適應(yīng)大型采掘設(shè)備運(yùn)行的充填體強(qiáng)度研究

楊清平，王少勇，劉洪斌

適應(yīng)大型采掘設(shè)備運(yùn)行的充填體強(qiáng)度研究

楊清平1，王少勇2，劉洪斌2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司，北京 100082；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

上向進(jìn)路充填采礦法在礦山的應(yīng)用越來越廣泛，但充填體的穩(wěn)定性受爆破震動(dòng)和鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行的影響，因此，充填體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否合理直接影響礦山的安全和高效生產(chǎn)。以謙比希銅礦西礦體為研究對(duì)象，結(jié)合礦山的開采技術(shù)條件，采用經(jīng)驗(yàn)類比法和理論計(jì)算法確定充填體的強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，采用工程類比法確定的充填體強(qiáng)度需達(dá)到1.5 MPa，澆面層的充填體強(qiáng)度需達(dá)到2.5~3 MPa，且澆面層的厚度為1.0 m；充填體需達(dá)到自立時(shí)，充填體的強(qiáng)度應(yīng)大于0.1 MPa；充填體需滿足鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行時(shí)，澆面強(qiáng)度須大于2.15 MPa，澆面層厚度大于0.7 m。

上向進(jìn)路充填采礦法;謙比希銅礦;充填體強(qiáng)度;工程類比法;理論計(jì)算

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求顯著增加，因此，越來越多的礦山由淺部開采向深部開采進(jìn)行過渡。而深部開采中常面臨著高地溫、高應(yīng)力等問題，導(dǎo)致井下工作效率較低，且井下的工作環(huán)境安全性降低，因此，充填采礦方法在深部開采中應(yīng)用越來越廣泛[1]。上向進(jìn)路分層充填采礦法為充填采礦法中較為常用的一種，具有機(jī)械化程度高、礦石損失貧化較小等優(yōu)點(diǎn)，能顯著改善井下采空區(qū)的安全，從而在礦山開采中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，該種采礦方法也存在一定的問題，由于鏟運(yùn)機(jī)等大型設(shè)備會(huì)在下分層的充填體上進(jìn)行作業(yè)，特別是對(duì)于大型的鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備，其重量較大，容易對(duì)充填體產(chǎn)生一定程度的破壞，從而降低礦山的開采效率，因此，上向進(jìn)路分層充填體采礦方法中的充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否合理對(duì)保證礦山進(jìn)行安全高效開采具有重要的影響[3]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，邱景平對(duì)上向進(jìn)路充填采礦法的充填體強(qiáng)度進(jìn)行了研究，主要是在總結(jié)國(guó)內(nèi)外類似礦山工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，從而采用類比法確定上向進(jìn)路充填采礦法的充填體強(qiáng)度[4]。結(jié)合礦山的開采技術(shù)條件和充填情況，占飛和鄒南榮運(yùn)用理論計(jì)算方法，從充填體自立強(qiáng)度和爆破因素影響的情況下確定了某銅礦充填體的強(qiáng)度[5-6]。王鳳麟在室內(nèi)進(jìn)行充填體強(qiáng)度配比試驗(yàn)，對(duì)某銅礦尾砂膠結(jié)充填體的配比進(jìn)行了優(yōu)化[7]。吳秀良和魏威分別對(duì)礦山的充填工藝進(jìn)行了相關(guān)研究，并結(jié)合采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)和工程類比法等對(duì)充填體的強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為礦山確定合理的充填體強(qiáng)度提供了參考[8-9]。綜上所述，確定上向進(jìn)路充填采礦法的充填體強(qiáng)度主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法、理論計(jì)算法和工程類比法等，但對(duì)于不同的礦山，其開采技術(shù)條件和充填情況不同，因此，根據(jù)不同礦山的充填情況，需對(duì)其充填體強(qiáng)度進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[10-11]。

