刘海山，杨 闯，赵 笛
（河钢集团矿业有限公司 河北 滦州 063700）
摘要：基于采场和充填体稳定性分析的采场结构参数和回采顺序优化研究，包括不同跨度（矿块宽度）、高度（回采高度）一步采场回采后，二步采场的稳定性分析；一步采场充填后，二步采场回采过程中，不同跨度（矿块宽度）、高度（回采高度）条件下，充填体的自立性和稳定性分析；周围采场回采后，布置有巷道工程的不同宽度盘区间柱稳定性分析；不同回采顺序（间隔回采、连续回采）采场和充填体稳定性分析；根据上述分析结果，优化确定盘区矿柱尺寸，采场跨度、长度、高度等结构参数，以及矿块间回采顺序，确定一步充填体强度指标和质量标准。
关键词：充填采矿法；采场结构；盘区间柱；回采顺序
0 引言
司家营铁矿南区位于唐山滦州市城南约10 km，矿区北部为研山铁矿、司家营铁矿和常峪铁矿，东部为马城铁矿。该区域整体地处滦河冲洪积一级阶地，为大型鞍山式沉积变质铁矿床。
该矿南区保有资源量 18.16 亿吨，按县域划分，以S38和D22勘探线为界，分为北部滦州市田兴铁矿和南部滦南县的大贾庄铁矿。其中田兴铁矿保有资源量为 14.23 亿吨， -450 m 以上设计利用资源储量 8.62 亿吨，平均地质品位 30.82%。田兴铁矿分为南矿段和大贾庄矿段两部分，断裂构造发育，上覆第四系含水层分布广、厚度大，水文地质条件复杂。田兴铁矿采用竖井和斜坡道开拓系统，共设15条竖井和1条斜坡道。
田兴铁矿是集团矿山板块重要接续资源，是国家发改委“基石计划”重点推进项目、河北省重大项目，设计规模为原矿 1500 万吨/年，铁精矿 513.7 万吨/年，采用阶段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，服务年限 51年，项目建成后将成为国内最大规模单中段开采地下充填矿山。
1 数值模拟方法
本研究选用FLAC3D软件进行数值分析。FLAC3D由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件。是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法开发，广泛用于岩土、采矿工程分析和设计的三维高端数值分析程序，特别适合处理有限元方法（FEM）难于解决的岩土体复杂课题，典型如复杂多工况、大变形、非线性材料行为、失稳破坏的发生和发展。FLAC3D采用的“显式拉格朗日”算法和“混合-离散分区”技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。
2 数值模型的构建
鉴于矿床实际开采技术条件复杂多变，为便于建模和分析计算，本研究作出如下简化或假设内容：矿岩体假设为理想弹塑性体，屈服点后随塑性流动材料强度和体积无改变；矿体和围岩为局部均质、各向同性的材料，塑性流动不改变材料各向同性；考虑到岩石的脆性，分析中涉及的所有物理量均与时间无关；不考虑应变硬化（或软化）；模型底面与侧面都采用FIX命令固定，限制其垂直与水平位移；考虑到有限元程序的局限性，假设场地内无构造活动的影响，原岩地应力为大地静力场型，各岩层之间为整合接触，岩层内部为连续介质，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；计算选定的载荷将不随单元方向变化而改变，始终保持它们的最初的方向，表面载荷作用在变形单元表面法向，且可被用来模拟“跟随”力，大小就是上覆岩层或充填体层的重量；从模型单元的划分来说，理论上讲，模型单元划分越细，计算结果越准确，但过细的单元划分会消耗大量的机时，且远离研究区域的部位，应力变化不大。因此，应根据采空区实际情况，综合考虑计算精度及效率要求，确定合理的网格尺寸。
根据矿山实际开采技术条件、开采现场及潜在开采扰动影响范围，按照上述原则建立开采模型为 1000 m×575 m，模型以跨度 18 m，采高 50 m为例，如图2-1，盘区矿柱模型350 m×575 m，模型以间柱 15 m为例，如图2-2。
图2-1矿块开采模型（跨度 18 m，开采高度 50 m）
图2-2盘区间柱稳定性分析模型（间柱 15 m）
3 材料物理力学性质
