窄長采場膠結(jié)充填體強度要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計

于永純，羅正良，孫長坤，魏曉明

(1．云南黃金礦業(yè)股份有限公司，昆明 650200；2．保山金廠河礦業(yè)有限公司，云南 保山 678300；3．礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

階段空場嗣后充填采礦法是采用空場法回采后對采空區(qū)進行嗣后充填處理，在金屬礦山的應(yīng)用日益廣泛[1]。該采礦法一般沿著(或垂直)礦體走向兩步驟回采，其中一步驟礦房開采后膠結(jié)充填，二步驟礦柱開采后非膠結(jié)充填[2]。由于一步驟膠結(jié)充填體添加水泥成本約占充填總成本的70%～80%以上，不同礦山選擇的充填配比帶有較大的主觀成分，難以科學(xué)的確定膠結(jié)充填體強度，造成灰砂比偏大，耗費大量不必要的水泥，加大企業(yè)的充填成本[3]。

目前國內(nèi)外膠結(jié)充填體強度的設(shè)計方法可分為三類，即經(jīng)驗法、力學(xué)模型法及數(shù)值分析法[4]。為了使膠結(jié)充填體安全可靠、經(jīng)濟合理，需要確定合理的充填體強度。本文以金廠河多金屬礦為工程依托，利用該礦的窄長采場尺寸(長寬比大于5)和礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)[5]，開展膠結(jié)充填體強度要求理論計算和數(shù)值模擬分析，通過對比充填體強度要求數(shù)值解與兩種解析解，確定礦山一步驟窄長采場膠結(jié)充填體所需的強度和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為類似礦山膠結(jié)充填體要求優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工程概括

保山金廠河鉛鋅銅多金屬礦床屬新開礦床，礦體頂?shù)装逡源罄韼r、大理巖化灰?guī)r為主，礦體巖性以矽卡巖、矽卡巖化大理巖為主。礦山采用大直徑深孔側(cè)向崩礦階段空場嗣后充填法，礦體分為礦房和礦柱，采場垂直礦體走向布置，階段高50 m，礦房和礦柱寬15 m，長為礦體水平厚度，平均為120 m，采場間不留間柱，分兩步驟連續(xù)回采。根據(jù)礦山初步設(shè)計要求，一步驟礦房采用全尾砂膠結(jié)充填，二步驟礦柱采用非膠結(jié)充填，由于一步驟膠結(jié)充填體穩(wěn)定性直接關(guān)系著二步驟礦柱是否能夠順利回采，因此，礦山亟需確定一步驟膠結(jié)充填體合理強度，在保證安全回采情況下，盡可能降低充填成本。

2 礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)測定

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場對金廠河多金屬礦首采區(qū)的頂、底板大理巖和礦體進行取芯，然后開展巖石力學(xué)試驗，獲得了三種巖石的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 充填體力學(xué)參數(shù)

考慮礦山實際充填工況，配置了全尾砂圓柱形充填體試樣，全尾砂充填體料漿濃度為70%，灰砂比分別為1∶4、1∶8、1∶10和1∶15，測試獲得了充填體在實驗室養(yǎng)護下28 d齡期的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，表2為開展采場充填體強度需求的解析計算和數(shù)值模擬分析奠定了基礎(chǔ)。

表2 充填體力學(xué)參數(shù)

3 窄長采場充填體強度理論計算

3.1 強度計算方法選擇

金廠河多金屬礦單個采場體積達到9萬m3，開采工程規(guī)模較大，膠結(jié)充填體的強度直接關(guān)系到礦山開采的安全和經(jīng)濟效益。因此，為了快速評估空場嗣后充填法中一步驟采場充填體在揭露后的穩(wěn)定性，通常選取礦冶集團公式、Mitchell公式，安慶公式三種方法[6-7]，計算獲取窄長采場充填體的強度要求。

