深部銅礦高階段充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性計(jì)算

鄒南榮，尚振華，秦忠虎

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦， 福建 上杭縣 364200；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

深部銅礦高階段充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性計(jì)算

鄒南榮1，尚振華2，秦忠虎1

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦， 福建 上杭縣 364200；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

為實(shí)現(xiàn)高階段大體積充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的雙重目標(biāo)，即在保障安全生產(chǎn)的前提下，降低充填成本、提高礦山生產(chǎn)效益，結(jié)合深部銅礦的實(shí)際生產(chǎn)條件及工程地質(zhì)情況，采用工程經(jīng)驗(yàn)法和多種理論分析方法設(shè)計(jì)了高階段充填體的強(qiáng)度，并結(jié)合礦山具體的地應(yīng)力環(huán)境和充填體力學(xué)參數(shù)，采用FLAC軟件模擬和分析了24種分層高度下高階段充填體的穩(wěn)定性，模擬結(jié)果從力學(xué)角度上很好的驗(yàn)證了設(shè)計(jì)充填強(qiáng)度的結(jié)果，并明確了礦房采場(chǎng)的充填分層高度，為保障礦山的安全生產(chǎn)和降低充填成本提供了理論依據(jù)。

深部開采；高階段充填；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0 引 言

我國礦山多為地下開采，隨著礦體資源開采深度的增加，地壓顯現(xiàn)問題日益突出。充填法作為地下礦山主要的采礦方法之一，可以有效控制地壓，尤其是可以明顯改善甚至控制高階段采場(chǎng)的地壓?jiǎn)栴}[1]。設(shè)計(jì)合理的充填體強(qiáng)度和充填分層高度是保證礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是降低充填成本的必要手段。通常，礦柱充填體的作用在于充填采空區(qū)以及作為工作平臺(tái)或工作頂板，其強(qiáng)度一般要求較低[2￣3]。礦房充填體將作為礦柱回采時(shí)的圍巖，其強(qiáng)度關(guān)系到礦柱回采的安全和經(jīng)濟(jì)效益。從回采安全方案考慮，希望提高充填體的強(qiáng)度，而高強(qiáng)度的充填體必然增加成本，于經(jīng)濟(jì)效益不利。因此，存在一個(gè)充填體合理強(qiáng)度的問題，即需在安全和經(jīng)濟(jì)兩方面找到平衡點(diǎn)，在安全的前提下盡可能的提高經(jīng)濟(jì)效益[4]。

紫金山金銅礦深部銅礦的埋藏深度較大，約為700 m，礦體賦存于強(qiáng)度較低的中細(xì)粒花崗巖和英安玢巖中，礦圍巖節(jié)理裂隙和地下水較為發(fā)育，且存在較大的水平構(gòu)造應(yīng)力，約為豎向應(yīng)力的1.5～1.6倍，加上其方向垂直于采場(chǎng)軸向，造成了開采過程中較為明顯的地壓?jiǎn)栴}。另外，采場(chǎng)厚度較大，約為50～75 m，且礦山采用大直徑深孔法采礦，其階段高度為100 m，因此，礦房采場(chǎng)充填體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)礦柱采場(chǎng)的安全回采至關(guān)重要。

為了兼顧安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)目標(biāo)，礦房采場(chǎng)必須采用兩種或以上強(qiáng)度的充填體分層充填。由于充填體自身受力情況與自身的材料配比、脫水情況、圍壓、采礦作業(yè)環(huán)境等多個(gè)因素有關(guān)。若綜合考慮上述各個(gè)因素的作用并真實(shí)地模擬實(shí)際條件，將需要進(jìn)行大量的綜合測(cè)試及計(jì)算工作，因而在本文分析中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行合理假設(shè)和簡(jiǎn)化，采用工程類比和理論計(jì)算兩種方法設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度，并利用數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)最終的分層高度。

