在深部高应力环境下，冒顶、片帮、底鼓、岩爆等地压灾害频繁发生[1],采用充填采矿法可以有效缓解地压问题，且其具备高回采率、低贫化率、安全高效和环保等特点，已然成为金属矿山深部开采的优先选择[2-4]。合理的采场结构参数是确保充填采矿法在深部采场实现安全高效生产的前提[5],而进路宽度作为采场结构参数中的重要因素[6],其尺寸设计将影响采场的安全稳定、生产能力和经济效益等[7]。

回采进路尺寸过小时会影响机械设备的正常运行，不仅降低了生产能力，还造成了人力、物力等资源的浪费；回采进路尺寸过大时，空区暴露面积过大，采场矿岩稳定性降低，极易引发地压灾害，威胁矿山生产安全[8]。合理的回采进路参数至关重要，许多学者对回采进路参数进行了大量研究并取得了一定的研究成果[9-14]。张建发等[11]通过数值模拟研究了不同进路宽度下应力、位移、塑性区的演化规律，据此优化了进路宽度；王文胜等[12]采用FLAC3D软件分析发现进路宽度为5～6 m时，顶板基本无垮落风险，据此开展工业性试验，现场矿岩稳定性良好；安傲清[13]利用ANSYS软件对8种不同采场结构参数方案进行模拟，分析其应力和位移情况，最终确定研究矿区最佳进路宽度为4 m; 卢西洲等[14]通过数值模拟对9种进路宽度和高度进行了研究，构建了以最大主应力、最大拉应力、平均屈服率和顶板下沉量4项指标为主的回采进路参数优化综合评价指标体系，综合评价得出采场进路宽度为5～6 m、分层高度为4～4.5 m时能取得良好效益。

上述研究表明，通过现场试验、数值模拟等方法均可优选出合理的回采进路参数，但受矿山开采环境和技术条件影响，不同矿山的最优回采进路参数并不相同，改变回采进路宽度必须考虑矿山围岩稳定性问题，以确保矿山生产安全[15]。基于此，本文以河北钢铁集团沙河中关铁矿为研究对象，研究不同进路宽度下围岩位移、应力、塑性区分布变化特征，分析其稳定性，优选出合理的回采进路参数，并通过现场实践验证优选进路宽度的回采效果，以期为同类型矿山充填采矿法采场回采进路宽度的选择提供一定理论借鉴。

1、数值模拟方案

1.1 工程概况

中关铁矿开采的矿体为埋藏较深的隐伏矿体，埋藏于地表300 m以下，赋存标高-100 m以下，主要矿体均赋存在岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，矿化范围在灰岩中一般距接触带不超过200 m。矿体主要分布于0～10线间，勘探控制面积达1 km2,矿体走向总长2 000 m, 宽300～1000 m, 总体走向北东14°,倾向南东、倾角一般在10°～15°,局部因岩体顶面形态变化影响，倾角可达50°～60°,矿体埋深具有北浅南深及西浅东深特征，已控制矿体深度300～800 m。目前，矿山开采工艺为分段空场嗣后充填采矿法，采场结构参数为分段高度15 m、矿块长50 m、宽18 m。

1.2 模型构建及参数设置

数值模拟选取3DEC离散元软件构建数值计算模型。为方便计算，选取矿体结构完整、结构面不发育的北矿段-230 m水平的3条回采进路为研究对象，并建立模型[16]。以采场结构参数分段高度15 m、进路间距10 m、进路净断面4 m×4 m(高×宽)为主要参数，模型尺寸(长×宽×高)为100 m×8 m×50 m, 分别对4, 5, 6, 7, 8 m共5种不同进路宽度的围岩稳定性进行研究，如图1所示，图中数字1～17为监测点编号。根据矿井相关资料及数据参数，并根据Hoek-Brown修正准则[17]对其进行了修正，工作面覆岩的物理力学参数见表1。

