单进路采场充填假顶力学行为数值分析_李明骏.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：李明骏,曹易恒,莫静,方利杰,谭崇明,周颜.单进路采场充填假顶力学行为数值分析J.铜业工程,2023(1):113-120.单进路采场充填假顶力学行为数值分析李明骏，曹易恒，莫静，方利杰，谭崇明，周颜（江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204）摘要：为分析研究单进路采场充填假顶在暴露过程中的力学行为与发展特征，以及内部配筋的受力状态，以某矿山急倾斜薄矿体下向分层进路充填采矿法形成的充填假顶为工程实例，结合实际建立标准化三维模型，采用有限差分法分析软件进行数值模拟计算。结果表明：回采水平越深采场主应力越大，其中充填通风小井靠近上盘的井壁处受拉应力较为明显，在矿房边界外510 m范围内存在一定的压应力集中现象；顶板最大位移并不位于几何中心，越靠近上下盘边界位移变形量越大；吊筋所在位置顶板暴露前后受力状态由受压转变为受拉，底筋受力状态并不单一受拉，呈拉压交错复杂状态。关键词：单进路；充填假顶；应力；位移；配筋受力doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.014中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0113-081 引 言进入21世纪以来，中国矿产资源使用量持续增长。随着浅部、易采的矿产资源日益减少，为了保障工业发展的上游原料供应，我国逐渐加强条件复杂难采矿体的开采活动，矿岩软弱破碎的矿体就是其中一种典型难采矿体1-3。此类矿体的开采活动存在顶板易垮塌冒落、空间可暴露面积小、对地应力变化敏感等问题，采矿方法多为下向分层进路充填采矿法，该采矿方法的采场顶板为充填体。关于顶板充填体的力学行为和暴露后的变形过程，业内众多从业者对此开展了研究4-6，为控制顶板安全提供了理论依据。充填假顶构筑体力学行为及破坏机理的理论主要有弹性板理论、弹性梁理论。黄玉诚等7将下向进路结构力学模型视为“两侧弹性基础之上的板结构力学模型”，按照进路两侧支撑体力学特性分为“硬支弱板”和“软支弱板”结构，指出下向进路充填假顶破坏形式主要是弯曲拉断破坏；王俊等8以下向进路工艺基本特点为基础，将充填假顶简化为四边简支的厚板模型，借助符拉索夫厚板理论，分析了充填体拉应力分布状态，并据此建立强度模型用于强度设计；李小松等9对大跨度充填假顶作受力分析，采用薄板理论和经济配筋理论研究大跨度充填假顶内部应力状态及配筋设计，并采用数值模拟手段验证其稳定性；华心祝等10按照结构力学简支梁理论，对充填假顶承载层的应力大小及分布进行了分析计算，以此开展强度试验研究；冯帆等11基于浅部软岩巷道建立两端刚接的“嵌固梁”式充填假顶力学模型，分析其内部力学行为和稳定状态；马长年12将金川二矿区相邻分层进路不同布置方式的条件下的充填假顶视为多跨连续梁，采用多弯矩方程分析得出了充填假顶应力分布状态方程；于少锋等13以较大空区高度的膏体假顶为研究对象，利用尖点突变理论及ABAQUS有限元法对其进行了稳定性数值模拟分析研究。目前，关于充填假顶的力学行为的研究对象多为中厚以上的矿体，并采用下向分层进路充填采矿法开采形成的充填假顶。然而，对于矿体薄、开采条件差的稀贵矿种的矿山，采用下向分层进路充填采矿法一般只有一步骤单进路采场，进路宽度等于矿体厚度，在此条件下形成的充填假顶的应力状态和发展过程的研究并不多见。因此，本文通过建立三维数值模型，模拟在薄矿体采用下向分层进路充填采矿法进行采矿，研究单进路采场充填假顶的力学行为及内部配筋受力状态。收稿日期：2022-08-12；修订日期：2022-10-03作者简介：李明骏（1990），男，江西赣州人，本科，高级工程师，研究方向：采矿技术与地质技术管理工作，E-mail：113总第179期铜业工程Total 1792 工程概况某黄金矿山矿体平均厚度为2.3 m，采用下向水平分层进路充填采矿法，如图1所示。采场沿走向布置，长度为4050 m，宽度为矿体厚度，中段高度为 40 m，分层高度为 2.22.5 m，不留间柱和顶底柱。内部配筋布置如图2所示。充填假顶主要构筑工艺如下：（1）整平底板进路尽头到位后，清理进路整平底板，留厚约20 cm的碎矿作为垫层，并在其上铺设一层塑料薄膜。（2）布置底筋在宽度方向布置 3 根 HRB335（12 mm）钢筋作为主筋，间距为1000 mm，沿着进路长度方向在主 筋 上 方 铺 设 HRB335（12 mm）和 Q235（6 mm），间距均为1000 mm，绑扎固定连接主副筋。（3）布置吊筋和锚杆在上、下盘每隔 1000 mm 分别吊设 1 根 Q235钢筋（12 mm），吊筋上部搭接锚杆，底部连接主筋交叉点。