DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-35917

深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性影响

韩  斌^{1, 2}，吴  凡^{1, 2}，孟  科^{1, 2}，胡亚飞^{1, 2}，吉  坤^{1, 2}，骆禧光^{1, 2}

(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；

2. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

摘  要：针对深部矿体充填开采条件下的上盘斜坡道稳定性问题，通过数值模拟、机理研究和位移监测等手段分析斜坡道稳定性。首先，采用应力、位移、塑性区三个绝对指标和倾斜、曲率、水平变形三个相对指标评价数值模拟结果以及优化矿体回采方案；然后，从地质条件、采矿工艺和充填效果角度探讨斜坡道保持稳定的原因；最后，通过现场监测研究斜坡道和采场围岩的位移变化规律。结果表明：不同回采方案开采后，斜坡道均有良好的稳定性，且北区、中区矿体最优回采方案分别是方案1、方案6；地质先决条件、采矿工艺科学和充填效果良好是使得斜坡道稳定的原因；监测点1~4的相对最大位移依次为3.9、2.6、5.8和7.0 mm，未发生明显位移，斜坡道与采场围岩稳定性良好。

关键词：深部开采；上盘斜坡道；稳定性；数值模拟；机理研究；位移监测

文章编号：1004-0609(2021)-03-0806-09　　     中图分类号：TD853　　     文献标志码：A

引文格式：韩  斌, 吴  凡, 孟  科, 等. 深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性影响[J]. 中国有色金属学报, 2021, 31(3): 806-814. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-35917

HAN Bin, WU Fan, MENG Ke, et al. Influence of deep orebody filling mining on stability of hanging wall ramp[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2021, 31(3): 806-814. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-35917

围岩体的稳定对保障矿山安全生产至关重要^[1-2]。目前，国内外专家学者针对开采对岩体稳定性的影响进行了大量研究，HE等^[3]对安太堡露天煤矿边坡稳定性进行评价以及优化开挖设计；亓轶等^[4]研究了深部煤层开采对盾构斜井的稳定性影响；DAS等^[5]通过数值模拟评价了开采中岩层倾角和煤层倾角对围岩稳定性的影响；李涛等^[6]研究了破碎围岩条件下预留矿柱开采对充填体稳定性的影响；王振伟^[7]采用相似材料模型试验研究方法，研究井工开采对露天矿边坡变形破裂过程的影响；ZHOU等^[8]研究了煤矸石充填后，沿空留巷自然充填体稳定性；余伟健等^[9]分析了软弱半煤岩巷围岩的变形机制，并提出了控制原理与技术。以往研究中，大多以露天边坡、围岩和重要井巷工程为主要对象。随着露天及地下浅部矿产资源的不断开采，金属矿深部开采将成为常态^[10-12]，为保证矿山的安全、高效生产，通常采用充填采矿法进行开采^[13-14]，因此研究深部矿体充填开采对岩体稳定性的影响是大多数地下矿山生产面临的重要课题。本文以吉林某金矿为工程背景，由于特殊的地质条件将斜坡道布置于矿体上盘，采用数值模拟、机理研究和位移监测等方法，研究深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性的影响，研究结果可为其他同类型矿山安全开采提供理论指导。

1  工程概况

1.1  矿区开采背景

某金矿主要采用斜坡道开拓方法和分段空场嗣后充填采矿法进行开采，原设计的开拓、采准工程均布置在矿体下盘，但在矿山实际建设时发现矿体下盘溶洞区非常发育，上盘岩体稳定性良好，因此经设计变更后将斜坡道等井巷工程布置在矿体上盘。矿体的直接围岩为硅化构造角砾岩，上盘围岩为钓鱼台组石英砂岩，岩层结构完整，为厚层状的坚硬岩石。矿体下盘岩石为珍珠门组大理岩，为半坚硬一坚硬的厚层状岩石(Qn2d)，近矿围岩多为构造角砾岩(Part1zh)，虽然在成矿过程中有一定程度的硅化胶结，有的地段可能不甚稳固。