区内铁矿体主要赋存于黑云变粒岩和部分云母石英片岩中，产状与围岩一致，矿石绝大部分呈细纹状~条纹状，致密坚硬；第四系岩性为砂砾卵石、粗中砂、细粉砂及砂质粘土、粘质砂土等，并含丰富的地下水，可能发生地震液化现象。矿、岩物理力学性质：矿、岩石体重：见表3-1。普氏硬度系数：矿石f= 12~14；岩石f= 8~12。矿、岩松散系数：矿、岩均为1.5；第四系为1.15。
南区不同充填体抗压强度的胶结充填体物理力学参数，见表3-3、表3-4。
4 模拟分析内容
不同跨度（矿块宽度）、高度（回采高度）一步采场回采后，二步采场的稳定性分析。一步采场充填后，二步采场回采过程中，不同跨度（矿块宽度）、高度（回采高度）条件下，充填体的自立性和稳定性分析。周围采场回采后，布置有巷道工程的不同宽度盘区间柱稳定性分析。不同回采顺序（间隔回采、连续回采）采场和充填体稳定性分析。根据上述分析结果，优化确定盘区矿柱尺寸，采场跨度、长度、高度等结构参数，以及矿块间回采顺序，确定一步充填体强度指标和质量标准。
4.1 不同跨度与高度条件下二步采场的稳定性分析
将矿块1和矿块3开采之后的模型见图4-1（以跨度 18 m和采高 50 m为例），各种跨度和采高的塑性区状态见图4-2~图4-4。
由图可知，跨度为 20 m时在空区周围会出现大量的拉伸和剪切破坏，跨度为 15 m和18 m时也会出现少许单元格破坏。Z方向的位移见图4-5，由图可知，一步骤开采完之后，空区顶板会出现下沉，底板隆起，跨度 15 m，高度 45 m时位移最小，顶板下沉 1.1 cm，底板隆起 0.67 cm，跨度 20 m，高度 55 m 时位移最大，顶板下沉 1.39 cm，底板隆起 0.95 cm。图4-6为最大主应力云图，显示拉伸为正，压缩为负，可以发现出现了部分应力集中的现象，可以看出，随着跨度和开采高度的增大，最大主应力和最小主应力都变大，图4-6（1）的拉应力为1.1848×106Pa，最大压应力为 4.5814×106 Pa，开采方案中最大压应力为 5.9042×106 Pa，拉应力为1.2459×106 Pa。图4-7为最小主应力云图，可以看出图4-7（7）最小压应力为 3.1795×107 Pa。总体来说，长久暴露的采空区会导致采空区局部应力集中，也积累了部分破坏的单元，空区稳定性较差。
图4-1 一步采场回采后，二步采场的稳定性分析（以跨度 18 m 和采高 50 m为例）
图4-2 跨度15 m 的塑性区状态（高度左中右分别为45、50、55 m）
图4-3 跨度18 m 的塑性区状态（高度左中右分别为 45、50、55 m）
图4-4 跨度20 m的塑性区状态（高度左中右分别为 45、50、55 m）
图4-5 Z方向位移云图，图1-3跨度为15m，4-6跨度为18m，7-9跨度为20m，高度分别为45m，50m，55m
图4-6 最大主应力云图，图1-3跨度为15m，4-6跨度为18m，7-9跨度为20m，高度分别为45m，50m，55m
图4-7 最小主应力云图，图1-3跨度为15m，4-6跨度为18m，7-9跨度为20m，高度分别为45m，50m，55m
4.2 不同跨度与高度条件下充填体的自立性和稳定性分析
在方案一的基础上，进行一步骤充填，进而模拟稳定性情况，由图4-8可知，充填之后不会出现破坏单元，没有塑性区。图4-9为Z方向的位移，可以看出，充填之后只出现微小的移动，图4-9（1）采场附近的位移由原来的 1.1 cm变为0.04 cm，其他方案也未出现较大的位移，稳定性明显得到改善。图4-10为最大主应力云图，图4-10可以看出没有出现拉应力，图4-10（1）最大压应力为 3.5×106 Pa左右，开采方案中最大压应力为 3.75×106 Pa左右。图4-11为最小主应力云图，可以看出图4-11（3）最小压应力为 1.7266×107 Pa，远小于未充填时的最小压应力，总的来说，充填之后稳定性较好。综合位移，塑性区状态以及应力状态，选择跨度 18 m和采高 50 m 为最佳方案，一步骤开采过程出现少量塑性区，顶板下沉 0.87 cm，底板隆起 1.28 cm，有局部的应力集中现象，但是充填之后不会出现拉伸破坏，基本没有应力集中现象，位移下沉0.04 cm左右，稳定性较好。
图4-8 充填后塑性区状态