（4）架设充填通风井与充填挡墙在进路内部搭建充填通风小井木质框架，外部包裹土工布，待充填料浆凝固后即可形成充填通风小井（1.3 m1.3 m），逐层往下可实现顺路，形成预留充填通风小井，采场内布置2条。用坑木横向堆摞搭建充填挡墙，外部设3根横撑抵抗挡墙内部侧压力，用2层土工布覆盖挡墙内壁并适当外延防止跑浆。（5）充填构筑充填假顶充填灰砂比为1 6，平均质量浓度为71%，不接顶充填，充填高度为1.5 m，一次充填完成。井下采场内的回采顺序为从上至下，下一分层揭露后工作面顶板为充填体，而充填体在进路掘进式采矿过程中又会逐渐暴露。为获知充填假顶在揭露过程中的力学行为与发展特征，以及内部配筋的受力状态，进一步加深工程内核理论的认识，为生产实际提供优化依据，特此开展了此项研究。3 充填假顶力学行为及内部配筋受力状态结合矿体产状、开采技术条件和工艺参数，进行简化形成标准模型，并采用有限差分法分析软件进行模拟开挖数值分析，建立单个矿房的矿体开挖模型，如图3所示。采场长度40 m，厚度2.3 m，图1下向水平分层进路充填采矿法Fig.1Downward horizontal slicing drift filling mining method图2配筋布置示意图（mm）（a）底筋布置图；（b）吊筋锚杆布置图Fig.2Layout diagram of reinforcement（mm）（a）Layout of the underbar；（b）Suspension bolt layout114李明骏等 单进路采场充填假顶力学行为数值分析2023年第1期高度40 m，倾角68，埋深350400 m，模型大小为160 m100 m100 m，上方岩体的应力作用主要来源于自重，因此以相当大小的自重应力替代其实体高度。从上到下模拟16次开挖-充填循环，最后一个分层分步开挖，每步开挖10 m。为了解采场应力分布状态和随开挖活动逐渐向下的发展过程，分别截取5th，9th，13th，17th分层的数值模拟计算结果进行说明。3.1应力分布特征与发展过程分析主应力分布图4和图5可知，回采至5th分层时，最大拉应力为 0.14 MPa，最大压应力为 38.08 MPa；回采至17th分层（最后一个分层）时，最大拉应力为 0.20 MPa，最大压应力为 44.60 MPa。拉应力主要存在于充填通风小井靠近上盘的井壁处，由于开挖区域的应力释放，表现为压应力的最大主应力转移至围岩。随着回采水平下延，最大拉应力和压应力均逐渐增大，在矿房边界外扩510 m的范围内存在一定的压应力集中现象。3.2位移变化与发展过程分别剖切提取矿体厚度方向上的中线剖面和图4不同开挖阶段最小主应力分布图Fig.4Distribution diagram of minimum principal stress at different mining stages（a）5th；（b）9th；（c）13th；（d）17th图3矿体开挖三维模型（a）三维模型图；（b）矿房正视图Fig.3Three dimensional model of ore body mining（a）Three-dimensional model diagram；（b）Front view of the mine115总第179期铜业工程Total 179分层直接顶板剖面，开挖活动累计造成的Z方向位移如图6所示；将本分层以上所有分层矿体开挖引起的Z方向累计位移清零后，单个分层开挖引起的Z方向位移如图7所示。图5不同开挖阶段最大主应力分布图Fig.5Distribution diagram of maximum principal stress at different mining stages（a）5th；（b）9th；（c）13th；（d）17th图6不同开挖阶段Z方向位移分布图（a）5th分层矿体中线剖面；（b）5th分层矿房顶板剖面；（c）17th分层矿体中线剖面；（d）17th分层矿房顶板剖面Fig.6Displacement-Z at different mining stages（a）Midline profile of 5th stratified ore body；（b）The 5th stratified mine roof slab section；（c）Midline profile of 17th stratified ore body；（d）The 17th stratified mine roof slab section116李明骏等 单进路采场充填假顶力学行为数值分析2023年第1期由图6可知，开挖活动引起采场顶板和充填通风小井周围发生沉降，中部沉降量最大。随着回采水平下延，Z方向位移也逐渐增大。