图1 模型及网格划分

表1 工作面覆岩物理力学参数

为减少边界条件对计算结果的影响，选取大于开挖扰动区域5倍的范围作为模型边界，岩层角度0°。模型基于Mohr-Coulomb岩体破坏准则，顶部边界施加12.44 MPa[18]的等效载荷，每百米垂直压力梯度2.5 MPa[19],侧压系数0.5,除顶部外，其余边界固定，防止滑移[20]。

为便于分析，在围岩内设立监测点来记录应力、位移变化情况，在进路周边的顶板和两个侧帮分别设立5个监测点，同时考虑到两边侧进路各存在无邻近进路影响，各增设1个监测点。考虑工程现场实际情况，模型设计了3条回采进路同时开挖[21]。为简化计算，只对位于中间的回采进路进行监测，监测点具体分布如图1所示。

2、进路宽度对巷道围岩稳定性的影响

2.1 围岩应力场随进路宽度变化特征

2.1.1 围岩应力分布特征

通过5组不同回采进路宽度的开挖数值模拟计算，得到了开挖后的围岩垂向应力分布特征，如图2所示。

图2 不同进路宽度下围岩垂向应力云图

由图2可知，回采进路开挖后，围岩中的应力场重新分布，顶底板所受垂向应力为拉应力，侧帮为压应力。随回采进路宽度增加，顶底板处垂向应力由压应力逐渐转变为拉应力，且拉应力逐渐增大，最大达到0.33 MPa; 两侧帮处以压应力为主，随回采进路宽度增加，压应力由21.25 MPa增大到30.17 MPa。说明进路宽度增加有效减小了顶底板处压应力，但导致了侧帮处压应力逐渐增大。垂向应力产生的应力集中区域主要分布在进路顶底板和两侧帮，顶底板处拉应力集中区呈“驼峰”状分布，侧帮处压应力集中区呈“扇形”弧状向两侧分布，随着进路宽度增加，顶板处拉应力集中区随之增大，而侧帮处压应力集中区变化不明显。

2.1.2 进路顶板处围岩应力变化特征

对进路顶板中心(监测点3)处10 m范围内围岩应力变化情况进行监测，得到不同进路宽度下顶板围岩垂向应力与顶板间距之间的关系的趋势，如图3所示。

图3 顶板垂向应力与顶板间距之间的关系

由图3可知，进路顶板围岩垂向应力随距进路顶板距离的增加而逐渐增大，垂向应力的变化呈现以下特征。

(1) 随着监测点距进路顶板距离的增加，围岩内的垂向应力值逐渐增加，在距进路顶板6 m范围内的垂向应力增加较为明显，超过6 m后增幅逐渐减小且趋于稳定。

(2) 在距进路顶板相同深度位置，围岩中垂向应力随进路宽度增加而减小，且进路宽度为8 m的回采进路顶板上方围岩所受应力值最小。

(3) 进路宽度越大，相同深度处所对应的垂向应力值越小。

2.1.3 进路侧帮处围岩应力变化特征

对进路侧帮(监测点8, 13, 16, 17)处10 m范围内的围岩应力变化情况进行了监测，得到了不同进路宽度下侧帮围岩中垂向应力与侧帮间距之间的关系，如图4所示。由于进路左右两帮围岩应力呈对称分布，故针对进路一侧边帮进行分析。

图4 侧帮垂向应力与侧帮间距之间的关系

由图4可知，进路侧帮处垂向应力值变化差异较大，存在以下特征。

(1) 邻近进路侧帮(见图4(a))呈现出先增加后下降的对称趋势，这主要是因为靠近进路的位置围岩更为脆弱，存在高应力区域，应力增加；随着距侧帮距离增加，高应力区域逐渐减弱，应力开始逐渐减小；当距侧帮距离超过进路间距一半(5 m)时，受邻近进路围岩应力的叠加影响，应力开始增加，直至到达邻近进路侧帮，应力下降。