该矿中区、北区矿石资源储量264万t，品位2.5 g/t，占保有资源储量的71%，可产生约1.6亿元的经济效益，但开采中区、北区矿体时可能会影响到主斜坡道的稳定性。为减少开采对斜坡道稳定性的影响，在中区、北区保留两个矿体，先期回采其他区域矿体后，之后再回采这两个矿体，以最大限度减少对斜坡道的扰动。随着开采资源减少，中区和北区成为今后开采的重点对象，因此安全、高效开采这两大矿体对维持斜坡道稳定性及整个矿山的安全生产至关重要。

1.2  岩体稳定性

基于矿区地质勘探钻孔，开展了工程地质调查，采用RMR(Rock mass rating)值法和Q(Quality)值法分别计算中区和北区的深部岩体RMR值与Q值，如表1所示。

表1  深部岩体RMR值与Q值

Table 1  RMR value and Q value of deep rock mass

文献[15]表明，当RMR值在40~60或Q值在1~10时，岩体属于中等岩体。由表1可知，中区和北区的深部岩体可视为中等较为稳定的岩体。

1.3  岩体力学性能

为准确获得开展数值模拟所需的岩体参数，室内前期对角砾岩、砂岩和充填体开展了劈裂拉伸试验、单轴压缩及变形试验以及三轴压缩试验，并用Roclab软件将岩石的力学参数折减为岩体力学性能参数，如表2所示。

2  数值模拟

为了研究中区、北区深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性的影响，建立了包括矿体和斜坡道在内的真三维模型。采用ANSYS软件进行三维数值建模，并导入FLAC3D软件进行分析计算，将岩性简化为砂岩、角砾岩和充填体三种介质类型，材料视为理想弹塑性，本构模型为Mohr-Coulomb准则。

2.1  斜坡道稳定性评价指标

2.1.1  绝对指标

基于数值模拟，采用斜坡道所处的应力、位移、塑性区三个绝对指标，用以评价斜坡道的稳定性。一般而言，如果巷道所在的支护体和围岩承受的应力未出现过大的应力集中，则认为巷道是稳定的。《采矿设计手册》规定：如果顶底板和两帮相对收敛不超过12~36 mm则认为巷道是稳定的；对于塑性区指标，如果数值模拟的过程中巷道围岩未出现贯通性的塑性区，则认为是稳定的^[16]。

2.1.2  相对指标

地下开采引起的上覆岩层和地表移动变形会直接影响地表建筑物。《采矿设计手册》规定：临界变形值即无需维修就能保持建筑物及各种设施正常使用所允许的地表最大变形值。对于一级建筑物，其倾斜、曲率以及水平变形临界变形值^[17]分别为：倾斜i=3mm/m、曲率K=0.2 mm/m²、水平变形ε=2 mm/m。目前，对于采场构筑物临界变形值尚无统一标准，本研究将采用地表建筑物的倾斜、曲率、水平变形三个相对指标，用以评价斜坡道的稳定性。

表2  岩体力学性能参数

Table 2  Mechanical property parameters of rock mass

2.2  已开采矿体模拟反分析

中区530 m水平以上矿体目前已开采完毕，以其实际开采顺序，通过数值模拟进行分步开挖，分析开采对斜坡道稳定性的影响，并与现场斜坡道稳定性进行对比，校核数值模型的准确性。

2.2.1  绝对指标结果

图1所示为斜坡道的数值模拟结果，主要为应力、位移、塑性区三个绝对指标。由图1可见，斜坡道的最大主应力为7.421 MPa，未出现应力集中的现象；斜坡道断面沉降不大，相对收敛为0.046 mm，未超过规定的相对收敛的下限值；对于塑性区，斜坡道没有贯通破坏区。因此，中区530 m水平以上矿体的开采对斜坡道稳定性的影响极小，无有害性影响。

2.2.2  相对指标结果

图2所示为斜坡道的相对指标结果，主要为倾斜曲线、曲率曲线和水平变形曲线。由图2可见：中区530 m水平以上矿体开采后，斜坡道最大倾斜值为0.023 mm/m，最大曲率值为0.012 mm/m²，最大水平变形为0.006 mm/m，变形值均较小，未超过临界变形值。因此，中区530 m水平以上矿体的开采基本不会影响斜坡道的稳定性。

