嗣后充填法礦柱穩(wěn)定性分析*

王施璐，袁錦鋒，王志鴻

(馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽合肥 231500)

1 引言

羅河鐵礦原先預(yù)計采用崩落發(fā)開采，后來受到征地動遷帶來的征地困難，如尾礦庫征地動遷工作難度大、崩落塌陷區(qū)征地費用高、動遷工作進度緩慢等，嚴重制約著礦山的建設(shè)和開采進度，如果選用階段空場嗣后充填采礦法(簡稱嗣后充填法)開采礦體，既能保證礦山的開采效率，又能解決征地動遷帶來的困難，極大減少相關(guān)征地費用和對礦區(qū)周邊環(huán)境的破壞。但是嗣后充填法階段高度高，一次爆破回采量大，礦房跨度大，充填體質(zhì)量要求高［1］，因此，選擇合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要，其中，采場礦柱的穩(wěn)定性必須引起足夠重視。

本文以羅河鐵礦東區(qū)鐵礦體為工程地質(zhì)背景，采用力學(xué)理論、正交敏感性極差分析及數(shù)學(xué)線性回歸分析相結(jié)合的方法，對影響嗣后充填采場礦柱的穩(wěn)定性因素進行分析，得出礦柱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型預(yù)測公式。

2 礦區(qū)開采技術(shù)條件

羅河鐵礦東區(qū)鐵礦體呈似層狀、平緩?fù)哥R狀，中心以貧鐵礦為主，富、厚礦多環(huán)于四周。硬石膏呈覆蓋狀位于穹隆頂部。礦體埋藏在-382m～-846m標(biāo)高內(nèi)，東淺西深，傾伏角3～12°，距離地表最淺425m，最深856m。礦體總厚度一般為2.03～246.58m，礦體平均厚度76.87m(富礦23.33m)，礦石容重為36.2kN/m3，抗拉強度為6.43MPa，開采深度-620m。

3 礦柱穩(wěn)定性分析

3.1 礦柱寬度的計算

根據(jù)礦柱強度及荷載理論，礦柱寬度主要是由礦柱強度和所承擔(dān)荷載共同決定的，礦柱寬度的選取是否合理直接關(guān)系到采場的穩(wěn)定安全，根據(jù)采場回采的安全保障及生產(chǎn)能力，可以確定礦柱的寬度［2-3］，其計算公式為:

式中，H為礦體開采深度;γ為礦巖容重;β為側(cè)壓力系數(shù)，一般取0.65;σt為礦柱巖體抗拉強度。

根據(jù)羅河鐵礦東區(qū)鐵礦體工程地質(zhì)，可知H=620m，γ =36.2kN/m3，σt=6.43MPa代入式(3-1)中，可得礦柱寬度為16.8m，取17m。

3.2 礦柱穩(wěn)定性正交試驗分析

(1)礦柱穩(wěn)定性影響因素分析

階段嗣后充填法影響礦柱穩(wěn)定的主要因素有礦柱承受載荷大小、礦柱尺寸、礦柱強度等，其影響因素可大致歸納為上覆巖層高度、礦柱尺寸、采場寬度及礦柱高度，對礦柱穩(wěn)定性分析，主要進行礦柱的應(yīng)力及強度研究。根據(jù)羅河鐵礦東區(qū)鐵礦體實際和礦柱截面積承載理論，確定判別階段空場嗣后充填法采場礦柱的安全系數(shù)計算公式［4］，以此反推計算出礦柱寬度。

式中，F(xiàn)s為礦柱安全系數(shù);Pv、Pl分別為礦柱強度、巖石抗壓強度;b、h分別礦柱寬度、礦柱高度;α為常數(shù)，當(dāng)?shù)V柱的寬高比大于5時，α=1.4，當(dāng)?shù)V柱的寬高比小于5時，α=1.0;σv為礦柱平均應(yīng)力;γ為礦巖容重;H、l、b分別為埋藏深度、礦房和礦柱的寬度。

(2)礦柱穩(wěn)定性正交試驗因素及水平選擇

以礦柱安全系數(shù)作為評價礦柱是否安全穩(wěn)定的指標(biāo)，選取上覆巖層高度、礦柱高度、礦柱寬度、頂柱跨度及礦體厚度作為此次正交試驗分析的影響因素。決定每因素取4個水平，選取L16(45)正交試驗表安排數(shù)值敏感性基礎(chǔ)分析［5］，分別對選擇的影響礦柱各因素的不同參數(shù)進行計算，見表1。