本文通過對(duì)西礦體賦存條件、技術(shù)裝備水平和可行的采礦方法進(jìn)行大量研究，基于膏體不分層、不離析、不脫水的優(yōu)良特性，厚大采場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)分步回采，可大幅度提高資源回收率的優(yōu)勢(shì)，最終確定采用上向進(jìn)路膏體充填采礦法，根據(jù)礦體厚度可分為單進(jìn)路和進(jìn)路回采。本研究將根據(jù)新盤區(qū)采礦方法與采礦設(shè)備，分析計(jì)算膏體充填體強(qiáng)度需求，以確保井下作業(yè)環(huán)境安全，提高生產(chǎn)效率，為礦山安全和高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 謙比希銅礦西礦體新盤區(qū)采礦方法

謙比希銅礦西礦體為傾斜薄礦體，礦體厚度為5~10 m，將新建立的盤區(qū)沿礦體走向布置，整個(gè)盤區(qū)的長(zhǎng)度為360 m，厚度為礦體的厚度，并將每個(gè)盤區(qū)沿著礦體走向劃分為2個(gè)采場(chǎng)，每個(gè)采場(chǎng)的長(zhǎng)度為180 m。

對(duì)于每個(gè)采場(chǎng)而言，確定分段高度為18 m，并將每個(gè)分段又劃分為4個(gè)分層，即每個(gè)分層的高度為4.5 m，兩個(gè)采場(chǎng)之間留設(shè)有3 m的間柱不進(jìn)行回采。新建立的盤區(qū)回采設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)工程布置有分段巷、管纜井和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道等。為了保證井下大型設(shè)備的工作效率，采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道的坡度應(yīng)小于15%。對(duì)于謙比希銅礦西礦體建立的新盤區(qū)而言，設(shè)計(jì)的進(jìn)路尺寸為（4.5~6）m×4.5 m，每次爆破進(jìn)尺為4.6 m，采場(chǎng)的回采順序?yàn)樽韵露线M(jìn)行回采，下一個(gè)分層回采完成后，立即對(duì)其進(jìn)行膏體充填，所采用的水灰比為1:（12~16）。

圖1 新盤區(qū)回采設(shè)計(jì)

2 充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)謙比希銅礦西礦體回采方案，充填體需滿足自立、大型設(shè)備運(yùn)行的要求，為此對(duì)充填強(qiáng)度進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

2.1 經(jīng)驗(yàn)類比法

對(duì)于采用充填采礦方法的礦山而言，通過對(duì)井下進(jìn)行充填，可解決井下采空區(qū)的穩(wěn)定性，但也存在一些問題，特別是對(duì)于需要揭露的充填體而言，一方面需要保證充填體能夠自立，且能受爆破震動(dòng)等因素的影響；另一方面，對(duì)于某些特定的礦山，需要在充填體上運(yùn)行大型設(shè)備，則充填體還需要滿足設(shè)備運(yùn)行的要求。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外上向分層充填采礦方法的礦山進(jìn)行整理分析，采用上向分層充填采礦方法的礦山主要包括內(nèi)蒙查干銀礦、三山島金礦、新橋硫鐵礦、凡口鉛鋅礦、銅錄山礦、山東金鈴鐵礦、新城金礦和焦家金礦等，所采用的充填材料包括細(xì)江砂、分級(jí)尾砂和全尾砂等。大多礦山要求28 d的充填體強(qiáng)度為0.7~3.0 MPa，充填配比為1:4~1:10，特別是對(duì)于澆面層的充填體而言，其強(qiáng)度要求更高。內(nèi)蒙查干銀礦要求上部澆面層的充填體灰砂比為1:4，且澆面層的厚度為0.5 m；凡口鉛鋅礦要求上面澆面層的充填體灰砂比為1:4，且澆面層的厚度為0.5~1.0 m；焦家金礦要求上面澆面層的充填體灰砂比為1:4，且澆面層的厚度為1.0 m，強(qiáng)度為2.5~3.0 MPa；因此，通過類比發(fā)現(xiàn)，充填體的強(qiáng)度需達(dá)到1.5 MPa，澆面層的充填體強(qiáng)度需達(dá)到2.5~3 MPa，且澆面層的厚度為1.0 m。