回采至5th分层时，矿房Z方向位移为-32.8546.53 mm，本分层采场顶板沉降位移为 8.24 mm；回采至 17th 分层时，Z方向位移为-41.4186.54 mm，本分层采场顶板沉降位移为13.66 mm。由图7可以看出，将前期所有分层开挖引起的累计位移清零。随着回采水平下延，当前所在单个分层开挖引起的位移也在逐渐增大，回采5th分层时，引起顶板Z方向位移为-7.843.01 mm；回采17th分层时，引起顶板 Z方向位移为-10.453.81 mm，沉降和鼓胀变形均有所加剧。从位移分布来看，以矿体厚度中线为界，靠近上盘的区域发生沉降，越靠近上盘采场边界沉降量越大；靠近下盘的区域发生鼓胀，越靠近下盘采场边界鼓胀量越大。分层开挖会在矿体厚度方向上的中部引起沉降，但引起的最大位移并不在采场的几何中心，最大沉降变形发生在上盘附近，最大鼓胀变形发生在下盘附近。3.3配筋受力状态与发展过程由图8和图9可知，吊筋所在位置暴露为顶板后，吊筋受到拉力，上盘吊筋拉应力大小为3550 MPa，下盘吊筋拉应力大小为020 MPa，所在位置未被暴露为顶板的吊筋受到压应力，压应力大小约为040 MPa，靠近已暴露和未暴露顶板边界处的吊筋受到的压应力最大，且上盘吊筋拉应力比下盘吊筋拉应力大。随着揭露长度增大至顶板全部暴露，上下盘吊筋所有吊筋均受到拉应力，由受压转变为受拉状态。由图10可知，最下分层从第一步开挖10 m至开挖的最后一步，整个分层顶板全部暴露后，纵向与横向的主筋不单一受拉，有受拉、受压两种状态，呈拉压交错状态。这说明底筋受力状态较为复杂，但底筋网控制充填假顶位移变形的作用不可否认。4 结 论（1）分层逐渐下降，采场主应力越大，拉应力主要位于充填通风井靠近上盘的井壁处，在矿房边界外扩510 m的范围内存在一定的压应力集中图7不同开挖阶段分层顶板Z方向位移分布图（前期位移清零）（a）5th分层顶板剖面Z位移和（b）发展曲线；（c）17th分层顶板剖面Z位移和（d）发展曲线Fig.7Displacement-Z distribution of stratified roof at different mining stages（early displacement reset）（a）The 5th stratified roof profile Z displacement and（b）development curve；（c）The 17th stratified roof profile Z displacement and（d）development curve117总第179期铜业工程Total 179现象。（2）最大位移并不在采场的几何中心，靠近上盘的区域发生沉降，靠近下盘的区域发生鼓胀，越靠近上下盘采场边界位移变形量越大。（3）吊筋所在位置顶板被暴露后由受压转变为受拉，暴露区域边界附近吊筋受到的压应力最大；本分层顶板全部暴露后，底筋受力状态较为复杂，并不单一受拉，呈拉压交错状态。图8不同开挖阶段（顶板暴露长度）吊筋应力分布图Fig.8Stress distribution of suspension bar at different mining stages（a）10 m；（b）20 m；（c）30 m；（d）40 m图9上、下盘监测吊筋应力随分步开挖的发展曲线图（a）上盘；（b）下盘Fig.9Development curve of suspension bar stress of upper and lower wall monitoring with step mining（a）Upper wall；（b）Lower wall118李明骏等 单进路采场充填假顶力学行为数值分析2023年第1期参考文献：1 刘晓慧.碳中和背景下铜资源需求保持高位 N.中国矿业报，2022-02-16（001）.2 杨建锋，马腾，王尧，张翠光，余韵.全球与中国主要金属矿产资源勘查长期趋势分析 J.中国矿业，2020，29（10）：1.3 任彦瑛.中国铜矿资源的现状及潜力分析 J.中国金属通报，2021（1）：5.4 徐贞社，冯帆，吴业聃，陈绍杰，张鑫源，卞壮.破碎围岩急倾斜薄矿体下向分层充填法研究 J.矿业研究与开发，2022，42（3）：1.5 谭宝会，张志贵，陈星明，朱强.下向分层胶结充填采场失稳机理及顶板垮塌模式研究 J.地下空间与工程学报，2021，17（6）：1988.6 张葆春.下向分层进路式充填采矿法假顶护顶途径探讨 J.铜业工程，2002（2）：21.7 黄玉诚，孙恒虎.高水固结充填下向进路假顶参数设计方法 J.有色金属（矿山部分），2001（2）：15.8 王俊，乔登攀，李广涛，刘艳辉，张希.基于厚板理论下向进路充填假顶强度模型及应用 J.煤炭学报，2022，doi：10.13225/ki.jccs.2022.0302.9 李小松，李夕兵，龚永超，刘志祥，赵宇喆.大跨度充填体假顶力学模型及稳定性分析 J.