嗣后充填多礦柱同時(shí)回采充填體側(cè)向位移研究①

張愛(ài)卿， 李金云， 吳愛(ài)祥， 王貽明

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河北 廊坊 065000； 2.北京科技大學(xué) 膏體充填采礦技術(shù)研究中心，北京 100083）

隨著礦產(chǎn)資源日益枯竭以及礦山生產(chǎn)的迫切需求，礦柱的安全高效回采已成為許多礦山企業(yè)面臨的難題。 礦房?jī)?nèi)礦石開(kāi)采后采空區(qū)殘留礦柱起到支撐空區(qū)頂板的作用，導(dǎo)致礦柱應(yīng)力集中，尤其是一些特殊工況下，比如該中段的上下中段礦房均已開(kāi)采、只有上下礦段對(duì)應(yīng)的礦柱存在時(shí)，礦柱的回采形式就成為保證礦柱安全高效回采的關(guān)鍵。 合理的礦柱回采方式對(duì)于提高礦床資源采出率、實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1－5］。

近年來(lái)，專家學(xué)者對(duì)礦柱的回采形式進(jìn)行了大量研究［6－9］，但都是針對(duì)嗣后充填礦柱連續(xù)回采展開(kāi)，對(duì)于多礦柱同時(shí)回采的研究報(bào)道相對(duì)較少。

本文建立了3個(gè)礦柱同時(shí)回采模型，總結(jié)文獻(xiàn)研究成果和多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定影響充填體側(cè)向位移的主要因素為礦柱一次回采高度、礦房寬度、礦柱跨度和充填體強(qiáng)度，并結(jié)合某鉛鋅礦實(shí)際開(kāi)采情況，分析了礦柱一次回采高度、礦柱跨度、礦房寬度及膠結(jié)充填體強(qiáng)度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響規(guī)律，最終確定了該鉛鋅礦適宜的礦柱一次回采高度和充填體強(qiáng)度值。 研究成果對(duì)其他類似金屬礦山進(jìn)行礦柱回采具有一定借鑒意義。

1 嗣后充填多礦柱同時(shí)回采的有限元模型

嗣后充填多礦柱回采示意圖如圖1 所示，圖中h為礦柱一次回采高度，b為礦柱跨度，B為礦房寬度。本文提及的充填體側(cè)向位移，對(duì)于1＃礦柱左側(cè)的充填體僅考慮其靠近空區(qū)的一側(cè)，對(duì)于2＃礦柱左側(cè)的充填體考慮兩側(cè)的位移值，由于該模擬是對(duì)稱的，分析僅針對(duì)模型左側(cè)，同時(shí)，定義1＃礦柱左側(cè)充填體的側(cè)向位移值為單側(cè)位移，2＃礦柱兩側(cè)充填體的側(cè)向位移值為雙側(cè)位移。

圖1 嗣后充填多礦柱回采示意圖

根據(jù)圖1 建立模型并劃分網(wǎng)格，以垂直礦體走向?yàn)閄軸方向，沿礦體走向?yàn)閅軸方向，模型的高為Z軸方向。 運(yùn)用有限元軟件FLAC3D中Mohr-Coulomb 模型進(jìn)行彈塑性分析，由于礦山賦存礦體和圍巖巖體是一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造體，為便于計(jì)算且快速收斂，對(duì)巖體介質(zhì)性質(zhì)及計(jì)算模型等做以下假設(shè)：

1） 將礦體和巖體視為各向同性、連續(xù)均質(zhì)的力學(xué)介質(zhì)體；

2） 忽略不良地質(zhì)構(gòu)造的影響，如斷層、節(jié)理裂隙等；

3） 計(jì)算過(guò)程只在靜荷載下進(jìn)行，不考慮地下水、地震及爆破振動(dòng)等動(dòng)力對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性的影響。

考慮設(shè)計(jì)開(kāi)采范圍周?chē)鷰r體受采動(dòng)影響范圍的大小，將模型尺寸擬定為長(zhǎng)410 m、寬210 m、高600 m，建立的三維數(shù)值模型如圖2 所示。 初始模型采用四面體單元剖分，重點(diǎn)剖分礦柱部分，精度以確保無(wú)畸變單元為原則并在局部適當(dāng)加密。 數(shù)值模擬離散后的模型六面體單元數(shù)共140 000個(gè)網(wǎng)格。

