型1和模型4的顶板可能出现拉伸破坏。2)在顶板压应力方面，模型1上的顶板压应力高于矿体的抗压强度23MPa，在压应力的作用下，可能出现冒顶现象。3)在胶结矿柱压应力方面，模型1和模型3中的上的压应力值均大于充填矿柱的极限抗压强度，说明在回采过程中，边角部位容易出现压垮现象，方案不够安全。4)在地表沉降量方面，计算区域内的地表沉降量都不大，各模型中地表垂直方向的位移差别不大，但是模型1、3的地表位移明显偏大，有可能导致顶板形变太大，最终发生冒顶的危险，为了保障采场安全，因此不予考虑。

4结论

综合顶板拉应力、顶板压应力、人工胶结矿柱压应力、地表沉降量4个因素的考虑，对有限元模拟结果进行对比分析，模拟结果表明，模型1、模型3和模型4组合方案不合理，不宜采用，最终确定模型2为最优方案，即20m矿柱，30m矿房的采场结构参数方案。