厚大礦體充填法開(kāi)采的全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

盛 佳,汪 洋,孟艷平,周益龍,李向東

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.山東黃金集團(tuán)盛大礦業(yè)有限公司,山東萊州市 261439;3.崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司, 河北崇禮縣 076350)

厚大礦體充填法開(kāi)采的全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

盛 佳1,汪 洋2,孟艷平3,周益龍1,李向東1

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.山東黃金集團(tuán)盛大礦業(yè)有限公司,山東萊州市 261439;3.崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司, 河北崇禮縣 076350)

針對(duì)崇禮紫金礦業(yè)東坪礦區(qū)70號(hào)脈厚大礦段采用的兩步驟分段空?qǐng)龌夭伤煤蟪涮畈傻V法,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)類比和理論分析,設(shè)計(jì)了一步驟全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的充填強(qiáng)度是否合理,進(jìn)行了采場(chǎng)充填體強(qiáng)度檢驗(yàn)。

膠結(jié)充填;強(qiáng)度設(shè)計(jì);鉆孔取樣;強(qiáng)度檢驗(yàn)

崇禮紫金礦業(yè)東坪金礦礦體賦存在蝕變的二長(zhǎng)巖、石英巖中,含金石英脈側(cè)為硅鉀化蝕變巖型礦石。礦體為緩傾斜至傾斜厚大礦體,主要礦脈有1, 2,22,27,70號(hào)礦脈。對(duì)70號(hào)礦脈1224～1304水平11～27線之間的厚大礦段,采用兩步驟分段空?qǐng)龌夭伤煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采,沿礦體走向100 m劃分為一個(gè)盤(pán)區(qū),一步驟采場(chǎng)10 m,全尾砂膠結(jié)充填;二步驟采場(chǎng)20 m,分段中深孔回采嗣后非膠結(jié)充填。二步驟回采時(shí),兩側(cè)均為膠結(jié)充填體,每側(cè)充填體側(cè)向暴露面積達(dá)3000～4000 m2。

1 膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

膠結(jié)充填體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)因礦山而異,一方面取決于礦山開(kāi)采技術(shù)條件、充填技術(shù)水平以及充填材料的強(qiáng)度特性等技術(shù)因素,另一方面取決于礦山開(kāi)采成本與效益等經(jīng)濟(jì)因素。崇禮紫金礦業(yè)東坪礦區(qū)礦床開(kāi)采過(guò)程中,其一步驟采場(chǎng)回采后充填形成的膠結(jié)充填體強(qiáng)度大小及穩(wěn)定性對(duì)二步驟回采及頂?shù)字幕厥罩陵P(guān)重要,設(shè)計(jì)合理的充填體強(qiáng)度需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮。確定膠結(jié)充填體所需強(qiáng)度的方法很多,本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)類比和理論分析進(jìn)行其強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

1.1 類比法

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外類似開(kāi)采技術(shù)條件的部分礦山采場(chǎng)充填體強(qiáng)度調(diào)研,類比分析崇禮紫金東坪礦區(qū)厚大礦體一步驟采場(chǎng)回采充填后形成的膠結(jié)充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)2 MPa以上,即充填灰砂比為1∶6～1∶8,能夠滿足礦山采礦方法的要求。

1.2 理論分析計(jì)算

根據(jù)充填體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,主要分析測(cè)試配比為1∶8的充填體穩(wěn)定性。東坪金礦厚大礦體平均真厚度為40 m,水平厚度平均為54 m,二步驟回采采場(chǎng)揭露的充填體暴露的最大鉛垂高度為54 m,灰砂比為1∶8的充填體強(qiáng)度參數(shù)c為0.15 MPa,φ為40°,v為0.25,充填體容重γ為2.2 t/m3,充填體與圍巖間的內(nèi)聚力與摩擦角計(jì)算時(shí)與充填體的值相同,充填體沿走向長(zhǎng)度即礦房寬度b為10 m。

本文采用經(jīng)驗(yàn)公式、Terzaghi模型法和盧平計(jì)算等方法分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下充填體的受力狀況。

1.2.1 蔡嗣經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式方法

蔡嗣經(jīng)教授對(duì)國(guó)內(nèi)外礦山實(shí)際的充填資料進(jìn)行分析,回歸出經(jīng)驗(yàn)公式,得出膠結(jié)充填體的強(qiáng)度與充填體的高度的關(guān)系曲線是半立方拋物線,見(jiàn)圖1。

圖1 膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)曲線

式中:y——膠結(jié)充填體礦柱之高度,m;

a——系數(shù),取600;

x——膠結(jié)充填體之強(qiáng)度,MPa。

東坪礦區(qū)緩傾厚大礦體,礦體水平厚度60～100 m左右,鉛垂高度60 m以上,采用膠結(jié)充填法二步驟回采時(shí)暴露的充填體鉛垂高度在60 m以上,考慮安全系數(shù),設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度要達(dá)2 MPa。

1.2.2 Terzaghi模型方法

根據(jù)假定,在距充填體頂部為H處,垂直應(yīng)力分量σV與水平應(yīng)力分量σH均為常量,其模型為:

式中:σV——充填體所受的垂直應(yīng)力分量,MPa;

γ——充填體容重,g/cm3;

C——充填材料的內(nèi)聚力,MPa;

L,B——充填體長(zhǎng)度和寬度,m;

H——距充填體頂部的距離,m;