3.2 充填體強度計算參數(shù)選取

1)充填體內(nèi)摩擦角、滑移角、充填體黏聚力與單軸抗壓強度比值M

根據(jù)表2的充填體力學(xué)測試結(jié)果，不同灰砂比的充填體內(nèi)摩擦角平均值為33°，滑移角平均值為61.5°，M平均值為0.35。

3)膠結(jié)充填體容重γ和非膠結(jié)充填體容重γu

膠結(jié)充填體容重為19.6 kN/m3，非膠結(jié)充填體容重為18.3 kN/m3。

3.3 窄長采場充填體強度計算

礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)長度為120 m，寬度為15 m，高度為50 m，由于無法掌握現(xiàn)場的充填生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及井下原位充填體質(zhì)量情況，根據(jù)以往的安慶銅礦、草樓鐵礦等工程經(jīng)驗，安全系數(shù)一般選取范圍為2.0～2.5。結(jié)合金廠河尾砂偏細、固結(jié)強度偏低，故本次安全系數(shù)FS選取為2.5，三種理論公式計算結(jié)果見表3。由表3可知，窄長膠結(jié)充填體所需強度取相對保守值為2.13 MPa。

表3 采場充填體所需強度

4 窄長采場充填體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 三維采場模型的建立

利用FLAC3D有限差分軟件，以金廠河礦一步驟和二步驟的典型采場為依據(jù)，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型(長×寬×高=840 m×315 m×350 m)，見圖1。在此典型采場的數(shù)值模擬中，建立了3個相鄰的一步驟和二步驟采場，如圖2所示。并在一步驟采場(1#采場)內(nèi)布設(shè)6個監(jiān)測截面，分別在采場寬度方向X=150、157.5和165 m三個監(jiān)測截面，在采場長度方向Y=390、420和450 m三個監(jiān)測截面，通過6個監(jiān)測截面上的塑性區(qū)發(fā)展變化分布情況判斷1#采場充填體的穩(wěn)定性。

圖1 三維采場模型Fig.1 Three-dimensional stope model

圖2 一步驟采場充填體監(jiān)測截面Fig.2 Monitoring section of one-step backfill

4.2 窄長采場充填體數(shù)值模擬分析

1#、2#和3#采場的具體采充順序為：1#一步驟采場回采和充填→2#二步驟采場回采和充填→3#二步驟采場回采。

1)1#一步驟采場回采和充填

1#采場回采后，圍巖位移場和塑性區(qū)分布見圖3。其中圍巖豎向位移最大值為1.38 mm，水平X方向位移最大值為1.69 cm，水平Y(jié)方向位移最大值為1.72 mm，圍巖位移整體偏移量很小。圍巖塑性區(qū)分布可以看出，圍巖只是在兩側(cè)壁表層發(fā)生小范圍剪切破壞，1#采場回采后，圍巖整體穩(wěn)定。

圖3 圍巖的位移場和塑性區(qū)Fig.3 Displacement field and plastic zone of surrounding rock

首先設(shè)定1#采場充填體的黏聚力為200 kPa時，按照公式1將充填體的黏聚力換算成單軸抗壓強度為0.571 MPa左右。

M=c/σc

(1)

式中：M—常數(shù)，取0.35；c—黏聚力，MPa；σc—單軸抗壓強度，MPa。

2)2#二步驟采場回采和充填

2#采場回采后，1#采場充填體前壁揭露，由于篇幅有限，本文展示了采場寬度方向X=157.5 m和采場長度方向Y=420 m兩個監(jiān)測截面的塑性區(qū)，如圖4所示。當(dāng)1#采場充填體黏聚力為200 kPa時，1#采場充填體后壁中上部表層有拉破壞和剪切破壞塑性區(qū)，揭露的1#充填體整體處于穩(wěn)定性狀態(tài)。考慮到2#采場非膠結(jié)充填體會在3#采場回采時對1#采場膠結(jié)充填體產(chǎn)生側(cè)向推力作用，影響1#采場充填體再次單側(cè)暴露時的穩(wěn)定性，從保守的角度考慮，在2#采場充填體中添加少量的水泥提高其自身的強度，初步采用充填體的黏聚力為70 kPa、內(nèi)摩擦角為20°(將充填體的黏聚力換算成單軸抗壓強度后為0.2 MPa左右)。

