两步回采大跨度采场稳定性模拟分析及其控制

崔 松 于世波 黄 丹

（1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628）

磷矿资源在我国具有重要的经济地位，地下磷矿资源大多采用空场法开采，由于磷矿层理发育及脆性较强，开采过程中必须预留较多矿柱形成支撑体系。从而导致磷矿资源的回收率较低，造成大量资源的浪费，同时，使矿山基建投入的回报率大幅降低。如果能够大幅提高资源回收率，不仅能够提高企业经济效益，而且能够延长矿山的开采年限。

为了提高矿体回收率并有效控制开采地压，必须采用安全可靠、技术可行、经济合理、操作性强的采矿方法。两步大跨度采场采矿方法适用于磷矿资源的矿体条件，采场矿柱跨度是采场结构参数的关键指标，直接影响回采空区的安全性和生产作业技术经济指标。高谦等［1］针对金川高应力巷道变形特征，提出了以锚索为支护手段的综合控制技术，采用模拟和分析方法对相关参数进行优化，效果较好。大跨度锚索支护在邢台矿［2］、薛村矿［3］、谦比希铜矿［4］等进行了应用，均满足了高效安全的支护要求。

本研究利用数值模拟的方法，分析某磷矿两步大跨度采矿回采过程中的空区顶板的稳固性，为此方法回采工艺的实施提供理论支持和技术指导［5-6］。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

某磷矿矿体最小厚度为3.0 m，最大厚度为5 m，平均厚度为3.2 m，倾角在18°～38°之间，平均倾角23°。矿石平均品位为24%。顶板为浅灰色厚层状砾屑粉晶含磷白云岩，岩性变化不大。底板为浅灰色中厚层状夹不规则硅质薄层及条带的含磷白云岩，岩性稳定。矿体岩组为Ⅲ级岩体，属中等质量岩体，顶板及底板岩组为Ⅱ级岩体，岩体质量较好。

1.2 支护方案

某磷矿矿体已经进入开采阶段，综合考虑生产效率、安全等因素，矿房设计跨度为9 m，矿房之间留设条柱，宽5 m。直接顶板白云岩厚度为3 m左右，采用锚杆支护。由于锚杆长度较短，不能将灰岩及白云岩整体锚固，顶板支护效果较差，局部顶板离层严重时，锚杆支护易产生负面影响，极易发生大面积整体垮塌的安全隐患。因此，建议采用长锚索+托盘的支护方式对顶板整体加固［7］。

矿房回采顺序：9 m宽矿房分两步回采，一步骤回采宽度4.5 m；回采完毕后，剩余4.5 m宽矿房由中间向两端后退式回采。形成长200 m、宽9 m的大跨度空区。

对于目前采场跨度情况采用主动支护效果预计更好，主动支护主要以锚索支护为主，锚索长度必须深入到较为坚硬的顶板中，根据某磷矿矿区的工程地质条件、岩石力学实验参数及顶板垮落带计算，初定锚索长度为6 m，施工过程中可根据锚索孔施工的快慢判定钻孔深部岩体的坚硬程度后决定锚索长度是否需要加长。

根据以上分析，初步确定某磷矿矿区条带试验采场的主要支护方式为锚索加大号托盘，根据顶板垮落带理论，计算锚索的预应力应达到10 t（98 kN）左右的锚固力，能够保证支护的最佳效果。采场顶板岩体与锚索支护关系见图1所示。

2 大跨度采场稳定性模拟分析

2.1 模型建立

为了真实反映和预测该磷矿采用两步回采大跨度采场回采过程中的地压演变特征和岩体稳固性情况，综合分析采矿过程中试验采场宽度从4.5 m扩大到9 m时的顶板稳定性，根据模拟结果确定两步回采大跨度采场空区顶板的控制对策。根据采场巷道的地质条件及岩性特征，建立的模拟采场巷道回采顺序及采场布置的三维数值模型如图2所示。计算范围长×宽×高=80 m×45 m×55 m，共划分55 800个单元，58 972个节点。上部边界为实际地表，该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为应力边界，采用cable单元模拟端头锚固预应力锚索单元，其中锚固段长度1.5 m，自由段长度4.5 m，施加初始预应力98 kN。假定材料破坏符合Mohr－Coulomb强度准则［8］。

