上向進(jìn)路充填采礦法最佳充填接頂率研究

劉發(fā)平 陳憲龍

(馬鋼(集團(tuán))公司姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司)

上向進(jìn)路充填采礦法最佳充填接頂率研究

劉發(fā)平 陳憲龍

(馬鋼(集團(tuán))公司姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司)

為解決白象山鐵礦在上向進(jìn)路充填采礦過程中充填接頂效果不理想的問題，對(duì)該礦山的充填接頂率進(jìn)行了研究。運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件模擬分析二步進(jìn)路采場(chǎng)開采時(shí)，一步進(jìn)路采場(chǎng)不同充填接頂率膠結(jié)礦柱受力狀況，并對(duì)膠結(jié)礦柱安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)不同充填接頂率進(jìn)行分析，從而確定最佳充填接頂率。當(dāng)二步進(jìn)路采場(chǎng)開采時(shí)，一步進(jìn)路采場(chǎng)80%充填接頂率膠結(jié)礦柱抗拉安全系數(shù)為2.03，抗壓安全系數(shù)為1.28，綜合安全系數(shù)為1.6，為該礦上向進(jìn)路充填法的最佳充填接頂率。該研究為其他礦山科學(xué)提高充填接頂率提供了一種全新的指導(dǎo)方向。

充填 最優(yōu)充填接頂率 有限元分析 綜合安全系數(shù)

白象山鐵礦由于地質(zhì)條件復(fù)雜，因而采用了靈活性大和安全性好的上向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)行采礦。實(shí)踐中，上向進(jìn)路充填法的充填接頂效果不理想，接頂率太低，使頂板實(shí)際暴露面積增大，在進(jìn)行二步回采時(shí)，膠結(jié)礦柱易受采動(dòng)影響導(dǎo)致偏幫、倒塌。因此，進(jìn)路充填接頂率合理與否成為決定該方法能否使用的制約因素。

研究結(jié)合白象山鐵礦礦體產(chǎn)狀、進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)、礦巖及充填體物理力學(xué)參數(shù)等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了不同充填接頂率的進(jìn)路三維模型，研究不同充填接頂率礦柱受力狀況和穩(wěn)定性，確定最優(yōu)充填接頂率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全、并為礦山如何科學(xué)提高充填接頂率提供理論依據(jù)。

1 不同充填接頂率進(jìn)路三維模型構(gòu)建

在建立采礦模型的過程中，回采進(jìn)路的未接頂高度為0.5 m，同時(shí)簡(jiǎn)化處理未充填區(qū)的曲面,將充填進(jìn)路接頂率按線性計(jì)算[1]?；诔涮罱禹斅食^50%即可確保頂板的穩(wěn)定性，以采場(chǎng)頂板安全為前提，建立5個(gè)膠結(jié)礦柱三維模型，其采場(chǎng)充填體接頂率分別為50%、60%、70%、80%和90%，膠結(jié)礦柱模型見圖1。

圖1 充填接頂率膠結(jié)充填礦柱三維模型

2 確定最優(yōu)充填接頂率

2.1 研究背景

白象山鐵礦儲(chǔ)量豐富，但礦體頂板為極復(fù)雜富水帶，是“三下”難采礦體。礦體埋深305 m，水平厚度40.5 m，傾角36.5°。根據(jù)礦體勘探情況和防治水工程現(xiàn)狀，擬采用上向進(jìn)路充填采礦法回采礦體。以礦體產(chǎn)狀和開拓現(xiàn)狀為依據(jù)，沿走向布置進(jìn)路，進(jìn)路長(zhǎng)度50～60 m，斷面4 m×6 m。本次模擬的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

2.2 構(gòu)建礦體三維模型

大型有限元分析軟件—MIDAS/GTS功能十分全面，廣泛應(yīng)用于礦山礦體模擬和受力分析[2-5]。本次模擬所采用本構(gòu)模型摩爾-庫倫準(zhǔn)則，并將礦體、圍巖以及充填體假定為彈塑性材料[6-8]。

本研究根據(jù)各進(jìn)路充填接頂率的不同，創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的礦體模型，根據(jù)模擬原則，相同實(shí)體網(wǎng)格的劃分需一致，見圖2。

圖2 三維模型圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次模擬結(jié)合具體礦山巖石力學(xué)參數(shù)，研究二步開采時(shí)，采動(dòng)對(duì)已充填一步采場(chǎng)不同充填接頂率充填礦柱穩(wěn)定性的影響，從而確定最優(yōu)充填接頂率。研究共創(chuàng)建了5個(gè)不同充填接頂率膠結(jié)礦柱的礦體三維模型，5個(gè)模型的數(shù)值分析結(jié)果見表2。