表1 礦柱穩(wěn)定性正交敏感性影響因素及水平取值

(3)礦柱安全系數(shù)正交試驗分析

以礦柱安全系數(shù)作為計算指標(biāo)，取上覆巖層容重γ=36.2kN/m3，α=1.0，按照表1進行5因素4水平正交計算，計算結(jié)果見表2所示。

表2 礦柱安全系數(shù)正交敏感性計算結(jié)果

(4)影響因素極差分析

根據(jù)正交試驗原理，對影響因素進行級差分析，判斷各因素的敏感程度，通過對表2進行數(shù)據(jù)組合分析計算出表3，以反映各影響因素水平對礦柱安全系數(shù)的作用。

通過表3中級差分析可知，影響采場礦柱穩(wěn)定性的因素主次為:礦柱寬度＞礦房寬度＞上覆巖層高度＞礦柱抗壓強度＞礦柱高度，即礦柱寬度對礦柱安全系數(shù)影響作用最大。

表3 礦柱安全系數(shù)極差分析

4 礦柱安全寬度數(shù)學(xué)模型預(yù)測

4.1 單因素變化與礦柱安全系數(shù)之間的回歸分析

通過影響因素極差分析結(jié)果可描繪出各影響水平因素與礦柱安全系之間的關(guān)系曲線(見圖1)，可以看出礦柱礦房寬度對礦柱安全系數(shù)的影響最大，說明礦柱礦房寬度的確定對嗣后充填采場的安全回采起著重要作用，這也印證了正交敏感性極差分析的結(jié)果。

圖1 水平因素與礦柱安全系數(shù)關(guān)系曲線

4.2 多組因素與礦柱安全系數(shù)之間的多元線性回歸

應(yīng)用MATLAB進行多元線性回歸分析時，多組因素與礦柱安全系數(shù)之間的多元線性回歸計算模型可以表示為下列方式:

在MALTALB命令窗口中輸入相關(guān)命令，得到回歸模型的系數(shù)、系數(shù)置信區(qū)間與統(tǒng)計量見表4。根據(jù)礦柱安全系數(shù)與各因素之間的變化關(guān)系，選用MATALB多元線性回歸分析，可以得出多組因素與礦柱安全系數(shù)之間多元回歸數(shù)學(xué)模型如下:

表4 礦柱安全系數(shù)與各因素組合下多元線性回歸分析結(jié)果

根據(jù)羅河鐵礦工程地質(zhì)，將各個參數(shù)帶入多元線性回歸預(yù)測公式(4-2)，當(dāng)?shù)V柱寬度b=17m，礦柱高度h=60m，開采寬度l=17m時，可以得出此時的礦柱安全系數(shù)為1.22，安全系數(shù)大于1，符合礦柱穩(wěn)定性判別準則，因此，選擇礦柱礦房寬度為17m，能夠保證嗣后充填回采采場礦柱的安全。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)礦柱強度及荷載理論，結(jié)合羅河鐵礦工程地質(zhì)實際，得出羅河鐵礦采用嗣后充填回采時的理論值約為17m;以Bieniawski礦柱強度理論和礦柱截面積承載理論，得出衡量礦柱承受載荷的安全理論公式，以此礦柱安全系數(shù)為指標(biāo)判斷礦柱是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)運用正交敏感性極差分析法，選取5個不同影響礦柱穩(wěn)定性因素作為該方法的判斷因素，以礦柱安全系數(shù)為評價指標(biāo)，得出了不同因素不同水平下的礦柱安全系數(shù)，通過分析比較不同影響因素大小，得出礦柱寬度對礦柱穩(wěn)定性的影響最大，隨后分別為礦房寬度、上覆巖層厚度、礦柱抗壓強度及礦柱高度。

(3)以數(shù)學(xué)回歸分析為基礎(chǔ)，分別對單因素和多組因素對礦柱穩(wěn)定性進行了回歸分析，以此驗證了正交試驗原理分析的可靠性，并采用MTLAB軟件，分析得出了各因素組合下的礦柱穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)預(yù)測公式，最后根據(jù)羅河鐵礦現(xiàn)場實際，得出了羅河鐵礦嗣后充填回采的礦柱寬度約為17m左右。

［1］余海華，宋衛(wèi)東，唐亞男，等.階段嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及充填配比優(yōu)化［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2012(6):10-14.

［2］郭建軍，竇源東，楊玉泉.礦柱破壞寬度的計算分析［J］.采礦技術(shù)，2009(2):24-26.

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