φ——充填材料的內(nèi)摩擦角,°;

k——充填體側(cè)壓系數(shù)。

充填體不同暴露寬度和高度條件下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。不同暴露寬度下充填體內(nèi)應(yīng)力變化曲線如圖2所示。

表1 充填體不同暴露寬度和高度條件下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)采礦方法回采工藝和回采參數(shù),表2中第4列第5行至第8列第11行的部分?jǐn)?shù)值為礦山回采時(shí)需要的充填體強(qiáng)度值(0.425～0.658 MPa),為了保證二步驟采場(chǎng)回采時(shí)充填體的穩(wěn)定,考慮安全系數(shù),Terzaghi模型方法充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.85～1.136 MPa。

圖2 不同暴露寬度情況下充填體內(nèi)應(yīng)力隨高度變化曲線

1.2.3 盧平計(jì)算方法

由于Thomas算式模型中只考慮了充填體的幾何尺寸和充填體的容重,而對(duì)于充填材料的強(qiáng)度特性沒(méi)有加以考慮。盧平在Thomas算式的基礎(chǔ)上,提出了修正模型。

式中:k——側(cè)壓力系數(shù);

C1——充填體與圍巖間的內(nèi)聚力,MPa;

φ1——充填體與圍巖間的摩擦角,°;

C——充填體的內(nèi)聚力,MPa;

φ——充填體的內(nèi)摩擦角,°。

根據(jù)上式計(jì)算得充填體不同暴露寬度和高度條件下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。不同暴露高度下充填體內(nèi)應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

表2 充填體不同暴露寬度和高度條件下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)回采工藝及參數(shù),并參照表2,礦山回采時(shí)需要的充填體強(qiáng)度值范圍為0.388～0.564 MPa,考慮安全系數(shù),盧平計(jì)算方法得出的充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.776～1.128 MPa。

圖3 不同暴露寬度條件下充填體內(nèi)應(yīng)力隨高度變化曲線

綜合上述計(jì)算,充填體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.776～1.136 MPa,從安全角度考慮,按類比法取其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2.0 MPa是合理的。

2 現(xiàn)場(chǎng)充填工藝試驗(yàn)

2.1 主要充填工藝試驗(yàn)

崇禮紫金礦業(yè)東坪礦區(qū)全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)于2010年6月建成并調(diào)試進(jìn)行生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)充填工藝試驗(yàn)采場(chǎng)安排在1224中段15線附近,分段空?qǐng)龌夭梢徊襟E采場(chǎng)出礦完畢后,進(jìn)行一步驟15N17、15S13兩個(gè)采場(chǎng)全尾砂膠結(jié)充填,首先用擋墻封密一步驟采場(chǎng)受礦塹溝和各裝礦進(jìn)路出口及分段出礦巷的出口,并安裝采場(chǎng)脫水管到上一中段。為了兼顧充填成本和回采二步驟采場(chǎng)時(shí)充填體的穩(wěn)固性,兩采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)采用1∶4的灰砂比進(jìn)行膠結(jié)充填,從底部結(jié)構(gòu)往上至1264水平采用1∶6的灰砂比膠結(jié)充填,采場(chǎng)中上部采用1∶8的灰砂比進(jìn)行充填,充填到1264水平以上10 m高,其上部空間至1304水平采用1∶10的灰砂比進(jìn)行充填。15N17、15S13兩采空區(qū)于2010年底全部充填。

2.2 充填體鉆孔取樣強(qiáng)度檢測(cè)

為了驗(yàn)證不同的灰砂比條件下充填體強(qiáng)度,全尾砂膠結(jié)充填后1個(gè)月進(jìn)行采場(chǎng)充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和滿足采礦方法的要求。在1224中段15N17采場(chǎng)的底部結(jié)構(gòu)及第一、二、三分段出礦進(jìn)路中進(jìn)行1∶4及1∶6灰砂比的充填體取樣。在1264中段穿脈巷道中進(jìn)行1∶8灰砂比的充填體取樣。充填體取樣采用的鉆頭直徑為90 mm,鉆桿長(zhǎng)度為900 mm,取得的樣芯經(jīng)過(guò)加工進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)取樣樣芯單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

3 結(jié) 論

(1)東坪金礦兩步驟分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采場(chǎng),一、二步驟采場(chǎng)底部采用1∶4的灰砂比,充填高度為12 m(從中段巷道底板標(biāo)高算起);一步驟采場(chǎng)中下部采用1∶6的灰砂比,充填高度為28 m;采場(chǎng)中上部采用1∶8的灰砂比,充填高度為10 m。設(shè)計(jì)充填體28 d強(qiáng)度達(dá)2 MPa,充填體強(qiáng)度能夠滿足采礦方法的要求。

表3 充填體取樣樣芯強(qiáng)度參數(shù)

(2)Terzaghi模型方法計(jì)算充填體高度為35～70 m、暴露寬度為40～60 m時(shí),充填體底部應(yīng)力為0.428～0.658 MPa;盧平修正Thomas公式計(jì)算充填體高度為35～70 m、暴露寬度為40～60 m時(shí),充填體底部應(yīng)力為0.338～0.564 MPa。理論方法計(jì)算表明,回采時(shí)充填體受力沒(méi)有超過(guò)充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度,充填體在回采過(guò)程中基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)充填體鉆孔取樣強(qiáng)度檢測(cè)可知,一步驟膠結(jié)充填體能達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,能滿足采礦生產(chǎn)工藝要求。

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2012-06-07)

盛 佳(1982-),男,湖南長(zhǎng)沙人,碩士,工程師,主要從事采礦技術(shù)研究工作。