高階段采場充填體強(qiáng)度影響因素敏感性分析

魏福海，王忠強(qiáng)

(安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司，合肥 231500)

羅河鐵礦是大型地下礦山，礦體厚大，空間形態(tài)復(fù)雜，埋藏較深。目前主要采用大直徑深孔落礦階段空場嗣后充填采礦法，分兩步驟回采，采場最高達(dá) 85 m，長72 m，一步采場寬15 m，二步采場寬21 m，單個采場空區(qū)體積最大達(dá)12.85萬m3，充填體側(cè)向暴露面積達(dá)5 000～6 200。采場按隔一采一的順序回采，一步驟采空區(qū)用膠結(jié)充填，當(dāng)膠結(jié)充填體達(dá)到養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度時，再二步驟回采礦柱，采用尾砂或摻和少量膠凝材料充填。

高階段采場膠結(jié)充填兩步驟回采過程中，圍巖及礦柱應(yīng)力分布、位移隨著開采活動的進(jìn)行發(fā)生著變化，一步和二步回采引起的地壓反應(yīng)相差很大。膠結(jié)充填體承受著上部覆巖層載荷(頂板壓力)的同時，還承受著自重、上(下)盤圍巖及兩側(cè)原生礦柱應(yīng)力釋放、采場生產(chǎn)爆破沖擊等力學(xué)環(huán)境的作用，具有復(fù)合型、反復(fù)性等特點(diǎn)，采場的順利回采是羅河鐵礦高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的保證，采場膠結(jié)充填的穩(wěn)定性直接關(guān)系著礦柱是否能夠順利回采。

1 高階段采場充填體強(qiáng)度影響因素

在假定其他不確定因素不變的條件下，選取影響充填體強(qiáng)度需求的主要因素有采場寬度、高度、長度和膠結(jié)充填體自身的內(nèi)摩擦角[1]。通過充填體力學(xué)實驗、應(yīng)力解析模型、強(qiáng)度需求計算等方法，得出各因素與充填體強(qiáng)度需求的關(guān)系如圖1所示。

圖1 各影響因素與充填體強(qiáng)度需求關(guān)系Fig.1 Relationship between influence factors and strength demand of filling body

1.1 采場寬度

充填體所需強(qiáng)度隨寬度的變化關(guān)系如圖 1(a)所示：在其他影響因素不變的情況下，若充填體寬度增大，其保持穩(wěn)定所需要的強(qiáng)度明顯降低。由于充填體寬度增大，相鄰的圍巖及充填體對該充填體的相互作用隨之增大，使充填體內(nèi)部的應(yīng)力變小，因而充填體保持穩(wěn)定所需的強(qiáng)度也大大降低[2]。由此可見，增大充填體的寬度，有利于提高充填體自立的穩(wěn)定性。

1.2 采場高度

充填體高度與自立所需的強(qiáng)度如圖 1(b)所示，由曲線可知：隨著充填體高度的增加，自立所需的強(qiáng)度隨之增加，且近似線性增長，充填體高度對穩(wěn)定性的影響較為顯著。

1.3 采場長度

充填體長度對所需強(qiáng)度的影響也是很明顯的。如圖1(c)所示：充填體要求的強(qiáng)度隨著長度的增加而增大，充填體長度越長，相鄰圍巖及其他充填體與該充填體的相互作用就越弱，充填體只有通過提高自身強(qiáng)度來保持自立。

1.4 內(nèi)摩擦角

充填體自立強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系曲線圖 1(d)所示：保持其他影響因素不變的前提下，內(nèi)摩擦角越小，充填體所需的強(qiáng)度也越小，且強(qiáng)度變化范圍較小。內(nèi)摩擦角的大小主要影響滑移面與水平面的夾角。

2 影響因素敏感性分析

考慮采場尺寸的多樣性和復(fù)雜性，同時主要探討采場寬度、采場高度和采場長度以及內(nèi)摩擦角對需求充填體抗壓強(qiáng)度的影響，利用BOX-BEHNKEN 設(shè)計法開展試驗，根據(jù)設(shè)計原理進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)量分析實驗，影響因素及水平見表 1。

其中，表中中心水平為基準(zhǔn)組，編碼值根據(jù)公式(1)計算：

Χi=(xi-x0)/Δx

(1)