(2) 非邻近进路侧帮(见图4(b))呈现先迅速增加后逐渐下降最终趋于稳定的变化特征，前5 m范围内应力变化情况同邻近进路侧帮原因相同，当超过5 m后，由于此侧帮不再邻近进路，且远离高应力区域，应力值随着距离增加逐渐稳定并趋于原岩应力。

(3) 无论是否邻近进路侧帮，在相同距离处垂向应力值随着进路宽度增加而增加，不同进路宽度时最大垂向应力值均出现在距侧帮1 m处，随后迅速降低，在距侧帮5 m时达到最小(邻近进路)或此后趋于原岩应力值(非邻近进路)。综上所述，进路宽度增加会导致侧帮围岩最大垂向应力值增加，在距侧帮1 m处至最大值，在此范围内围岩更易发生破坏。

2.2 进路宽度对巷道围岩位移场的影响

不同宽度的回采进路其顶板和侧帮监测点位置的位移量如图5所示。

图5 不同宽度进路的顶板和侧帮围岩位移量变化

从图5可以看出，随着回采进路宽度的增加，进路顶板与侧帮的位移表现出以下特征。

(1) 相同位置的顶板围岩下沉量随着进路宽度的增加而增加，顶板整体下沉量表现为“中间大、两侧小”的凹状对称形态(见图5(a));4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 5种进路宽度下顶板中心最大下沉量分别为14.68,19.66,27.65,35.30,43.73 mm。

(2) 随着进路宽度增大，侧帮位移量增幅变大，中心位置位移量最大，且向两侧位移量逐渐减小(见图5(b))。

综上，根据岩体容许的极限位移量判据(<50 mm),5种回采进路宽度的围岩均不会产生大的失稳现象。但随着进路宽度增加，顶板下沉量及其增幅远大于边帮的位移量与增幅，继续增加进路宽度更易引发进路顶板垮落事故。

2.3 进路宽度对塑性区分布的影响

进路稳定性与塑性区的形态和分布范围直接相关，以中间进路为例，统计其塑性区体积和形态变化，进而研究进路宽度对塑性区扩展的影响，不同进路宽度下塑性区体积和形态变化特征如图6所示。

图6 不同宽度进路的塑性区体积和形态变化

由图6可以看出，在形态上，不同进路宽度下，围岩塑性区呈现左右对称分布，并随着进路宽度的增加而增大；在塑性区体积上，表现出随进路宽度增加而增大的趋势，且进路宽度越大，塑性区体积增长幅度越大。进路宽度的增加对垂向上顶底板的塑性区扩展影响较大，随着进路宽度的增加，扩展较快，而对横向上侧帮处塑性区扩展影响并不明显，其影响范围基本未发生显著变化。究其原因在于随着进路宽度增加，顶底板围岩所受的主要影响力由压应力逐渐转向拉应力，使得顶底板的塑性区扩展速度加快，范围扩大。

3、现场生产实践

3.1 工程建议

根据第2节所述不同进路宽度下围岩应力、位移和塑性区分布变化特征的数值模拟计算结果，矿山回采进路设计时应注意以下几点：

(1) 根据顶底板随围岩深度增加应力上升的变化规律，可对进路顶板采取适当加固措施，以改善顶板围岩应力状态，结合数值模拟分析，围岩顶板加固深度应为3～6 m;

(2) 当进路宽度增加时，两侧帮1 m范围内最大垂向应力极有可能超过岩体抗压强度，引发围岩稳定性问题，应针对性地研究该区域的施工与支护方案；

(3) 考虑到进路宽度对围岩整体的影响程度，可先采用低宽度进路进行施工，随着崩矿的进行适当对扇形炮孔后方进路进行扩帮，以期适配现场设备(铲运机等)的实际作业要求；

(4) 根据进路宽度与围岩位移量正相关的变化关系(见图5)和塑性区体积变化情况(见图6)来看，当矿山回采进路宽度大于6 m时，其位移量和塑性区发展速率显著增大，不利于围岩稳定，因此，建议矿山回采进路宽度选择6 m。