1 充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

一般設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度的方法包括工程類比法、理論計(jì)算法、數(shù)值分析法3種[5]。由于工程類比法和理論計(jì)算法使用簡(jiǎn)便，故廣泛使用于現(xiàn)場(chǎng)和科研。而數(shù)值分析方法計(jì)算過程較為復(fù)雜，不易掌握，常應(yīng)用于科研方面。此處，采用工程類比和理論計(jì)算方法設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度。

1.1 工程類比法確定充填體強(qiáng)度

由于不同礦山的工程地質(zhì)條件、礦圍巖力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力水平、采礦方法、充填方式等各異，設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度也難免與工程實(shí)際需要有所差異，所以設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終確定滿足實(shí)際需要的充填體強(qiáng)度。國內(nèi)外部分礦山高階段大體積充填體的配比設(shè)計(jì)及充填體強(qiáng)度見表1。

由于深部銅礦采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，礦房長(zhǎng)×寬×高為(50～75)m×15 m×100 m，采用“隔三采一”的回采順序，一步驟礦房采場(chǎng)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度直接影響到二步驟礦柱采場(chǎng)的安全回采。根據(jù)表1中國內(nèi)外部分高階段大體積充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)例，并結(jié)合深部銅礦的工程地質(zhì)條件，初步設(shè)計(jì)一步驟礦房采場(chǎng)膠結(jié)充填強(qiáng)度范圍應(yīng)介于1～4 MPa之間，才能滿足深部銅礦的充填體強(qiáng)度要求。

1.2 充填體強(qiáng)度的理論計(jì)算

充填體穩(wěn)定性理論主要假定充填體和圍巖的相互作用，進(jìn)而計(jì)算出充填體內(nèi)部壓應(yīng)力與其暴露參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而確定出充填體保持穩(wěn)定所需強(qiáng)度。本文主要采用蔡嗣經(jīng)公式法[6]、Terzaghi模型法[7]、Thomas計(jì)算法、Mitchell 計(jì)算法、盧平計(jì)算法[8]、南非計(jì)算法、彈性力學(xué)分析法、巖土力學(xué)覆巖承重計(jì)算法等分別計(jì)算深部銅礦礦房采場(chǎng)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。由于篇幅有限，此處僅以Mitchell計(jì)算法為例加以說明，其計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)深部銅礦的實(shí)際情況，膠結(jié)充填體取不同灰砂比充填體的均值1.8 t/m3，內(nèi)摩擦角取40°。由于采用100 m的階段高度，充填體的強(qiáng)度首先需要滿足其自立的要求，此時(shí)安全系數(shù)取值為1.0，此外，目前深部銅礦的礦房尺寸較大(長(zhǎng)(50～75)m×寬15 m×高100 m)，且兩個(gè)分段(分段高度50 m)全部回采完成后一次充填，為了確保礦柱采場(chǎng)的穩(wěn)定性，考慮到深部銅礦存在較大的水平構(gòu)造應(yīng)力，且礦、圍巖的巖體質(zhì)量中等～較差，設(shè)計(jì)采用1.2倍的安全系數(shù)評(píng)估50 m分段高度的充填體自穩(wěn)情況，以及采用1.5倍的安全系數(shù)評(píng)估100 m階段高度的充填體自穩(wěn)情況。充填體內(nèi)垂直應(yīng)力與充填高度之間的關(guān)系曲線見圖1。

圖1不同安全系數(shù)時(shí)不同計(jì)算方法的充填體底部壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖1可以看出：采用100 m的階段高度，充填體底部的垂直應(yīng)力較大，約為3.0～3.5 MPa(1.5倍安全系數(shù))，上部分段的垂直應(yīng)力約為1.0～2.0 MPa、下部分段約為2.0～3.0 MPa。由于階段底部需要布置11 m高的底部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)在階段底部充填10～15 m左右的高強(qiáng)度充填體，強(qiáng)度不小于3.0 MPa。

