基于Ansys的充填体内工程载体稳定性分析

摘要：为探究充填体对工程载体稳定性的影响，以某矿山实例为背景，应用Ansys软件建立充填体模型，解析不同充填体高度下对工程载体的影响。方法：本文针对国内某铁矿充填体内利用工程载体预构巷道的工艺方法研究，根据不同充填体高度与工程载体内充填不同物质等共建立12种模拟方案，分析不同模拟方案下工程载体在采场内的受力情况与位移状况。研究结果表明：当工程载体内介质为水时，工程载体的整体稳定性明显好于空气介质，因此推荐工程载体内使用水介质。单次充填高度为2m时，x、y方向最大位移均最小，说明该充填高度下，充填料浆未凝固前对工程载体影响最小，单次充填高度不超过2m。本文提出利用橡胶充气芯模作为预构载体，在一步骤采场充填前放置在预形成巷道处，待充填体凝固后收缩橡胶芯模而形成巷道，研究成果对国内类似矿山具有借鉴意义。

关键词：胶结充填体； 充填体内巷道； 数值模拟； 损伤力学； 稳定性分析

充填采矿法已成为地下矿山开采的首选采矿方法，其中阶段嗣后空场充填采矿法兼具充填法与空场法的优点，是国内外大中型铜矿、铁矿等资源开采生产效率最高的充填采矿法，代表着大规模绿色高效采矿的发展方向。地下矿山开采的核心问题是解决作业空间问题，阶段空场嗣后充填采矿法通常将矿体划分为矿房和矿柱，采用“隔一采-”的两步骤回采方式，具体为首先回采一步骤矿房采场，般采用两端出矿方式，出矿巷道布置在相邻的矿柱采场内，出矿完毕后进行胶结充填：

在二步骤矿柱采场开采中，需利用一步骤矿房采场的工程空间，通过重新开挖充填体来形成出矿巷道。由于形成作业空间难度大且受限，二步骤矿柱采场的回采效率通常低于一步骤矿房采场。充填体内掘进巷道面临诸多挑战，如成巷困难、效率低、支护成本高和井下环境差，其施工效率仅为原岩内掘进巷道的10%～20%。目前，关于充填体开挖巷道的研究主要集中在支护技术上，但对充填体内预构巷道的研究相对较少。

本文研究了国内某铁矿山采用的嗣后充填采矿法中预构巷道的技术。通过分析充填体内巷道的现状和预构载体的受力情况，选择了橡胶充填芯模作为预构载体。研究了充填体内预构巷道的工艺技术，并进行了试验，旨在减少矿柱采场开采的掘进量，提高回采效率，降低成本，对同类矿山开采具有借鉴意义。

1 充填体内开挖巷道现状调查与分析

草楼铁矿位于安徽省六安市霍邱县，赋矿岩层为新太古界霍邱群吴集组，为巨厚的第四系覆盖，下伏的古风化带呈似层状，矿体围岩主要为坚硬、半坚硬的层状岩石。矿山采用阶段空场嗣后充填采矿法，年生产能力为300万t/a，采用全尾砂胶结充填工艺，充填浓度大于69%，一步骤采场底部6m强度要求不小于3 MPa，中部和顶部不小于2MPa，步骤采场底部6m强度要求不小于3MPa，顶部不小于2 MPa，中间无强度要求，固结即可。

根据矿块布置，矿房采场与矿柱采场共用底部结构，矿房采场回采完毕，部分底部出矿巷道进行了充填，当矿柱采场开采时，需开挖矿房采场底部的充填体，重新形成出矿结构，作为矿柱采场的出矿结构。草楼铁矿采用TOR070-400铲运机出矿，铲斗体积为4m，出矿巷道断面为等腰梯形断面，上宽3.6 m，下宽4.2 m，直墙高度3.5 m，断面净面积13.65㎡，断面尺寸大，极大地增加了充填体内巷道开挖的难度。充填体内开挖巷道与矿岩内相似，均采用钻爆法开挖，但炮孔数量和装药量均有所减少，由于充填体自身稳定性差和遇水泥化，钻孔施工易出现卡钻和成孔效果差等问题，作业环境也较差，钻爆法施工，对充填体整体稳定性破坏较大，导致支护工作量极大，支护成本高。

目前草楼铁矿充填体内巷道开挖采用锚网十钢拱架十喷射混凝土的联合支护方式，具体地：首先进行锚网施工，然后采用16号工字钢施工钢拱架，接着在钢拱架外侧布置一层钢丝网片，接着采用模板封闭整个拱架，模板与巷道之间的空间采用木头塞实，最后进行喷浆，如图1所示。