2.2 理論計(jì)算法

2.2.1 充填體自立強(qiáng)度

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外大量采用充填采礦方法的礦山進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立充填體的充填高度與強(qiáng)度的關(guān)系。

式中，為膠結(jié)充填體的高度，m；為膠結(jié)充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)充填體的充填高度小于或大于50 m時(shí)，取值分別為600和1000。

根據(jù)西礦體新盤區(qū)實(shí)際情況，各參數(shù)取值分別為：=4.5 m，=600，代入式中進(jìn)行計(jì)算得：=0.323 MPa。

（2）Thomas模型法充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)。Thomas模型法主要是考慮到充填體在采場(chǎng)中出現(xiàn)的拱效應(yīng)，當(dāng)充填體由地表經(jīng)過管道充填到井下后，充填體會(huì)與圍巖之間產(chǎn)生一定的摩擦力，且充填體受到上覆充填體的作用和構(gòu)造應(yīng)力的作用，從而形成拱作用。該模型主要是考慮采場(chǎng)底部充填體的作用，因此，可得到充填體底部的豎直應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，為作用在充填體底部的垂直應(yīng)力；為充填料的堆密度，17.8 kN/m3；為充填體高度，4.5 m；為充填體寬度，6 m。

將充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參數(shù)值代入式（2）中，得到Thomas模型法計(jì)算的充填體強(qiáng)度值為=0.095 MPa。

（3）Michell模型法充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)。Michell模型法主要是忽略了充填體與圍巖的摩擦力作用，而主要考慮的是充填體自身的膠結(jié)作用。因此，采用本方法計(jì)算得到充填體強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)為：

即：

式中，為充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；為充填體容重，取17.8 kN/m3；為充填體高度，取4.5 m；為充填體長(zhǎng)度，取90 m；為充填體寬度，取6 m；為安全系數(shù)，取2.0。

將充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)代入式（4）中，得到Michell模型法的充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為=0.037 MPa。

綜上所述，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法、Michell模型法和Thomas模型法計(jì)算表明，西礦體新盤區(qū)采場(chǎng)留有礦柱，充填體受壓很小，可視為圍巖穩(wěn)固的情形。因此，充分考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，推薦西礦體充填體自立強(qiáng)度為0.1 MPa。

2.2.2 鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備運(yùn)行所需的強(qiáng)度

謙比希銅礦西礦體建立的新盤區(qū)擬采用上向進(jìn)路分層充填采礦法，采場(chǎng)分段高度為18 m，劃分為4個(gè)分層，每個(gè)分層高度為4.5 m，首先回采下分層礦體，對(duì)下分層采空區(qū)進(jìn)行充填，在回采上分層礦體時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)等大型設(shè)備需要在充填體上行走。因此，充填體需要承受上部行走的大型設(shè)備的重量，充填體需要滿足一定的強(qiáng)度，且在上部具有一定的厚度。

根據(jù)礦山現(xiàn)有的開采技術(shù)條件，采場(chǎng)中運(yùn)行的大型設(shè)備主要包括鏟運(yùn)機(jī)、裝藥臺(tái)車和鑿巖臺(tái)車等，其中裝藥臺(tái)車和鑿巖臺(tái)車的運(yùn)動(dòng)主要為靜荷載，鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的荷載主要為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)荷載，且鏟運(yùn)機(jī)自重和運(yùn)載的礦石重量之和大于裝藥臺(tái)車和鑿巖臺(tái)車。因此，本研究主要考慮鏟運(yùn)機(jī)對(duì)充填體破壞的影響。