圖4 前壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=200 kPa)Fig.4 Plastic zone of front wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=200 kPa)

3)3#二步驟采場回采

當(dāng)3#采場回采后，1#采場的膠結(jié)充填體后壁暴露，從圖5可以看出，1#采場膠結(jié)充填體在2#低標(biāo)號充填體(黏聚力為70 kPa)的水平推力作用和圍巖變形作用等因素影響下，1#采場充填體底部發(fā)生的貫穿1#采場寬度的塑性區(qū)，說明在2#采場充填體的作用和影響下，1#采場充填體不再能夠保持穩(wěn)定，因此在設(shè)計1#采場充填體所需強度時應(yīng)進一步提高其設(shè)計強度值。

圖5 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=200 kPa)Fig.5 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=200 kPa)

4)1#采場充填體的黏聚力提升至300 kPa

為了保證在2#采場低標(biāo)號充填(黏聚力70 kPa)作用下開挖3#采場后仍能保持1#采場充填體后壁暴露的穩(wěn)定性，將1#采場充填體黏聚力由200 kPa提升至300 kPa(相對應(yīng)的單軸抗壓強度為0.857 MPa左右)進行數(shù)值模擬分析。采用同樣的采充順序，獲得了提高強度后1#采場充填體后壁暴露后的塑性區(qū)分布情況。從圖6可知，3#采場回采時1#采場充填體內(nèi)無大型塑性區(qū)形成，并且在圍巖變形和2#采場充填體作用下保持穩(wěn)定。但是從充填成本的角度考慮，從200 kPa提升至300 kPa的黏聚力需要增加水泥用量，進而增加了充填成本，為獲得相對最優(yōu)的強度參數(shù)，需在200～300 kPa之間找出相對最優(yōu)的1#采場充填體黏聚力和單軸抗壓強度。

圖6 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=300 kPa)Fig.6 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=300 kPa)

5)1#采場充填體的黏聚力提升至270 kPa

當(dāng)1#采場充填體的黏聚力為270 kPa時(單軸抗壓強度為0.771 MPa)，采用同樣的采充順序，獲得了1#采場充填體后壁暴露后的塑性區(qū)分布情況。由圖7可知，1#采場充填體在3#采場回采后整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，靠近采場充填體底部的極小部分區(qū)域的塑性區(qū)開始逐漸開始顯現(xiàn)，從而表明此強度條件下，1#采場充填體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此1#采場的膠結(jié)充填體黏聚力最優(yōu)值為270 kPa，換算成單軸抗壓強度為0.771 MPa左右，才能保證單側(cè)暴露充填體的臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=270 kPa)Fig.7 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=270 kPa)

5 窄長采場充填體強度結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照兩步驟采場回采時序，對一步驟采場膠結(jié)充填體所需強度進行了理論計算和數(shù)值模擬分析。通過對數(shù)值解和理論解(FS=1.0和2.5)對比可知，充填體所需強度數(shù)值解分別為0.771和1.93 MPa，低于理論解0.94和2.13 MPa，因此選取理論計算結(jié)果2.13 MPa(保守值)作為窄長采場膠結(jié)充填體的強度要求。

根據(jù)礦山采礦設(shè)計需要，一步驟膠結(jié)充填體內(nèi)后期需要施工巷道工程，因此一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部兩部分，埑溝出礦底部為9 m，中上部高度為41 m，其中底部強度最低為3.0 MPa，中上部強度根據(jù)理論計算最低為1.7 MPa，充填體強度結(jié)構(gòu)分布圖如圖8所示。

圖8 充填體強度結(jié)構(gòu)分布圖Fig.8 Distribution diagram of strength structure of backfill

6 結(jié)論

1)通過對金廠河多金屬礦空場嗣后充填法中窄長采場充填體強度要求的理論計算和采充時序的數(shù)值模擬研究，確定了50 m階段高度窄長采場充填體所需強度為2.13 MPa。

2)窄長采場一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部兩部分，埑溝出礦底部為9 m，中上部高度為41 m，其中底部強度最低為3.0 MPa，中上部強度最低為1.7 MPa。