2.2 物理力学参数及监测布置

综合各岩组物理力学试验结果，综合考虑现场实际，对试验数据结果进行必要的折减。最终确定该主要工程岩体物理力学参数如表1所示。

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为了全面客观真实地反映无支护和长锚索支护状态下9 m跨度采场回采过程中的矿柱应力集中程度、顶板变形及锚索拉力动态变化等情况，根据需要针对性地布置了相应监测点（监测点布置在模型重点位置），其中锚索支护分别监测自由段受力及锚固段单一单元段的受力。具体监测点布置如图3所示。

2.3 大跨度采场锚索支护前后应力变化分析

大跨度采场顶板的破坏与其本身的应力分布密切相关。通过图4可以看出，随着多采场回采的动态过程的模拟，围岩的应力场处于不断的变化过程中。采场外围最大主应力区域主要随着回采的进行向整个开采区域的外围顶板及底板锐角区域分布；最小主应力值随着回采的进行始终出现在采场巷道的表面，成为明显潜在破坏区域。

在锚索支护状态下的应力场方面，通过图5可以看出，锚索支护对于控制围岩周边的应力状态起到了一定作用。锚索支护顶板的最小主应力由0.18 MPa提高到1.08 MPa，最小主应力值大幅度提高，极大地改善了顶板的应力状态，使莫尔圆得到了有效缩减，发生剪切及拉伸破坏的可能性得到大幅降低。

2.4 大跨度采场锚索支护前后变形变化分析

采用锚索支护条件下，根据图6可以看出，随着侧向崩矿越过监测点位置，应力集中出现明显的急速下降区域，矿柱恢复到低应力状态；随着两侧采场的回采，矿柱再次出现应力集中状态，但集中程序相对较低；在回采至监测点之后，应力状态再次出现降低特性，说明无锚索支护条件下，顶板安全性较差。

根据图7、图8可以看出，锚索支护顶板后，在不同的回采阶段，锚索的锚固段和自由段受力状态发生一定的变化，但这种变化不是很明显，主要原因是在对锚索施加预应力后，锚索立即对顶板起到了支护作用，顶板也在应力调整过程中始终在锚索支护作用下处于稳定状态，变形得到了有效控制，所以总体上看，锚索的受力受到不同开采阶段的影响不是很明显，说明锚索支护作用稳定，顶板始终处于稳定状态。

3 结论

本项目建立基于某磷矿两步回采大跨度采场稳定回采实际工程的地质力学模型，从应力变化、试验盘区锚索支护变形采场破坏及支护体受力等方面，对试验采场采用顶板锚索支护过程中的地压演变特征及顶板稳固性进行了施工过程力学分析，得出如下结论：

（1）无支护状态。从变形上看，在两侧采场回采阶段是对于采场变形影响最为明显的阶段；从应力上看，单侧采场侧向崩矿扩大到9 m时阶段，是对采场支撑矿柱应力集中程度影响最大的阶段；随着回采进行，顶板出现明显非对称变形，变形量剧烈变大，同时，伴随大量的拉伸破坏单元产生，直接影响到单个采场稳定性，其失稳有可能引起整个采场群的链式失稳破坏。

（2）锚索支护状态。单根锚索的控顶作用体现在支护前后的变形量减小50%左右，锚索支护的作用相当显著；锚索支护后顶板的最小主应力值大幅度提高，极大地改善了顶板的应力状态，顶板中处于剪切破坏和拉伸破坏的范围和单元数量大幅度下降；锚索支护体受力稳定，顶板始终处于稳定状态。

（4）综合以上模拟分析结果，采用已制定锚索支护对策对于不同回采阶段的采场顶板控制作用效果明显。为了更为科学地验证锚索支护对策，建议通过现场顶板变形长期实测的方法，监测不同回采阶段的顶板变形状态，通过长期监测数据，更为充分地验证锚索支护措施的必要性和科学性。