2.2.3  综合分析

由2.2.2节可知，斜坡道的围岩变形值均未超过临界变形值，但各中段均有沉降区域。与曲率值和水平变形值相比，倾斜值相对偏大，选取倾斜值为衡量指标，连接已采矿体的倾斜值为3 mm/m的临界点，得到已采矿体倾斜临界曲面图，如图3所示。由图3可知，中区530 m水平以上矿体开采后，该临界面位于斜坡道与矿体之间，表明斜坡道是稳定的。同时，现场观察表明，该区域斜坡道稳定性良好，未见有巷道失稳、喷射混凝土大面积开裂等现象，即中区530 m水平以上矿体开采对斜坡道稳定性的影响并没有危害。因此，数值模型的建立和参数的选取是合理的，数值模拟结论可以采用，具有很高的可信度；矿体厚度有限、岩体质量好、充填体强度高等综合原因，开采对斜坡道稳定性的影响有限。

2.3  深部矿体开采数值模拟

2.3.1  矿体回采方案

图1  斜坡道的数值模拟结果

Fig. 1  Numerical simulation results of ramp

图2  斜坡道的相对指标结果

Fig. 2  Relative index results of ramp

图3  已采矿体倾斜临界曲面图

Fig. 3  Slope critical surface of mined body

表3  矿体回采方案

Table 3  Mining plan of ore body

为进一步研究未开采的深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性的影响，对中区、北区深部矿体不同开采方案进行数值模拟，评价斜坡道稳定性，并优化回采方案。矿体回采方案如表3所示，其中回采方法1为全中段矿房—矿柱回采，回采方法2为各分段矿房—矿柱回采。

限于篇幅，本文只针对方案1的回采顺序进行详细说明。方案1将矿体划分为矿房、矿柱和水平矿柱，其开采结构形态如图4所示，矿房、矿柱宽度均为20 m，高度为15 m或30 m，长度等于矿体的厚度或矿体厚度的1/2 ，水平矿柱高度为30 m，位于365 m水平至395 m水平之间。矿体开采顺序为先采335 m水平至440 m水平的矿体，后采245 m水平至335 m水平的矿体，两中段矿体回采顺序均为先采矿房后采矿柱。待回采充填结束后，北区矿体形成上、下为充填体，中间为水平矿柱的支撑体系。

图4  矿体开采结构形态

Fig. 4  Mining structure of ore body

2.3.2  绝对指标结果与分析

对6种回采方案进行数值模拟，发现不同方案下的斜坡道的最大主应力与相对收敛有所不同，但均未出现贯通性的塑性区，最大主应力和相对收敛的数值模拟结果如图5所示。

图5  6种方案的数值模拟结果

Fig. 5  Numerical simulation results of six schemes

由图6可见，对于北区深部矿体，方案1~4斜坡道的最大主应力范围在8.2~8.8 MPa之间，均未出现明显的应力集中；方案1~4斜坡道的相对收敛范围在2.2~5.4 mm之间，比规定的相对收敛的下限值稍大，但均未超过上限值；4种方案中，方案1的最大主应力和相对收敛最小，对斜坡道的扰动最小。同时，各方案均无贯通性的塑性破坏区，因此4种方案都不会影响斜坡道的稳定性，方案1可作为最优方案开采北区深部矿体。对于中区深部矿体，方案5、6对应斜坡道的最大主应力分别为7.422 MPa、7.422 MPa，无应力集中现象；方案5、6对应斜坡道的相对收敛分别为2.562 mm、2.525 mm，稍大于规定的相对收敛的下限值，但远小于上限值；同时，2种方案都未发生塑性破坏，不会影响斜坡道的稳定性，均可开采中区深部矿体。

2.3.3  相对指标结果与分析

图6所示为不同方案回采北区矿体后斜坡道的相对指标。由图6可见，方案1~4斜坡道的最大倾斜值分别为0.263、0.276、0.383和0.433 mm/m，最大曲率值分别为0.0066、0.0071、0.0097和0.0115 mm/m²，最大水平变形值分别为0.179、0.304、0.275和0.320 mm/m，均未超过规定的临界变形值，开采北区深部矿体不会影响斜坡道的稳定性；在斜坡道所在范围内，相比于其它方案，方案1的倾斜、曲率和水平变形最小，可作为最优方案开采北区深部矿体，与绝对指标结果分析一致。