式中：Χi為自變量xi的編碼值，x0為自變量在中心點(diǎn)的值，Δxi為自變量變化步長。

通過計算得出各種參數(shù)情況下，礦山能夠安全生產(chǎn)所需要膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)量影響因素及水平

表2 充填體抗壓強(qiáng)度需求計算結(jié)果

由表 2 可知，在充填體強(qiáng)度需求響應(yīng)面回歸模型中，采場寬度、采場高度、采場長度及膠結(jié)充填體的內(nèi)摩擦角對充填體強(qiáng)度需求的影響均極顯著，其敏感度順序為：采場寬度>采場長度>采場高度>內(nèi)摩擦角；各因素之間的交互作用顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，采場寬度與長度、內(nèi)摩擦角的交互作用顯著，采場高度與長度的交互作用顯著，采場高度與內(nèi)摩擦角、采場長度與內(nèi)摩擦的交互作用不顯著[3]。各因素交互作用如圖2所示。

根據(jù)充填體抗壓強(qiáng)度需求計算結(jié)果，采用Design-expert 軟件擬合充填體強(qiáng)度需求影響因素與響應(yīng)量的響應(yīng)面函數(shù)為：

(2)

響應(yīng)面函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)平方R2為0.996 3。對響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行方差分析，見表3。其中，p>0.05 表示該因素影響不顯著，p<0.05 表示該因素影響比較顯著，p<0.0001 表示該因素影響極顯著。

表3 充填體強(qiáng)度需求回歸模型方差分析

圖2 充填體強(qiáng)度需求影響因素交互作用Fig.2 Interaction of factors influencing strength demand of filling body

對比圖2(a)和(b)可知，采場寬度與高度交互作用的顯著性是高于采場寬度與長度的交互作用的。由圖2(b)可知，隨著采場長度的增加，充填體強(qiáng)度需求逐漸變大，長度對強(qiáng)度需求的影響與寬度有關(guān)，隨著寬度的逐漸減小，高度對充填體強(qiáng)度需求影響敏感性越來越強(qiáng)[4]。因此，綜合分析可知充填體寬度宜選擇 15～25 m，長度選擇低于65 m。

對比圖2(b)和(c)可知，采場寬度與內(nèi)摩擦角交互作用的顯著性低于采場寬度與長度的交互作用。由圖2(c)可知，內(nèi)摩擦角對強(qiáng)度需求的影響與寬度有關(guān)，隨著寬度的逐漸減小，內(nèi)摩擦角對充填體強(qiáng)度需求影響敏感性越來越強(qiáng)。因此，綜合分析可知充填體寬度宜選擇 15～25 m，內(nèi)摩擦角影響不敏感。

由圖2(d)可知，采場長度與采場高度的交互作用不顯著，兩者綜合影響較弱。

3 結(jié)論

1)采場寬度與其他因素的交互作用均較為顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，因此，在生產(chǎn)實際中應(yīng)嚴(yán)格控制采場邊界，保證充填體的寬度大于15 m。

2)充填體的強(qiáng)度需求與采場結(jié)構(gòu)、礦體深度及充填體暴露面積相關(guān)。膠結(jié)充填體寬度越小，底部側(cè)壓應(yīng)力沿寬度方向的關(guān)系曲線越陡，變化率越大；暴露高度越高，內(nèi)部最大剪切應(yīng)力越大。因此，在采礦設(shè)計中，增大膠結(jié)充填體寬度、降低充填體暴露高度有利于嗣后采場充填體的穩(wěn)定性。

3)充填體暴露高度越高，充填體內(nèi)垂直應(yīng)力越大；且充填體強(qiáng)度越低，隨采場高度的增加充填體內(nèi)垂直應(yīng)力增長率變大，表明強(qiáng)度越低，充填體高度對其垂直應(yīng)力的影響越敏感。

4)充填體強(qiáng)度需求影響因素敏感度順序為：采場寬度>采場長度>采場高度>內(nèi)摩擦角；各因素之間的交互作用顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，采場寬度與長度、內(nèi)摩擦角的交互作用顯著，采場高度與長度的交互作用顯著，采場高度與內(nèi)摩擦角、采場長度與內(nèi)摩擦角的交互作用不顯著。因此，在生產(chǎn)實際中應(yīng)嚴(yán)格控制采場邊界，保證充填體的寬度大于15 m，有利于充填體的穩(wěn)定性。