（1）鏟運(yùn)機(jī)參數(shù)。西礦體所采用的鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行模式如圖2所示，其中鏟運(yùn)機(jī)的型號(hào)為阿特拉斯ST14型鏟運(yùn)機(jī)，最大斗容為7 m3，車身長(zhǎng)10.825 m，滿載時(shí)后輪接地面尺寸為35 cm×30 cm，接地面積為1200 cm2，與計(jì)算相關(guān)的鏟運(yùn)機(jī)參數(shù)見表2。

圖2 鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行模式示意（Hassani and Bois 1992）

表1 特拉斯ST14柴油鏟運(yùn)機(jī)相關(guān)參數(shù)

（2）膠結(jié)層厚度計(jì)算。阿特拉斯ST14柴油鏟運(yùn)機(jī)的滿載重量為50 t，即500 kN。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)的工作原理，其受力主要包括前輪受力和后輪受力，且后輪受力比前輪受力更小。因此，本研究主要以前輪的受力作為輪胎的豎直方向受力進(jìn)行研究。

式中，q為后軸輪載的水平分量，MPa；P為輪胎作用于充填體的應(yīng)力值，MPa；為靜載輪載壓力，kN；為后軸與前軸軸載之比；,為輪胎與膠結(jié)層接觸面矩形的長(zhǎng)和寬，cm；

按照鏟運(yùn)機(jī)常規(guī)運(yùn)行2檔速度10.1 km/h取值，即2.8 m/s來計(jì)算設(shè)備的最大荷載。地下無軌設(shè)備的荷載波動(dòng)模型通常為：

(t)=+0.125′′′2′sin()′10?3（6）

式中，(t)為動(dòng)態(tài)輪載壓力，kN；為靜載輪載壓力，150 kN；為幾何不平順矢量，m；高速公路一般取2 mm，充填體40 mm；為振動(dòng)圓頻率，=2pn/（1/s）；n為鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行速度，m/s，為幾何曲線波長(zhǎng)，按照車身長(zhǎng)計(jì)算，m。

根據(jù)波動(dòng)理論，當(dāng)sin()=1時(shí)，波動(dòng)荷載最大，鏟運(yùn)機(jī)施加于充填體的垂直荷載也最大。

=+0.125′′′(2pn/)2′10?3（7）

因此，代入式（7）計(jì)算得到為150 kN。由 公式（5）可得到輪胎作用于充填體的應(yīng)力值為 1.43 MPa。

膠結(jié)層厚度計(jì)算公式為：

≥1′40′[10′′(2+2)1/2′q]/（8）

式中，各參數(shù)見表2。取1=2，計(jì)算得到膠結(jié)層厚度≥0.67 m，取整為0.7 m。

表2 膠結(jié)層厚度確定所需參數(shù)

（3）膠結(jié)層抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

≥f′q（9）

式中，2為安全系數(shù)，取1.5。由此可得到膠結(jié)層抗壓強(qiáng)度為2.15 MPa。

3 結(jié) 論

（1）上向進(jìn)路分層充填采礦法可明顯提高井下采空區(qū)的安全，且能減少地表尾礦干堆，但鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備會(huì)在充填體上運(yùn)行。因此，充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理與否對(duì)井下的安全和高效生產(chǎn)至關(guān)重要。

（2）通過對(duì)新橋硫鐵礦、凡口鉛鋅礦和三山島金礦等礦山的充填情況進(jìn)行對(duì)比分析，采用工程類比法，確定謙比希銅礦西礦體的充填體強(qiáng)度需達(dá)到1.5 MPa，澆面層的充填體強(qiáng)度需達(dá)到2.5~3 MPa，且澆面層的厚度為1.0 m。

（3）結(jié)合謙比希銅礦西礦體的開采技術(shù)條件，采用理論計(jì)算法對(duì)充填體的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，如果充填體需達(dá)到自立強(qiáng)度，則充填體的強(qiáng)度應(yīng)大于0.1MPa；如果充填體需滿足鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行，則澆面強(qiáng)度須大于2.15 MPa，澆面層厚度大于0.7 m。

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(2019-06-11)