图7所示为不同方案回采中区矿体后斜坡道的相对指标。由图7可见，方案5和6回采后，斜坡道的最大倾斜值分别为0.0186和0.0168 mm/m，最大曲率值分别为0.0009和0.0008 mm/m²，最大水平变形值分别为0.044和0.039 mm/m，均远小于临界变形值，开采中区深部矿体不会影响斜坡道的稳定性，与绝对指标结果相吻合；在斜坡道所在范围内，方案6的倾斜、曲率和水平变形的对应峰值略小于方案5的，方案6可作为优化方案开采中区深部矿体。

图6  北区回采后斜坡道的相对指标

Fig. 6  Relative index of ramp after mining in north area

图7  中区回采后斜坡道的相对指标

Fig. 7  Relative index of ramp after mining in central area

3  机理研究

数值模拟分析表明，中区、北区深部矿体充填开采对上盘斜坡道稳定性的影响十分有限，无有害影响。本节将从地质条件、采矿工艺和充填效果这三方面进行机理研究，探讨分析斜坡道保持稳定的原因。

3.1  地质条件

由1.2节可知，矿区岩体属于中等岩体，能够有效地维护岩体的总体稳定性和斜坡道等关键井巷工程的安全。同时，中区、北区矿体附近无大型地质构造，矿区主要包括F100、F102和F201断裂。其中，F100断裂是成矿前的不整合构造，宽度近100 m，属于二次胶结后的构造；F102断裂位于中区、北区矿体下盘，且距离矿体较远，约200 m； F201断裂距北区矿体100 m左右，为北西向构造，垂直于矿体走向和斜坡道。因此，在开采中区、北区矿体时，不会由于大型地质构造造成斜坡道的不稳定。

3.2  采矿工艺

在开采矿体时，矿体平均厚度只有25 m，回采宽度在10~50 m之间，回采对围岩的扰动范围小。采用隔一采一或隔二采一的回采顺序，最大限度减少了开采对区域稳定性影响和岩体移动。采场设计、施工过程中，采用马修斯理论评价采场稳定性，大幅降低了采场失稳风险。采用快采快充工艺，采场开采、充填时间缩短为10~30 d，空区暴露时间变短，周围岩体在大变形前就已经完成充填。采用纤维湿喷混凝土支护、机械化安装树脂锚杆支护以及鸟笼状钢绞线为核心的长锚索支护等多种国内外最先进的支护手段，有效保证了支护质量。因此，科学的采矿工艺为斜坡道的稳定性发挥了重要作用。

3.3  充填效果

采场接顶率是阻止岩体移动和保护斜坡道的关键因素，充填完成后采场接顶率高达90%，满足矿山接顶要求，如图8所示。采用废石、尾砂、粉煤灰添加体积比为1:1:1的配合比进行工业充填，充填体28、56和90 d的单轴抗压强度分别达到1.2、2.7和3.0 MPa，充填体强度高且随时间的增长还有明显增大的趋势。充填体弹性模量高，测定不同时期的充填体，其弹性模量为1.94~5.56 GPa，是矿体或围岩弹性模量的1/10左右，围岩的位移和破坏得到有效控制。因此，良好的充填效果保证了斜坡道的稳定性。

图8  采场接顶效果

Fig. 8  Effect diagram of stope roof connection

4  位移监测

数值模拟和机理研究均表明，开采深部矿体不会影响上盘斜坡道稳定性。为进一步验证数值模拟和机理研究结果的准确性，同时考察开采对相邻围岩和斜坡道的实际影响，采用位移监测法进行现场监测分析，并为今后斜坡道等井巷工程的稳定性维护提供超前预测预报信息。

