挑水河磷礦膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求研究

張興前,胡建華,柳勇,趙風(fēng)文

摘要：充填體強(qiáng)度是保證采空區(qū)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，有必要對(duì)充填體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。利用Terzaghi模型法和盧平計(jì)算模型2種理論計(jì)算方法對(duì)挑水河磷礦的充填體強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，為確保礦山開(kāi)采安全，安全系數(shù)取2.0，其結(jié)果為0.76～1.84 MPa。為確保其準(zhǔn)確性，利用Flac3D軟件進(jìn)行強(qiáng)度模擬驗(yàn)證，其結(jié)果為1.5 MPa，在理論計(jì)算范圍內(nèi)。2種計(jì)算方法相互印證，說(shuō)明該強(qiáng)度需求計(jì)算合理。

關(guān)鍵詞：充填體；膠結(jié)充填；強(qiáng)度反演；理論計(jì)算；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）05-0021-03doi：10.11792/hj20230506

引言

充填體作為礦山充填中的重要一部分，其強(qiáng)度大小對(duì)礦山安全開(kāi)采具有重要意義。對(duì)于充填體強(qiáng)度的計(jì)算國(guó)內(nèi)已有大量研究，主要分為經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法、理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析［1-5］。例如，羅河鐵礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為72 m×15 m×85 m，經(jīng)優(yōu)化后充填強(qiáng)度由3.6 MPa降到2.5 MPa［6］。大尹格莊金礦依據(jù)工程類(lèi)比和理論計(jì)算分析，對(duì)3 d充填體強(qiáng)度要求不小于0.5 MPa，整體穩(wěn)定強(qiáng)度不小于1.0 MPa［7］。房智恒［8］利用膠結(jié)充填體在極限平衡狀態(tài)下所需單軸抗壓強(qiáng)度理論公式計(jì)算某地下稀土礦山的充填體強(qiáng)度，該礦山的采場(chǎng)寬12.5 m、高50 m、長(zhǎng)40 m，考慮1.5的安全系數(shù)后，充填體需求強(qiáng)度為1.55 MPa。劉光生等［9］利用Flac3D軟件通過(guò)充填體等效極限強(qiáng)度數(shù)值搜索方法計(jì)算出充填體需要的單軸抗壓強(qiáng)度為0.606 MPa。

由于理論與實(shí)際并非完全一致，有些實(shí)際地質(zhì)要求需要對(duì)理論計(jì)算乘以安全系數(shù)以保證礦山的安全。按照條帶充填膏體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求，一般安全系數(shù)應(yīng)取1.5～2.0［10］。而根據(jù)經(jīng)典模型強(qiáng)度需考慮安全系數(shù)取1.5～3.0［8］。根據(jù)不同的實(shí)際工程應(yīng)尋求相應(yīng)的安全系數(shù)。例如：鄧建等［11］在研究無(wú)間柱連續(xù)采礦法的充填體可靠性時(shí)經(jīng)計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)取2.17。朱志彬等［2］利用理論計(jì)算得到充填體強(qiáng)度后，考慮到充填體的穩(wěn)定對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)取2.0。況丹陽(yáng)［12］分析了國(guó)外不同充填體類(lèi)型及礦山所需強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)在2.0左右，而考慮到三山島金礦的實(shí)際情況，最終偏保守取2.5。房智恒［8］在為某地下稀土礦山設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，安全系數(shù)取1.5。

1 工程背景

挑水河磷礦隸屬于湖北三寧礦業(yè)有限公司，位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)。礦區(qū)面積約23.42 km2，保有儲(chǔ)量約為2億t，其中約30 %為富礦。礦區(qū)礦體為緩傾斜薄—中厚礦體，平均厚度4 m，礦區(qū)工業(yè)磷礦層均埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，其埋深為81.67～614.75 m，平均埋深254.27 m，采用地下盤(pán)區(qū)全厚條帶開(kāi)采，回采方式為隔一采一。選礦廠選礦工藝為重介質(zhì)選礦工藝，選礦廠處理能力為100萬(wàn)t/a，尾砂產(chǎn)量為33萬(wàn)t/a。年充填量約為22萬(wàn)m3。

2充填體強(qiáng)度理論計(jì)算

2.1Terzaghi模型法

Terzaghi模型法從理論上確定充填體的應(yīng)力分布規(guī)律，其計(jì)算公式［13］為：

σy=（lγ-2C）2ktan φ （1-e-2ktan φl(shuí)h）（1）

式中：σy為充填體內(nèi)所受應(yīng)力（kPa）；γ為充填體容重（kN/m3）；l為充填體跨度（m）；h為充填體高度（m）；C為充填體內(nèi)聚力（kPa）；φ為充填體內(nèi)摩擦角（°）；k為充填體側(cè)壓系數(shù)，k=1-sin φ。