钢拱架的间距为0.5～1m，拱架之间采用钢板固定，喷射混凝土标号不低于C30，厚度需大于100cm，包裹充填体不与外部环境接触，形成一个密闭的支护整体。该支护方式工序较多，工作量大，支护成本高，综合开挖效率（含支护）为0.30m/d，仅为矿岩内开挖效率的 10%～20%。

2数值模拟

2.1 材料参数

矿体上下盘围岩主要岩性为黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩，其次为斜长角闪岩、混合岩。其主要岩体物理力学参数见表1所示（由于矿山历史上没有开展过专门的矿山岩石力学研究，没有矿山实测的岩石-岩体力学性质参数，本次是参考北京矿冶研究总院编制的《金安矿业采矿规划课题研究》研究报告数据结合现场调研及考察结果，具体数据如表 1所示。

2.2 基本假设

数值模拟是一种评价岩体开挖后位移和应力的定性或准定量方法，根据计算要求，应对岩体介质性质及计算模型等作以下假设：

（1）由于岩体结构特征在空间上的分布具有一定的规律性，又有一定的随机性。因此从宏观角度，将岩体看作似均质和各向同性的介质；

（2）根据安徽金安矿业有限公司矿山围岩体的力学性质，将岩体视为弹塑性体；

（3）根据对草楼实际的地质调查，本次研究范围内的矿体周围没有大型断层或破碎带，把围岩看作似连续介质；

（4）计算中无法将围岩不同岩体按不同特性的单元进行划分，因此把围岩作为一种混合岩体处理，力学参数取其平均值；

（5）根据工程载体整体受力分析可知，充填料浆失去流动性后对工程载体的作用力很小，因此不考虑充填料浆失去流动性之后的工程载体变化，这里讲充填料浆看做为流体；

（6）充填体内预留巷道试验过程中充填料浆及工程载体对矿岩的影响可以忽略不计，所以矿岩的厚度设置较小，因此考虑缩小矿岩尺寸，降低计算难度。

2.3 模型范围及网格划分

数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型是否与实际情况相符合，这主要包括选择适当的计算范围，确定计算模型的边界条件，对局部结构进行简化处理等。

（1）计算域边界采取位移约束，由于试验对矿岩影响很小，在模型边缘处位移值都很小，可将计算模型边界处位移视为零。因此计算域边界采取位移约束，即模型的顶底面取x、y、z三个方向约束；对yz所在平面方向的边界，取x方向约束，y、z方向自由；对xz方向所在的边界，取y方向约束，x、z方向自由；对称面采用对称约束。

（2）破坏准则

由于计算研究范围涉及到的材料属于非线性的岩土材料，这些介质都属于非弹塑性材料，适合于德鲁克一普拉格（Druker-Prager）准则，故计算时的模型选用德鲁克-普拉格（Druker-Prager）准则来计算。

根据安徽金安矿业有限公司实际生产与开采现状，将计算模型简化，模型范围为进行充填体内预留巷道试验的5～10m范围，计算模型为试验场地的一半，模型大小5.2m×12.2m，工程载体尺寸3.2m×9.56m，巷道尺寸3.6m×10.0m。

通过ANSYS软件来进行三维有限元分析时，对模型进行单元网格划分非常重要。在划分网格的过程中，如果网格划分的太粗略，虽然可以节省计算机的内存资源，使得计算速度加快，但是计算结果往往不太可靠，甚至会得到和实际结果相反的结论。但如果把网格划分的太细，虽然准确度会有所提高，但是分析速度会非常的慢，甚至计算不出来结果。所以在划分网格时要根据模型具体位置的需要，对模型中的核心部分（开挖的矿房、矿柱附近）尽可能的细化，而对模型的外围相对不那么重要的辅助部分划分的可以粗略一些。本模型的网格划分如图 1所示。

（3）材料模型定义方法

①工程载体橡胶

BLATZ-KO橡胶是由Blatz和Ko定义的超弹性橡胶模型，该模型使用第二类Piola-Kirchoff应力。

②岩石

岩石材料选用Johnson-Holmquist模型，该模型适合在大应变，高应变率和高压力条件下使用，岩石的等效强度与压力，应变率和损伤有关，岩石材料通过在k文件中添加*MAT_ADD_EROSION关键字来定义岩石的抗压强度和失效主应力为岩石失效判据，使得岩石当抗压强度达到设定值或者单元主应力达到设定值时即失效，从而模拟岩石爆破失效。水及空气均按常规定义即可。