综上所述，中关铁矿采用分段空场嗣后充填采矿法回采的进路宽度建议6 m为宜，若需增加宽度，进路垮塌风险上升，此时应配套有相应顶板加固措施用以防范事故的发生。

3.2 现场实践

选取矿山首采段-215～-230 m水平的8N3采场为现场实践对象，8N3采场长35.5 m, 宽9 m, 采高15.0 m, 地质矿量2.9万t, 上下盘无采场布置，南侧8S3采场已回采充填，北侧8NM4-5采场已回采充填。采场8N3内铁矿体属Ⅰ-1主矿体，走向55°,倾向NW,倾角37°,矿体总体比较连续完整，上部为泥质灰岩夹层，底部、中部偶见灰绿色闪长岩。回采进路布置在-230 m水平，共布置3条回采进路，进路间隔约10 m, 进路宽度6 m左右，断面面积12.95 m2,如图7所示。

图7-230 m水平8N3采场回采进路布置

矿房回采进路顶板及两帮支护方式为锚网喷支护，喷浆厚度为150 mm, 除回采进路外8#穿脉内其余位置采用锚网加锚索联合支护，喷浆厚度为100 mm, 喷射混凝土强度均为C20。爆破通风时间不少于30 min, 出矿设备采用3 m3柴油铲运机由回采进路进行铲装，经穿脉巷运至8#采区溜井。矿房于2022年9月投入生产，目前回采尚未结束，回采过程中回采进路稳定性良好。8N3采场回采率达到93%,贫化率13%,采出品位45.4%,采切比5 m/kt, 生产能力1 400 t/d, 这表明在8N3采场使用优选出的进路宽度回采取得了较好的矿石回采效果。图8为回采进路实拍照片，围岩稳定，无垮落冒顶现象。

图8 回采进路实拍照片

4、结论

本文选取5个不同进路宽度，通过数值模拟对不同进路宽度下围岩应力分布、围岩位移与塑性区分布特征进行分析，研究了进路宽度对围岩稳定性的影响，优选出最佳回采进路宽度，并通过现场实践进行观测，得到如下结论。

(1) 垂向应力产生的应力集中区域主要分布在进路顶底板和两侧帮；顶底板所受垂向应力为拉应力，拉应力集中区呈“驼峰”状分布；侧帮为压应力，压应力集中区呈“扇形”弧状向两侧分布；随着进路宽度增加，顶板处拉应力集中区随之增大，而侧帮处压应力集中区变化不明显。

(2) 进路顶板围岩垂向应力以6 m为界，随距进路顶板的距离增加而逐渐增大，相同深度位置处围岩垂向应力随宽度增加而减小，8 m时最小，邻近进路侧帮呈现出先增加后下降的对称趋势，非邻近进路侧帮呈现先迅速增加后逐渐下降最终趋于稳定的变化特征，最大垂向应力值均位于距侧帮1 m处，围岩破坏可能性极大。

(3) 顶板整体下沉量表现为“中间大、两侧小”的凹状对称形态，侧帮位移量增幅随着进路宽度增大而增大，顶板下沉量及其增幅远大于侧帮的位移量与增幅。塑性区在形态上呈现左右对称分布，体积上随进路宽度增加而增大，增长幅度随进路宽度增加而增加，进路宽度的增加对顶底板塑性区扩展影响较大，对侧帮处塑性区扩展影响并不明显，6 m后体积增幅极为显著。

(4) 中关铁矿采用分段空场嗣后充填采矿法回采的进路宽度建议6 m为宜，若需增加宽度，应配套相应的顶板加固措施。应用于现场生产实践后，8N3采场围岩稳定性良好，回采率达到93%,贫化率13%,生产能力1 400 t/d, 效果良好。

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文章来源:王社光,路燕泽,于兴社,等.中关铁矿采场回采进路宽度优化与应用[J].矿业研究与开发,2024,44(11):17-23.