矿冶工程，2018，38（6）：23.10 华心祝，孙恒虎.下向进路高水固结尾砂充填试验研究 J.矿业研究与开发，1996（3）：7.11 冯帆，黄万朋，郭忠平，王亚军，王二雨.浅埋下向单一进路巷道胶结充填顶板稳定性分析 J.采矿与安全工程学报，2016，33（6）：1089.12 马长年.金川二矿区下向分层采矿充填体力学行为及其作用的研究 D.长沙：中南大学，2011：1.13 于少峰，高鹏举，冯志兴.软破采场膏体充填假顶设计及稳定性分析 J.铜业工程，2020（6）：14.Numerical Analysis of Mechanical Behavior of Backfill Roof in Single Drift StopeLI Mingjun，CAO Yiheng，MO Jing，FANG Lijie，TAN Chongming，ZHOU Yan（Wushan Copper Mine，Jiangxi Copper Corporation Ltd，Ruichang 332204，China）Abstract：In order to analyze the mechanical behavior and development characteristics and the stress state of the internal reinforce图10不同开挖阶段（顶板暴露长度）底筋应力分布图Fig.10Stress distribution of bottom reinforcement at different mining stages（a）10 m；（b）20 m；（c）30 m；（d）40 m119总第179期铜业工程Total 179ment of the single drift stope backfill roof in the exposure process，taking the backfill roof formed by the downward slicing drift filling mining method in a mine steeply inclined thin ore body as example，a standardized three-dimensional model is established in combination with the actual situation，and the finite difference method software is used for numerical simulation calculation.The results show that the deeper the stope level is，the greater the principal stress of the stope is.The tension of the wall near the hanging wall of the filling ventilation shaft is obvious，and there is a certain concentration of compressive stress within the range of 510 m outside the mine room boundary；the maximum displacement of the roof is not located at the geometric center，and the closer to the boundary of the upper and lower walls，the greater the displacement and deformation；the stress state of the ceiling where the suspenders are located is changed from compression to tension before and after the roof is exposed，and the stress state of the bottom reinforcement is not single tension，which is a complex state of staggered tension and compression.Key words：single drift stope；backfill roof；stress；displacement；steel reinforcement stressdoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.014120