徐志立，鲁文超，陈长锋
（青岛理工大学 土木工程学院山东青岛266033）
【摘要】研究采用正六边形进路开采充填法在矿山回采中的运用，结合有限元软件ANSYS和有限差分软件FLAC3D进行耦合建模分析，考虑埋深、围岩级别和充填体配比因素对围岩稳定性的影响，结合分析得出了在开采过程中该法对限制顶板沉降方面作用较好，应力从矿房两侧逐渐向四周转移，至开挖后期应力集中区域距开采区一定倍数矿房宽处，且位于中间层水平处；随着埋深加深、围岩级别降低和充填体配比减小，塑性区高度和面积增大，为将来矿山全面步入高效机械化生产作业和减少开采充填工艺循环作业时间，提供技术保障。
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关键词 矿山充填开采；正六边形进路；围岩稳定性；数值分析
【文献标识码】A
Multi-factor approach on a regular hexagon surrounding rock stability of backfill mining
Xu Zhi-li,Lu Wen-chao,Chen Chang-feng
(Civil Engineering College of Qingdao UniversityQingdaoShandong266033)
【Abstract】Study approach using hexagonal fill mining method in mining in the mine, combined with the finite element software ANSYS and finite difference software FLAC3D coupled modeling and analysis, consider the depth, grade and backfill surrounding rock to rock stability ratio factor of influence, combined with analyzes obtained in the mining process of the law to restrict the role of a good roof settlement terms, stress is gradually transferred from the mine to the surrounding sides of the room, to the excavation of the latter from the mining areas of stress concentration area must be in multiples of stope width Department, and is located at the level of the middle layer; with depth deepened, reducing the level of surrounding rock and backfill ratio decreases, the plastic zone height and area increases for the future fully into efficient mechanized mining production operations and reduce exploitation of filling technology cycle operation time, provide technical support.
【Key words】Mine backfill mining;Regular hexagon approach;Surrounding rock stability;Numerical analysis
1. 前言
本文采用正六边形进路开采充填法在矿山回采中的运用，结合ANSYS和FLAC3D进行耦合数值模拟，考虑埋深、围岩级别和充填体配比对开采过程中围岩稳定性影响，研究其破坏方式和破坏机理，分析了顶板沉降、应力场转移规律和塑性区分布规律，为将来矿山全面步入高效机械化生产作业和减少开采充填工艺循环作业时间，提供技术保障。
2. 矿体开采条件和采矿方法
矿体的上、下盘均为围岩，下向倾斜进路开采嗣后全尾砂充填法采用仿生学原理，将进路断面设计为正六边形断面，使采空区充填后呈蜂窝状结构，从而改变其受力状态，提高围岩稳定性，控制地应力作用。进路布置为相邻进路在垂直高度上交错半层，隔一采一，每回采一层下降高度2.6m，采场阶段高度32m，盘区采用脉内外联合采准系统，下降16m设置一条分段道，其与斜道相连接，断面为边长3m，高5.2m（宽*高）。
3. 分析模型
3.1模型建立。
运用ANSYS软件与FLAC3D软件耦合建模，先在ANSYS软件中建立模型并划分网格，后运用专门的接口软件将其导入FLAC3D软件，采用等效平面应变模型。岩体开挖仅在局部范围产生，距开挖区范围至少3倍其宽处，应力、应变变化很小，可忽略不计。本章数值模拟模型遵循该原则，开挖区上下、左右均建立3倍开挖区尺寸，以符合圣维南原理。采用Mohr-Coulomb屈服准则，此破坏准则为可能屈服面内极限面，工程运用该准则是偏于安全的。模型的尺寸为：
3.2力学参数。
计算所采用力学参数是经过室内力学实验所得并通过Heok-Brown强度准则折减后得到的岩体力学参数(数值模拟中围岩和充填体的物理力学参数表见表1)。
3.3模型边界条件。
模型边界条件为两侧限制X方向约束，底端为固定约束，模型顶端施加荷载按照具体开挖方案而定。
4. 模型方案及计算结果分析
4.1模型方案。
设计方案是取13分层，每分层分为两步开挖和两步充填，共有26步，加上初始原岩应力场模拟，总开挖步骤为28步。具体步骤见下表2和图1：
4.2计算结果分析。
（1）位移场分析。
通过上图2～4可以看出，开挖前两步的顶板沉降量比较小，随着开挖充填的不断进行，在开挖第二分层中的正六边形进路矿房时，第3、4步开挖后的顶板沉降量有急剧增大的变化，此后开挖充填过程中，未出现沉降值剧烈变化、平稳增加。随着埋深加深、围岩级别的降低和充填体配比的减小，沉降量逐渐增大，且埋深越大，围岩级别越低和充填体配比越小，沉降曲线变化越陡。
（2）应力场分析。
从图4～7中可以看出，从竖向压应力变化过程看，开挖前两分层中，竖向应力随着充填体配比降低而增大，且第一分层开挖压应力是在增大的。随着开挖充填的不断进行，应力重新分布，由于充填体有效地缓解了侧壁的应力集中现象，初期应力集中区在近开挖区两侧处，第6开挖步的压应力均急剧减小，随后逐渐向两侧扩展，因埋深加深，围岩应力释放增大；围岩级别的降低，其承受应力的能力下降，围岩释放应力也减小；充填体配比减小，胶凝材料少，其抗压强度降低，承受应力的能力降低，围岩释放的应力越小，所以随着埋深加深应力增大，随着围岩级别降低和充填体配比减小应力值减小。且至开挖后期，应力集中区距开挖区一定倍数矿房宽，随着埋深加深、围岩级别增大和充填体配比提高离开挖区越远，位于中间层同一水平处。
（3）塑性区分析。
从塑性区分布看，开挖第一分层时，矿房两侧出现剪切塑性区，但并不影响开挖过程中的围岩稳定性；由于第二分层的开挖，减小了开挖区的横向约束，致使第4步开挖后，出现较大范围的剪切塑性区现象。随着开挖充填的不断进行，由于开挖区两侧围岩一直受到较大的应力影响，以致开挖区两侧围岩的剪切塑性区破坏高度和面积随着埋深加深、围岩级别降低和充填体配比降低而增大。塑性区产生是从与开挖区外相邻矿房的一帮以45°角向上，另一侧则在开外区外与该开挖分层矿房底板同一水平位处与45°向下不断扩展（单数开挖步，塑性区向开挖区的左边向上扩展，双数开挖步，塑性区向开挖区右边扩展），总体上呈现剪切塑性区；开挖后期，在中间层的两侧围岩均有较大的塑性区。
5. 结论
(1) 从顶板沉降方面，随着开挖过程的不断进行，沉降量随着埋深的加深、围岩质量的降低和充填体配比的减小而逐渐的增大，且沉降曲线的斜率也是逐渐的变陡，在开挖至第三分层以后，沉降量未出现较大的起伏波动，且平缓增加。
(2) 从应力场方面，开挖初期，应力主要是由与开挖区相邻的围岩承受，之后随着开挖充填的不断进行，应力重新分布，逐渐再向两侧转移，随着埋深的加深、围岩质量的提高和充填体配比的增大，这种转移的程度也是逐渐增大的，且出现的应力集中区位于为中间开挖层同一水平处。
(3) 从塑性区分布方面，起期的塑性区较小，出现在矿房的两侧帮，随着开挖充填过程的不断进行，塑性区出现在开挖区两侧的围岩上，分别以45°向上下不断扩展，且随着埋深的加深、围岩质量的降低和充填体配比的减小，塑性区的高度、面积和影响的范围都是在增大的。
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［文章编号］1006-7619（2014）10-08-601