4.1  监测方案

为定量监测采场回采对围岩及斜坡道移动的影响，将位移监测点布置于斜坡道和采场，监测方案如表4所示。北区、中区矿体开采方案分别选用数值模拟最优结果即方案1、方案6。

本次现场监测选用YH02-G20型多点位移计测量斜坡道和围岩位移变化，其技术参数如表5所示。

表4  斜坡道和采场位移监测方案

Table 4  Monitoring scheme of displacement of ramp and stope

表5  多点位移计技术参数

Table 5  Technical parameters of multi-point displacement meter

由表5可知，量程大于数值模拟的最大位移量，灵敏度较高且温度范围广，因此可认为多点位移计能够准确测量斜坡道与围岩位移变化情况。

4.2  结果与分析

多点位移计安装完成后，定期(每月1次)采集数据，从2014年11月至2017年4月，共进行了30次数据监测与采集，各监测点位移变化曲线如图9所示。

由图9可见，对于相同监测区域，距孔口5 m和15 m的监测点位移变化规律基本一致，监测效果达到预期要求，监测结果真实可靠；对于中区、北区矿体上盘斜坡道，随着时间的增加，曲线趋于平稳，整体位移波动幅度分别在-3.8~3.9 mm、-1.8~2.6 mm内；随着时间的增加，在采场回采结束时相对位移达到最大，但随充填其相对位移逐渐减小，整体位移波动幅度分别在-1.9~5.8 mm、-7.0~1.2 mm内；与斜坡道相比，采场围岩位移变化波动次数多且幅度大，主要是相邻采场开采影响以及斜坡道与采场距离较远造成的；总体而言，各位移监测点变化幅度不大，无明显的位移变化，斜坡道和采场围岩具有良好的稳定性。

图9  位移监测曲线

Fig. 9  Monitoring curves of displacement

5  结论

1) 数值模拟结果表明：绝对指标和相对指标均认为不同回采方案下的斜坡道是稳定的，综合分析确定北区、中区深部矿体最优回采方案分别是方案1、方案6。

2) 机理研究分析表明：矿区岩体为中等岩体且附近无大型地质构造，开采扰动小、回采合理且巷道支护手段强，采场接顶率高、充填体强度和弹性模量高，是保持斜坡道稳定的主要原因。

3) 位移监测结果表明：中区、北区矿体上盘斜坡道位移波动幅度分别在-3.8~3.9 mm、-1.8~2.6 mm内，其采场位移波动幅度分别在-1.9~5.8 mm、-7.0~1.2 mm内，各监测点无明显位移，斜坡道和采场围岩稳定性良好。

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Influence of deep orebody filling mining on stability of hanging wall ramp

HAN Bin^{1, 2}, WU Fan^{1, 2}, MENG Ke^{1, 2}, HU Ya-fei^{1, 2}, JI Kun^{1, 2}, LUO Xi-guang^{1, 2}

(1. Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal, Ministry of Education, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China;

2. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: In view of the ramp stability of the hanging wall under the condition of deep orebody filling mining, the ramp stability was analyzed by means of numerical simulation, mechanism research and displacement monitoring. First of all, three absolute indexes of stress, displacement and plastic area, and three relative indexes of inclination, curvature and horizontal deformation were used to evaluate the numerical simulation results and to optimize the mining scheme of the ore body. Then, the reasons for the stability of the ramp were discussed from the perspective of geological conditions, mining technology and filling effect. Finally, the displacement change rules of the ramp and the surrounding rock of the stope were studied through on-site monitoring. The results show that, after mining with different mining schemes, the ramp has good stability, and the best mining schemes of the ore body in the north area and the middle area are scheme 1 and scheme 6, respectively. The geological preconditions, scientific mining technology and good filling effect are the reasons for the stability of the ramp. The relative maximum displacements of monitoring points 1-4 are 3.9, 2.6, 5.8 and 7.0 mm in sequence, without obvious position, and the stabilities of slope and surrounding rock are good.

Key words: deep mining; hanging wall ramp; stability; numerical simulation; mechanism study; displacement monitoring

Foundation item: Projects(2018YFC1900603, 2018YFC0604604) supported by the National Key Research and Development Program of China

Received date: 2020-04-02; Accepted date: 2020-06-26

Corresponding author: HAN Bin; Tel: +86-13241806882; E-mail: hanb666@163.com

(编辑  李艳红)

基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC1900603，2018YFC0604604)

收稿日期：2020-04-02；修订日期：2020-06-26

通信作者：韩  斌，副教授，博士；电话：13241806882；E-mail：hanb666@163.com