2.4 模拟方案

根据受力分析和现场条件，一次充填高度增加导致工程载体受力指数级增长。充填料失去流动性后，内摩擦角使工程载体受力小于静液态。充填料浆在采空区沉淀脱水后，工程载体受力显著降低。因此，数值模拟试验中只需评估充填料浆未凝固前工程载体是否破坏，以判断整体稳定性。

3、数值模拟结果与分析

3.1 不同实验方案模拟结果

按照既定的数值模拟方案，对工程载体内空气介质与水介质条件下，在不同单次充填高度下，工程载体的受力及位移情况进行模拟，分别得出不同的模拟结果。

（1）方案1模拟结果

本模拟方案，工程载体内为空气，工程载体放入预留巷道位置后进行充填，单次充填高度5.0m。通过数值模拟可以得出以下结果：单次充填高度5m时，工程载体在x方向最大位移出现在工程载体两侧，为29.5mm，工程载体在y方向最大位移出现在工程载体下方，为13.07mm。

（2）方案2模拟结果

本模拟方案，工程载体内为空气，工程载体放入预留巷道位置后进行充填，单次充填高度3.6m。通过数值模拟可以得出以下结果：单次充填高度3.6m时，工程载体在x方向最大位移出现在工程载体两侧，为10.93mm，工程载体在y方向最大位移出现在工程载体下方，为4.25mm。

3.2 模拟结果分析

将各个方案的x、y方向的最大位移进行汇总，形成如下折线图。

从图 4.28～图 4.29上可以看住当工程载体内介质为空气时，单次充填高度小于3m，x、y方向最大位移均明显变小，说明当充填充填高度小于3m时，充填料浆对工程载体的影响较小。当工程载体内介质为水时，充填后x、y方向最大位移均变小，低于空气介质的平均值，且当单次充填高度为2m时，x、y方向最大位移均最小，说明该充填高度下，充填料浆未凝固前对工程载体影响最小，且从数值模拟结果上看，当工程载体内介质为水时，工程载体的整体稳定性明显好于空气介质，因此推荐工程载体内使用水介质，单次充填高度不超过2m。结合矿山生产实际，控制单次充填高度不超过0.8m。

4、结论

以某矿山实例为依托，利用Ansys数值模拟软件对12个方案进行数值模拟，获得了较可靠的充填体内工程载体X、Y方向的位移分布模型，并对其进行稳定性分析，得到以下结论：

1）通过对工程载体整体进行受力分析，发现随着一次充填高度的增加，料浆作用在工程载体上的力按指数方式增长。同时，充填料失去流动性后，由于内摩擦角的存在，工程载体受力比静液态作用时要小得多。

2）模拟结果显示当工程载体内介质为水时，工程载体的整体稳定性明显好于空气介质，是因为工程载体内介质为水时，工程载体质量与支撑力更大，且注水与放水均便捷。因此推荐工程载体内使用水介质。

3）当单次充填高度为2m时，x、y方向最大位移均最小，说明该充填高度下，充填料浆未凝固前对工程载体影响最小，推荐单次充填高度以不超过2m。

参考文献：

[1]杨小聪，郭利杰.尾矿和废石综合利用技术[M].北京：化学工业出版社，2018.

[2]吴爱样，王洪江，金属矿膏体充填理论与技术[M].北京：科学2]出版社，2015.

[3]于润沧.金属矿山胶结充填理论与工程实践[M].北京：冶金工业出版社.2020.

[4]程海勇，吴爱祥，吴顺川，等，金属矿山固度充填研究现状与发展趋势[J].工程科学学报，2022.44（1）：11-25.

[5]刘光生，杨小聪，郭利杰.基于采充时序的空场嗣后充填体强度要求优化研究[1].有色金属工程，2019，9（10）：85-94.

[6]阚明宝，吴永刚，王艳超，某铁矿阶段空场嗣后充填采空区的安全稳定性分析[].有色金属（矿山部分），2022，74（5）：61-67.

[7]张浩鑫，王沉，李子臣，等，空场嗣后充填开采法矿房数值模拟分析与参数优化[]，有色金属（矿山部分）.2023.75（3）：37-62.

[8]王贤来，崔继强，李庆荣，等，下向进路式胶结充填采矿法中巷道预留技术实践[J].矿业研究与开发，2007（1）：5-6，27.

[9]蒋宗旋，苏环，黄永庆.充填体内巷道掘进预支护方案优化选择[J].采矿技术，2015，15（3）：57-59，95.

作者简介：莫东旭（1993.2-），男，汉族，吉林松原，硕士研究生，工程师，主要从事采矿工程技术研究等工作