階段嗣后充填體穩(wěn)定性分析與采場結構參數(shù)優(yōu)化

周 樂，許衛(wèi)軍，姚 維，邱景平，任玉東

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.長春黃金研究院，吉林 長春 130012；3.凌源日興礦業(yè)有限公司，遼寧 朝陽 122000)

階段嗣后充填采礦方法是空場采礦法和充填法的結合體，不但具有生產(chǎn)效率高、資源回收強度大等優(yōu)點，還可以對地壓進行有效控制，正逐漸成為國內(nèi)外開采“三下”礦山的重要方法之一[1-3]。雖然該方法已被廣泛應用，但其中關于充填體強度的設計，國內(nèi)礦山還主要采用經(jīng)驗公式法或類比法，這必然會造成經(jīng)濟上的不合理性或回采過程中的不安全性。因此，確定充填體的合理需求強度至關重要。國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量研究，盧平[4]從考慮充填料強度特性的角度出發(fā)，對Thomas模型進行了修正；蔡嗣經(jīng)[5]通過對國內(nèi)外礦山充填體強度進行歸納分析，得出了充填體強度與其高度的半立方拋物線關系式；LIU等[6]、杜坤等[7]根據(jù)圍巖開挖釋放能量與充填體積蓄應變能相近原則，得到了考慮原巖地應力的膠結充填體強度設計公式；魏曉明等[8]推導了一步采中膠結充填體極限側壓狀態(tài)下的數(shù)學模型，并將其用于充填配比設計?；谝陨涎芯砍晒?，本文以傲牛鐵礦三采區(qū)128線以南礦體為工程背景，根據(jù)充填體與圍巖相互作用機理，確定了充填體強度與采場尺寸的匹配關系，為傲牛鐵礦礦石回采提供了理論指導，為類似金屬礦山階段空場嗣后充填采礦開采提供理論參考。

1 礦體開采技術條件

傲牛鐵礦三采區(qū)128線以南礦體主要以急傾斜厚礦體為主，平均傾角75°，平均厚度15 m，礦體延深不大，最大為124線延深100 m，礦體形態(tài)變化較大，膨縮和分枝現(xiàn)象顯著，礦體圍巖主要為角閃混合花崗巖和角閃斜長片麻巖，圍巖穩(wěn)固性好。礦區(qū)西側為尾礦庫，東側為選廠，為減小礦體開采對地表工程的影響，設計采用階段礦房嗣后充填采礦法進行開采。

傲牛鐵礦前期在回采128線以北殘留礦柱時，利用礦山全尾砂與普通硅酸鹽水泥進行了一系列充填體室內(nèi)試驗，從塌落度、泌水率、流動度等多方面因素分析，確定了充填料漿濃度為76%時為最優(yōu)料漿濃度[9]，并將試驗結果成功應用到礦柱的回收過程。不同灰砂比的充填體力學參數(shù)見表1。

表1 膠結充填體力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of cemented backfill

2 礦房充填體穩(wěn)定性分析

未采礦柱給礦房充填體的側壓力可用式(1)進行計算[10]。

(1)

式中：γ為礦石的容重，kN/m3；x為充填體沿高度方向坐標；φ為礦石與充填體接觸面上的有效摩擦角，其值可近似取充填體的內(nèi)摩擦角，°。

圖1 礦房充填體受力模型Fig.1 Force model of room backfill

充填體內(nèi)的水平應力σy主要由未開采礦柱的側向壓力P引起，因此設σy=xf(y)。對于圖1所示的尾砂膠結充填體力學模型，考慮最危險的情形，假設充填體在y方向上無限長，將其即簡化為平面應變問題[11-12]。該模型用應力函數(shù)表示見式(2)。

(2)

式中，Φ為應力函數(shù)。

利用式(2)對x進行兩次積分處理后代入相容方程4Φ=0,對任意區(qū)域內(nèi)的x、y均成立，需要相容方程有無數(shù)個根，則x的系數(shù)和自由項必須等于零，可得應力函數(shù)Φ見式(3)。

(Ey3+Fy2)

(3)

結合充填體力學模型的應力邊界條件可得充填體剪切應力見式(4)[12]。

(4)