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬模型

數(shù)值計(jì)算采用文獻(xiàn)［10］中的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，僅對(duì)充填體的內(nèi)摩擦角和黏聚力值按照一定比例折減，分析多礦柱回采后兩側(cè)充填體水平位移場(chǎng)的變化規(guī)律。

2 工程實(shí)例

某鉛鋅礦礦體采用淺孔留礦法進(jìn)行開(kāi)采，礦房垂直礦體走向布置，目前開(kāi)采工作面在860 m 中段，垂直距離地表深度235 m，開(kāi)采順序?yàn)椋合炔傻V房，形成礦柱支撐采空區(qū)，對(duì)空區(qū)充填后再回采礦柱（見(jiàn)圖1）。礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)為長(zhǎng)35 m、寬15 m、高50 m，礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)為長(zhǎng)35 m、寬9 m、高50 m。

參考凡口鉛鋅礦及國(guó)內(nèi)其他金屬礦山有關(guān)嗣后充填礦柱回采時(shí)選取的參數(shù)，假設(shè)礦柱跨度分別取值6 m、9 m 和12 m，礦房寬度分別取值12 m、15 m 和20 m，充填體強(qiáng)度分別取值1.5 MPa、2 MPa 和2.5 MPa，礦柱一次回采高度分別取值4 m、6 m 和8 m。

2.1 礦柱及充填體物理力學(xué)參數(shù)

某鉛鋅礦上盤(pán)、下盤(pán)巖性均為安山質(zhì)凝灰?guī)r，礦體樣本為含銀鉛鋅原生硫化礦礦石，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)試其物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某鉛鋅礦巖石物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)外部開(kāi)采技術(shù)條件進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定礦山的充填方式為全尾砂膠結(jié)充填。 全尾砂從選廠取出運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室，采用PC32.5 級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，根據(jù)影響充填體強(qiáng)度的主要因素、坍落度實(shí)驗(yàn)觀察到的料漿流動(dòng)情況，設(shè)計(jì)灰砂比1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12 共5 組，料漿濃度分別取76%、74%、72%、70%共4 組，合計(jì)20 組不同材料配比實(shí)驗(yàn)。 選取充填體28 d 抗壓強(qiáng)度為1.5 MPa、2 MPa 和2.5 MPa 的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 充填體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 充填體側(cè)向位移影響因素分析

2.2.1 一次回采高度的影響

假定礦柱高度50 m、跨度9 m、礦房寬度15 m、充填體強(qiáng)度2 MPa，以一次回采高度h＝4 m、6 m 和8 m為例，研究了一次回采高度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響，選取礦柱回采后每隔1 m 所對(duì)應(yīng)的充填體側(cè)向位移數(shù)值繪制成圖，如圖3 所示。 從圖3可以看出，充填體雙側(cè)側(cè)向位移較單側(cè)側(cè)向位移值大，不論礦柱回采高度是否變化，充填體側(cè)向位移變化均呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側(cè)向位移隨著礦柱一次回采高度增加而增大。 對(duì)于全尾膠結(jié)充填體來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的側(cè)向位移值越小越好。 因此，一次回采高度4 m 是安全的回采高度。

圖3 礦柱一次回采高度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響

2.2.2 礦柱跨度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦房寬度15 m、充填體強(qiáng)度2 MPa，以礦柱跨度b＝6 m、9 m 和12 m 為例，研究了礦柱跨度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。 從圖4可以看出，充填體雙側(cè)側(cè)向位移較單側(cè)側(cè)向位移值大，充填體側(cè)向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側(cè)向位移值隨著礦柱跨度增加而增大，呈正相關(guān)變化規(guī)律。

圖4 礦柱跨度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響

2.2.3 礦房寬度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦柱跨度9 m、充填體強(qiáng)度2 MPa，以礦房寬度B＝12 m、15 m 和20 m 為例，研究了礦房寬度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響，結(jié)果如圖5 所示。 從圖5可以看出，充填體雙側(cè)側(cè)向位移較單側(cè)側(cè)向位移值大，充填體側(cè)向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。充填體側(cè)向位移值隨著礦房寬度增加而減小，呈負(fù)相關(guān)變化規(guī)律。