由于采用50 m的分段高度，且分段設(shè)有鑿巖硐室，設(shè)計(jì)在分段部位也充填5 m左右的高強(qiáng)度充填體以保證鑿巖硐室的穩(wěn)定性，強(qiáng)度為2.0～3.0 MPa。

此外，由于階段頂部的鑿巖硐室將作為上一階段的受礦硐室，考慮到大體積充填體的沉降問題，結(jié)合國內(nèi)外類型礦山經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)在階段的頂部鑿巖硐室附近也充填5 m左右強(qiáng)度為2.0～3.0 MPa的充填體。

2 充填體分層高度設(shè)計(jì)

因?yàn)槌涮铙w不僅受自重的影響，還要受外力的作用，因此，采用數(shù)值模擬法計(jì)算充填體的合理強(qiáng)度和分層高度。

2.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，礦房采場(chǎng)的充填體強(qiáng)度應(yīng)從下到上依此遞減，且頂部和中部鑿巖硐室適當(dāng)增加其強(qiáng)度。因此，數(shù)值模擬中底部、中部和底部的鑿巖硐室位置附近的充填體強(qiáng)度為3.0 MPa，下部和上部分段位置的充填強(qiáng)度分別為2.0 MPa和1.5 MPa。

而分層高度的設(shè)計(jì)可以根據(jù)彈塑性力學(xué)中的圣維南原理初步確定。礦、巖體開挖后，只會(huì)使開挖面近處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力擾動(dòng)，而一倍開挖孔徑以上擾動(dòng)就會(huì)急劇減小，三倍孔徑以上區(qū)域的應(yīng)力擾動(dòng)可以忽略不計(jì)。目前深部銅礦采用的出礦進(jìn)路為3.8 m×3.8 m，而回采礦柱時(shí)將在礦房采空區(qū)的充填體中施工類似尺寸的進(jìn)路，因此，礦房采空區(qū)底部充填體的分層厚度只需盡量確保礦柱采場(chǎng)的出礦進(jìn)路安全即可。結(jié)合圣維南原理，其開采擾動(dòng)在礦房采空區(qū)充填體3.8 m內(nèi)產(chǎn)生明顯擾動(dòng)，而超過3.8 m擾動(dòng)將會(huì)急劇減小，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素和便于數(shù)值模擬對(duì)比分析，因此確定底部充填高度范圍為5，10，15，20 m。采用同樣的方法設(shè)計(jì)中部和頂部鑿巖硐室的高強(qiáng)度充填體分層高度分別為0，5，10 m和0，5 m。

最后，采用參數(shù)正交設(shè)計(jì)，根據(jù)上述確定的充填體分層高度，確定了如表2所示的模擬方案，共計(jì)24個(gè)。

表2 充填體強(qiáng)度和分層高度的數(shù)值模擬方案

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)充填配比試驗(yàn)得到的充填體抗壓強(qiáng)度，并參考相關(guān)礦山膠結(jié)充填體的力學(xué)參數(shù)，分別采用表3對(duì)1.5， 2.0， 3.0 MPa充填體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表3 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

為了保證充填體的自立，采用FLAC對(duì)各方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并提取充填體頂部、上部分段、中部鑿巖硐室、下部分段、底部的壓應(yīng)力，并將各部位的應(yīng)力與充填體強(qiáng)度比較。

本文僅以方案7和9進(jìn)行說明，二者的垂直方向應(yīng)力云圖見圖2。二者在數(shù)值上和云圖的形狀上差別并不大，前者頂部鑿巖硐室沒有充填高強(qiáng)度充填體，所以其承壓能力較弱，上覆巖層的壓應(yīng)力基本由圍巖分擔(dān)，充填體內(nèi)的壓應(yīng)力基本為0，而采用高強(qiáng)度充填體的方案9，頂部充填體可以承受部分上覆巖層的壓應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力小于2.5 MPa。