表2 不同充填接頂率膠結(jié)充填礦柱的應(yīng)力結(jié)果

從表2可以看出，二步采時(shí)，一步采膠結(jié)礦柱的兩端會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，而接頂?shù)膮^(qū)域出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。拉應(yīng)力是造成充填體破壞的重要因素[9]，因此劃分應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，拉應(yīng)力產(chǎn)生的區(qū)域都將視為拉應(yīng)力集中區(qū)域，壓應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力峰值產(chǎn)生區(qū)域。從應(yīng)力云圖1可以看出拉應(yīng)力集中區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)充填體的接頂率達(dá)50%，拉應(yīng)力集中區(qū)域占礦柱體積的7.2%，拉應(yīng)力峰值為0.169 MPa，在礦柱的承受范圍內(nèi)，而壓應(yīng)力峰值為2.48 MPa，遠(yuǎn)大于最大抗壓強(qiáng)度，這表明由于充填體接頂率較小，膠結(jié)礦柱產(chǎn)生了局部脫落現(xiàn)象，大大影響了生產(chǎn)作業(yè)。隨著充填接頂率的增大，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力峰值都逐漸減小，然而拉壓應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這表明礦柱與礦體頂板之間的作用在增強(qiáng)。當(dāng)充填體接頂率達(dá)到80%時(shí)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力集中區(qū)域分別為礦柱的16.6%和0.7%，拉應(yīng)力集中區(qū)域繼續(xù)增大，壓應(yīng)力集中區(qū)域則達(dá)到了5個(gè)模型的最大值，同時(shí)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力峰值分別為0.123和1.92 MPa，都在膠結(jié)充填礦柱的理論承受范圍內(nèi)。當(dāng)充填接頂率大于80%，拉應(yīng)力集中區(qū)域持續(xù)增大，但壓應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這表明膠結(jié)礦柱對(duì)礦體頂板支撐作用變大，壓應(yīng)力變小，頂板更安全穩(wěn)定。

2.4 礦柱綜合安全系數(shù)計(jì)算

由于膠結(jié)礦柱的抗拉強(qiáng)度小，而且充填料在進(jìn)入地下采場(chǎng)時(shí)，由于膠凝材料水化不完全和膠凝材料流失等原因，致使充填體的實(shí)際力學(xué)強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的值小。因此，雖然絕大多數(shù)模型一步已開采進(jìn)路膠結(jié)礦柱的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都在理論承受強(qiáng)度范圍內(nèi)，但由于應(yīng)力集中區(qū)域的廣泛性和真實(shí)力學(xué)強(qiáng)度的縮小，需對(duì)礦柱的安全可靠性進(jìn)行考量。

在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合安全系數(shù)Fs的意義，提出了礦柱綜合安全系數(shù)Fz[10-12]，即綜合考慮礦柱的抗拉、抗壓安全系數(shù)與拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域大小的安全系數(shù)，其計(jì)算方法見式(1)、式(2)，計(jì)算結(jié)果見表3。

(1)

(2)

式中，[στ]為礦柱抗拉強(qiáng)度，MPa；[σs]為礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；Fτ為抗拉安全系數(shù)；Fs為抗壓安全系數(shù)；Vτ為各模型拉應(yīng)力集中區(qū)域體積百分比；Vs為各模型壓應(yīng)力集中區(qū)域體積百分比。

表3 不同充填接頂率膠結(jié)礦柱模型綜合安全系數(shù)Fs評(píng)價(jià)

2.5 確定最優(yōu)充填接頂率

綜合比較各不同充填接頂率膠結(jié)礦柱綜合安全系數(shù)評(píng)價(jià)情況，認(rèn)為針對(duì)該礦開采條件及巖石力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)充填接頂率達(dá)到80%時(shí)，其一步采膠結(jié)礦柱抗拉安全系數(shù)為2.03，抗壓安全系數(shù)為1.28，綜合安全系數(shù)為1.60，相比其他低接頂率的膠結(jié)礦柱安全性較高，相較于完全接頂充填成本降低，且充填技術(shù)難度降低，故選定80%為白象山鐵礦最優(yōu)充填接頂率。