式中：λ為側壓力系數(shù)，其值為λ=tan2(45°-φ/2)；γ為礦石容重，取35.3 kN/m3；B為充填體寬度，m；ρ為充填體容重，kN/m3。

根據(jù)傲牛鐵礦開采技術條件以及類似礦山開采經(jīng)驗，取礦房膠結充填體寬度為20～40 m，暴露高度為40～60 m，并根據(jù)表1的充填體力學參數(shù)，將其代入式(4)中得到不同配比充填體底部沿寬度B、高度H方向的剪切應力分布圖，如圖2所示。

圖2 各配比的充填體在不同高度和寬度時的剪切應力分布圖Fig.2 Distribution of shear stress of filling body with different ration under different height and width

由圖2可知：①在膠結充填體的暴露側，剪切應力為零，且沿著充填體寬度方向，剪切應力逐漸增大，但增長率越來越小，直到達到最高點時開始減小，在與未采礦柱接觸處，膠結充填體所受的剪切應力趨向一定值，這是由于膠結充填體在變形過程中與未開采礦體接觸而產(chǎn)生摩擦阻力的原因；②剪切應力曲線與采場高度有關，其高度越高，充填體內(nèi)出現(xiàn)的剪切應力越大；③剪切應力曲線與采場寬度呈負相關，其寬度越小，曲線越陡，充填體內(nèi)出現(xiàn)的剪切應力越大；④當H=60 m，B=20～30 m時，只有灰砂比為1∶6的充填體可以保持穩(wěn)定，而灰砂比為1∶10、1∶20的充填體所受到的剪切應力大于其抗剪強度而發(fā)生破壞；當H=50 m，B=20～40 m時，灰砂比為1∶6的充填體會保持穩(wěn)定，而灰砂比1∶10的充填體，在B=20 m、30 m時會發(fā)生破壞，灰砂比為1∶20的充填體在B=20～40 m時，均會發(fā)生破壞；當H=40 m，B=20～40 m時，灰砂比為1∶6、1∶10的充填體可以保持穩(wěn)定，而灰砂比為1∶20的充填體內(nèi)部最大剪應力為0.3 MPa，達到了其極限抗剪強度，由于充填體內(nèi)剪應力與充填體呈負相關，與高度呈正相關，因此礦山在采用1∶20充填體進行充填時應降低采場高度，增加采場寬度。

綜上所述，傲牛鐵礦提供的灰砂比為1∶6的充填體適用于高度60 m以下、寬度20 m以上的采場；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度50 m以下，寬度40 m以上的采場；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度40 m以下，寬度40 m以上的采場。

由于礦體東側、西側分別存在選廠和尾礦庫等重要構筑物，為保證開采不影響其穩(wěn)定性，則需要考慮較大的安全系數(shù)，對采場高度進行折減。參照國內(nèi)外礦山充填體強度與暴露面積的關系[4]，最終提出以下開采方案：采場高度為40 m，礦房寬度為40 m，礦柱寬度為30 m，采場長度為礦體厚度。一步先采礦房，空區(qū)用灰砂比為1∶6的料漿進行充填，待充填體達到一定強度后，二步回采礦柱時，礦柱開采完畢一次性用灰砂比1∶10～1∶20的充填料漿進行及時充填，以保證沉降對地表構筑物的影響最小。礦房礦柱布置圖見圖3。

圖3 礦房礦柱布置圖Fig.3 Layout of mine room and pillar

3 結 論

1) 建立了充填體單側暴露的力學模型，通過平面應變問題得出了充填體內(nèi)剪應力表達式，即式(4)。

2) 利用推導出的剪應力公式計算出傲牛鐵礦灰砂比為1∶6、1∶10、1∶20的充填體在保持穩(wěn)定的前提下所能達到的最大高度與寬度?；疑氨葹?∶6的充填體適用于高度在60 m以下、寬度20 m以上的采場；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度在50 m以下、寬度在40 m以上的采場；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度在40 m以下、寬度在40 m以上的采場。

3) 根據(jù)傲牛鐵礦開采技術條件及計算結果，確定采場參數(shù)：礦房高40 m，寬40 m，采用灰砂比1∶6，料漿濃度76%進行充填；礦柱高40 m，寬30 m，采用灰砂比1∶10～1∶20，料漿濃度76%進行充填。

本文的研究結果可以為國內(nèi)類似礦山設計和開采提供參考，并有利于確定采場膠結充填體的強度需求，優(yōu)化采場結構參數(shù)，達到增強采充過程安全性的目的。