圖2垂直方向壓應(yīng)力云圖

將各方案充填體不同部位的壓應(yīng)力結(jié)果匯總，得到圖3～圖5，從圖中可以看出：

(1) 無論層高多少，底部充填體的壓應(yīng)力較大，但整體上不超過2.5 MPa，考慮到階段底部需要布置11 m的底部結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)底部高強(qiáng)度充填體高度為15 m；下部分段充填體內(nèi)部壓應(yīng)力隨著底部高強(qiáng)度充填體分層高度的增加而減小，底部分層為15 m時(shí)，下部分段充填體內(nèi)部壓應(yīng)力約為1.5 MPa左右，而設(shè)計(jì)的該部分充填體強(qiáng)度為2.0 MPa，可以滿足安全需求。

(2) 中部鑿巖硐室充填一定高度的高強(qiáng)度充填體可以顯著的改善該區(qū)域附近的充填體穩(wěn)定性，充填體強(qiáng)度與下部分段相同時(shí)，該部位的壓應(yīng)力約為1.75 MPa，其安全系數(shù)約為1.1左右，而充填高強(qiáng)度充填體后，該部位的壓應(yīng)力約為2.0 MPa，其安全系數(shù)約為1.5左右。所以，設(shè)計(jì)中部鑿巖硐室充填5～10 m的高強(qiáng)度充填體；在以上前提下，上部分段充填體內(nèi)的壓應(yīng)力約為1.2～1.3 MPa，小于設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度值1.5 MPa，可以滿足安全需求。

(3) 不同方案時(shí)，頂部鑿巖硐室內(nèi)部的壓應(yīng)力存在明顯差別。在以上充填分層的基礎(chǔ)上，頂部充填高強(qiáng)度充填體時(shí)，其壓應(yīng)力約為1.2 MPa，安全系數(shù)可以達(dá)到2以上，而充填與上部分段強(qiáng)度相同的充填體時(shí)，其內(nèi)部壓應(yīng)力略小，約為1.1 MPa，但安全系數(shù)只有1.4左右，所以，設(shè)計(jì)頂部也充填5 m左右的高強(qiáng)度充填體。

圖3 底部和下部分段的充填體壓應(yīng)力

圖4 中部鑿巖硐室和上部分段的充填體壓應(yīng)力

圖5 頂部鑿巖硐室的充填體壓應(yīng)力

3 結(jié) 論

(1) 依據(jù)國內(nèi)外礦山工程實(shí)例中高階段大體積充填體的強(qiáng)度，結(jié)合深部銅礦高階段、大尺寸采場(chǎng)回采現(xiàn)狀，并根據(jù)深部銅礦現(xiàn)場(chǎng)條件，得出一步驟礦柱的采空區(qū)頂部和底部均應(yīng)采用高強(qiáng)度的充填體，強(qiáng)度為3.0～4.0 MPa。

(2) 綜合運(yùn)用蔡嗣經(jīng)公式法等6種充填體強(qiáng)度理論計(jì)算方法分析了不同高度下充填體內(nèi)的壓應(yīng)力分布情況，認(rèn)為充填體底部的垂直應(yīng)力約為3.0 MPa，下部和上部分段的垂直應(yīng)力分別為2.0～3.0 MPa和1.0～2.0 MPa。

(3) 采用FLAC軟件模擬分析了24種不同分層厚度下礦房采場(chǎng)膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性，得出了高強(qiáng)度充填體的分層高度，分別為底部充填高度15 m左右，中部鑿巖硐室充填高度5～10 m，頂部鑿巖硐室充填高度5 m左右。

(4) 通過運(yùn)用工程類比法、理論分析和數(shù)值計(jì)算3種方法設(shè)計(jì)、分析并得到了深部銅礦高階段充填體的強(qiáng)度參數(shù)和分層厚度，降低了礦山的充填成本，并為礦山的安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

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2017￣08￣28)

鄒南榮(1974-)，男，福建上杭人，采礦工程師，主要從事采礦技術(shù)方面的研究，Email：zounanrong.zjky@163.com。