3 結(jié) 論

(1)提出了構(gòu)建不同充填體接頂率進(jìn)路三維模型方法，建立了5個(gè)不同充填體接頂率膠結(jié)礦柱三維模型。

(2)根據(jù)采礦現(xiàn)場(chǎng)的具體回采條件，采用MIDAS/GTS模擬軟件，并重點(diǎn)研究分析了5個(gè)不同充填體接頂率的三維礦體模型的受力情況，并與傳統(tǒng)抗拉抗壓安全系數(shù)結(jié)合，提出用綜合安全系數(shù)來評(píng)價(jià)不同充填體接頂率的膠結(jié)礦柱的安全性。膠結(jié)礦柱的接頂率是影響礦體穩(wěn)定性的重要因素。

(3)當(dāng)充填接頂率達(dá)到80%時(shí)，其一步采膠結(jié)礦柱抗拉安全系數(shù)為2.03，抗壓安全系數(shù)為1.28，綜合安全系數(shù)為1.60，相比其他低接頂率的膠結(jié)礦柱安全性較高，相較于完全接頂充填成本降低，且充填技術(shù)難度降低，為該礦尾砂膠結(jié)上向進(jìn)路充填法的最優(yōu)充填接頂率，為其他礦山提高充填接頂率提供了一種全新的指導(dǎo)方向。

[1] 李洪兵，谷新建，宋嘉棟，等.鄭家坡鐵礦隔水礦柱厚度的確定[J].礦業(yè)工程研究，2013(3)：34-38.

[2] 張欽禮，羅怡波，柯俞賢.露天轉(zhuǎn)地下開采地表沉降安全性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2013(8):3441-3445.

[3] 周先貴，曹金國.巖土力學(xué)數(shù)值方法研究進(jìn)展[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2002(8)：15-18.

[4] 侯恩科，吳立新，李建明，等.三維地學(xué)模擬與數(shù)值模擬的耦合方法研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2002(4):388-392.

[5] 李明超，鐘登華，秦朝霞，等.基于三維地質(zhì)模型的工程巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)數(shù)值建模[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(9):1893-1898.

[6] 廖 異,曾祥國.Hoek-Brown巖體非線性強(qiáng)度的線性化方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2012(12):205-210.

[7] 蔣青青.基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則點(diǎn)安全系數(shù)的邊坡穩(wěn)定性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(3):786-790.

[8] Priest S D. Determination of shear strength and three-dimensional yield strength for the Hoek-Brown criterion[J].Rock Mech Rock Engng,2005(4):299-327.

[9] 韓 斌.金川二礦區(qū)充填體可靠度分析與1#礦體回采地壓控制優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2004.

[10] 曹 平，鄧志斌，陳 楓.邊坡穩(wěn)定性任意條分發(fā)中安全系數(shù)的計(jì)算[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2):302-306.

[11] 鄭穎人，趙尚毅.邊(滑)坡工程設(shè)計(jì)中安全系數(shù)的討論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(9):1937-1940.

[12] 林 杭，曹 平，李江騰.基于廣義Hoek-Brown 準(zhǔn)則的邊坡安全系數(shù)間接解法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008(10):1147-1151.

補(bǔ) 充 說 明

現(xiàn)代礦業(yè)2015年第7期刊登的文章《浙江省螢石礦選礦現(xiàn)狀及發(fā)展探討》是龍禮珠、王云土2位作者共同的科研成果。該論文補(bǔ)充增加第2作者“王云土”，第2作者單位為“浙江省工業(yè)設(shè)計(jì)研究院”，特此補(bǔ)充說明。

《現(xiàn)代礦業(yè)》雜志社

2015年8月12日

Research on the Optimal Roof-contacted Filling Ratio of Upward Drift Stoping with Backfill

Liu Faping Cheng Xianlong

(Masteel (Group) Gushan Mining Co., Ltd.)

In the process of upward drift stoping with backfill in Baixiangshan iron mine, the roof-contacted effect is not perfect,the roof-contacted filling ratio of the mine is researched.The MIDAS/GTS finite element software is applied to analyze the stress condition of the first-step approach stope cemented pillars that have different roof-contacted filling ratio when the second-step approach stope are conducted.Besides that, the security and stability of the cemented pillars are evaluated, and the different roof-contacted filling ratios are analyzed in depth so as to determine the optimal roof-contacted filling ratio.when the second-step approach stope are conducted,the tensile safety coefficient of the first-step approach stope cemented pillars with 80%roof-contacted filling ratio is 2.03, the compressive strength factor of safety is 1.28, the synthesized safety coefficient is 1.60. The above research results can provide a brand-new direction for the other mines to improve the roof-contacted filling ratio scientifically.

Filling, Optimal roof-contacted filling ratio, Finite element analysis, Synthesized safety coefficient

2015-05-18)

劉發(fā)平(1979—)，男，副礦長(zhǎng)，工程師，243181 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣太白鎮(zhèn)。