圖5 礦房寬度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響

2.2.4 充填體強(qiáng)度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦房寬度15 m，礦柱跨度9 m，以充填體強(qiáng)度P＝1.5 MPa、2 MPa和2.5 MPa 為例，研究了充填體強(qiáng)度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響，結(jié)果如圖6 所示。 從圖6可以看出，充填體雙側(cè)側(cè)向位移較單側(cè)側(cè)向位移值大，充填體側(cè)向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側(cè)向位移值隨著充填體強(qiáng)度增加而減小，呈負(fù)相關(guān)變化規(guī)律。

圖6 充填體強(qiáng)度對(duì)充填體側(cè)向位移的影響

2.2.5 極差分析結(jié)果

對(duì)上述4 組數(shù)據(jù)分別求極差，一次回采高度、礦房寬度、礦柱跨度和充填體強(qiáng)度的極差分別為0.75、0.9、0.85 和0.55。 根據(jù)極差分析判斷上述4個(gè)影響因素對(duì)充填體側(cè)向位移產(chǎn)生的敏感程度由大到小為：礦房寬度、礦柱跨度、一次回采高度和充填體強(qiáng)度，如果將充填體作為礦柱來(lái)考慮的話，充填體側(cè)向位移敏感程度的排序與文獻(xiàn)［7］研究結(jié)論一致。

2.3 工程實(shí)例中P 和h 的確定

大量工程實(shí)踐表明，充填料漿沉縮后導(dǎo)致充填體接頂困難［11－12］，因此，采用高水自立強(qiáng)度公式來(lái)確定充填體強(qiáng)度P［9］：

式中P為充填體自立強(qiáng)度，MPa；L為礦房長(zhǎng)度，m；H為礦房高度，m；W為礦房寬度，m；γ為充填體密度，g/cm3；C為充填體黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；φ為充填體內(nèi)摩擦角，（°）；α為充填材料坍塌角，（°），α＝45°＋φ/2；k為側(cè)壓系數(shù)；φ1為圍巖摩擦角，（°）；C1為圍巖黏結(jié)強(qiáng)度，MPa。

將礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)和表2 數(shù)據(jù)代入式（1）中，得出充填體強(qiáng)度2.5 MPa 時(shí)，可以滿足充填體自立要求。

假定3個(gè)礦柱同時(shí)一次回采高度分別為4 m、6 m和8 m，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到充填體側(cè)向位移（雙側(cè)）隨一次回采高度變化規(guī)律如圖7 所示。 從圖7可以看出，充填體側(cè)向位移與礦柱一次回采高度呈正相關(guān)。一次回采高度4 m 時(shí)，充填體側(cè)向位移最小，從礦柱回采安全角度考慮，確定某鉛鋅礦的一次回采高度為4 m。

圖7 不同一次回采高度下充填體雙側(cè)側(cè)向位移變化規(guī)律

3 結(jié) 論

1） 3個(gè)礦柱同時(shí)回采時(shí)，充填體雙側(cè)側(cè)向位移值大于單側(cè)側(cè)向位移值，充填體側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在礦柱高度中間位置，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 最大側(cè)向位移值隨著一次回采高度增大而增加，隨著礦柱跨度增加而增大，與礦房寬度和充填體強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

2） 極差分析結(jié)果表明，一次回采高度、礦柱跨度、礦房寬度和充填體強(qiáng)度4個(gè)影響因素對(duì)充填體側(cè)向位移產(chǎn)生的敏感程度由大到小排序?yàn)椋旱V房寬度、礦柱跨度、一次回采高度和充填體強(qiáng)度。

3） 對(duì)于某鉛鋅礦，當(dāng)?shù)V房、礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時(shí)，利用高水自立強(qiáng)度公式計(jì)算出充填體自立強(qiáng)度值為2.5 MPa，從礦柱回采安全性考慮，最終確定3個(gè)礦柱同時(shí)回采時(shí)一次回采高度為4 m。