图4-9 Z方向位移云图，图1-3跨度为 15 m，4-6跨度为18 m，7-9跨度为20 m，高度分别为 45 m，50 m，55 m
图4-10 最大主应力云图，图1-3跨度为 15 m，4-6跨度为 18 m，7-9跨度为 20 m，高度分别为 45 m，50 m，55 m
图4-11 最小主应力云图，图1-3跨度为 15 m，4-6跨度为 18 m，7-9跨度为 20 m，高度分别为 45 m，50 m，55 m
4.3 不同回采顺序采场和充填体稳定性分析
回采通常为间隔回采和连续回采，间隔回采和连续回采的模型见图4-12和图4-13，其中连续回采模拟的是最危险的回采时间。塑性区状态见图4-14和图4-15，可以看出，连续回采过程，低强度充填区域大面积出现剪切破坏，间隔回采属于局部剪切现象，及时进行充填可以提高采空区的稳定性。Z方向的位移见图4-16和4-17，可以看出间隔回采底部隆起 3.76 cm，顶板下沉接近 10 cm，连续回采顶板下沉 1.58 cm。主应力云图如图4-18~21所示，间隔回采拉应力 1.5993×106 Pa，最小压应力 3.80×107 Pa，连续回采拉应力 1.72×106 Pa，最小压应力 2.79×107 Pa，综上，间隔回采需要及时进行充填采空区，并加强支护。
图4-12 间隔回采模型
图4-13 连续回采模型
图4-14 间隔回采塑性区状态
图4-15 连续回采塑性区状态
图4-16 间隔回采Z方向位移
图4-17 连续回采Z方向位移
图4-18 间隔回采最大主应力云图
图4-19 连续回采最大主应力云图
图4-20 间隔回采最小主应力云图
图4-21 连续回采最小主应力云图
4.4 有巷道工程的不同宽度盘区间柱稳定性分析
盘区间柱需要模拟 10 m、15 m和 20 m的稳定性，留设三种安全矿柱都不会出现塑性区，Z方向位移见图4-22，可以看出采场位移基本都在2.5 cm左右，最大主应力云图见图4-23，最小主应力云图见图4-24，最大主应力基本都在 4×106 Pa左右，最小主应力在 1.6×107 Pa左右，但是可以看出留设矿柱为 10 m时，矿柱的最小主应力达到最大，容易发生破坏，15 m和20 m最小主应力都比较小，考虑到矿柱回收，选择 15 m宽度作为盘区间柱既满足稳定性要求，也可以提高效益。
图4-22 Z方向位移，22-1，22-2，22-3矿柱分别为 10 m、15 m和 20 m
图4-23 最大主应力云图2-，23-1，23-2，23-3矿柱分别为 10 m、15 m和 20 m
图4-24 最小主应力云图，24-1，24-2，24-3矿柱分别为 10 m、15 m和 20 m
5 结语
通过对田兴铁矿不同的采场结构参数、回采顺序、间柱宽度、充填体强度进行建模模拟数值分析，得到如下结论：
（1）通过对不同跨度与高度条件下二步采场的稳定性分析得，塑性区范围、顶底板位移、最大最小主应力都会随着跨度和高度的增大而增大。
（2）在对不同跨度与高度条件下二步采场的稳定性分析的基础上，进行一步骤充填，模拟采场稳定性情况，综合位移、塑性区状态以及应力状态，选择跨度18m和采高50m为最佳方案。
（3）通过对不同回采顺序采场和充填体稳定性分析得，连续回采过程，低强度充填区域大面积出现剪切破坏，间隔回采属于局部剪切现象，及时进行充填可以提高采空区的稳定性。Z方向的位移分析中间隔回采中顶底板位移大于连续回采。故间隔回采需要及时进行充填采空区，并加强支护。
（4）通过对 10 m、15 m和20 m宽度盘区间柱稳定性分析得，留设三种安全矿柱都不会出现塑性区，且三种间柱宽度对应采场Z方向位移基本都在 2.5 cm左右，而通过最大与最小主应力云图分析可以看出，留设矿柱为 10 m时矿柱的最小主应力达到最大，容易发生破坏，15 m和 20 m 最小主应力都比较小，考虑到矿柱回收，选择 15 m宽度作为盘区间柱既满足稳定性要求，也可提高效益。
（5）通过对一步骤有四种充填材料和二步骤有三种充填材料共12种组合进行模拟，综合考虑最主应力、位移范围以及成本等因素，考虑一步骤使用 2 MPa 胶结充填体，二步骤使用0.5MPa低强度胶结充填体，既可以满足稳定性要求，也适当降低了成本。