2.2盧平計(jì)算模型

Thomas法只考慮了充填體的幾何尺寸和充填料的密度，而沒(méi)有考慮充填材料的強(qiáng)度特征。因此，盧平對(duì)其進(jìn)行修正，其計(jì)算公式［14-15］為：

σv=γh（1-k）（tan α+2hw×C1C sin α） （2）

式中：σv為作用在充填體底部的垂直應(yīng)力（kPa）；w為充填體寬度（m）;k=1-sin φ1，α=45°+φ/2；C1、φ1分別為充填體與圍巖間的內(nèi)聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（°）。

2.3模型計(jì)算

根據(jù)挑水河磷礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到采場(chǎng)尺寸為50 m×5 m×3.5 m，即充填體高度3.5 m，寬度5 m，長(zhǎng)度50 m。選取充填體的容重22 kN/m3、內(nèi)聚力1.00 MPa、內(nèi)摩擦角37°，C1=0.5 MPa，φ1=50°，k=1-sin φ1=0.23，α=45°+φ/2=63.5°。根據(jù)上述理論計(jì)算得出充填體的抗壓強(qiáng)度值分別為：Terzaghi模型法0.92 MPa，盧平計(jì)算模型0.38 MPa。

由于利用以上理論計(jì)算充填體的強(qiáng)度是充填體的自穩(wěn)強(qiáng)度和最小安全的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。為保障礦山采礦安全，需要選取充填體的安全系數(shù)，本次按照經(jīng)典模型，強(qiáng)度安全系數(shù)取2.0，可以確定所需充填體的強(qiáng)度為0.76～1.84 MPa。

3數(shù)值模擬

3.1模型構(gòu)建

根據(jù)挑水河磷礦實(shí)際采場(chǎng)尺寸，本次模擬采場(chǎng)長(zhǎng)為50 m，寬為5 m，高為3.5 m，設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)500 m，寬400 m，高到地面，模型如圖1所示。根據(jù)DBJ 50—043—2005 《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》第9章第2節(jié)巖土體性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)巖層參數(shù)進(jìn)行折減，利用折減后的參數(shù)對(duì)Flac3D軟件中的網(wǎng)格賦予屬性。本次模擬中充填體參數(shù)的設(shè)置為：密度2.20 g/cm3，體積模量2.38 GPa，剪切模量2.17 GPa，內(nèi)聚力1.00 MPa，內(nèi)摩擦角37°；抗拉強(qiáng)度分別為0.16 MPa、0.25 MPa、0.33 MPa、0.50 MPa和0.67 MPa 5種方案。

3.2模擬結(jié)果及分析

3.2.1應(yīng)力

采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力分布表征了采場(chǎng)安全特征，對(duì)充填體提出了強(qiáng)度安全要求?；夭杉俺涮詈蟮淖畲笾鲬?yīng)力圖（以方案1為例）如圖2所示，圖2中4張圖代表隔一采一的兩步驟結(jié)果。充填區(qū)域最大壓應(yīng)力如表1所示。由各步最大主應(yīng)力圖可知：步驟一開(kāi)采時(shí)拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在地表，其最大值為0.25 MPa，查閱巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)值，巖體的抗拉強(qiáng)度均大于此值，故不會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。而壓應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在礦體下層巖層，其最大值為7.37 MPa，而根據(jù)《挑水河磷礦礦區(qū)巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試報(bào)告》，礦體下層巖層的抗壓強(qiáng)度折減后為43.71 MPa，故不會(huì)被壓壞。充填后，其應(yīng)力分布效果不變，充填區(qū)域壓應(yīng)力的最大值為1.50 MPa，當(dāng)充填體抗拉強(qiáng)度大于此值時(shí)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

步驟二開(kāi)采時(shí)，其效果與步驟一類(lèi)似，此時(shí)拉應(yīng)力也在地表，但其最大值仍然小于地表巖層拉應(yīng)力，不會(huì)破壞。此時(shí)采場(chǎng)附近壓應(yīng)力變小，而礦體下層巖層其他部位壓應(yīng)力值均仍小于34.17 MPa，不會(huì)產(chǎn)生破壞，采場(chǎng)兩側(cè)及盤(pán)區(qū)間柱充填體區(qū)域的壓應(yīng)力最大值為1.50 MPa，故充填體抗壓強(qiáng)度大于此值時(shí)不會(huì)產(chǎn)生破壞。充填后其壓應(yīng)力效果不變不會(huì)破壞，出現(xiàn)少量拉應(yīng)力集中區(qū)域，其最大值為0.50 MPa，對(duì)充填體影響較小，不會(huì)產(chǎn)生大量破壞。

3.2.2位移

頂?shù)装宓奈灰屏恳彩遣蓤?chǎng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)模擬結(jié)果中采場(chǎng)位置的頂?shù)装逦灰七M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示。步驟一開(kāi)采時(shí)頂板出現(xiàn)下沉，底部出現(xiàn)上鼓，最大下沉量為0.79 mm，最大上鼓量為0.71 mm，充填后其位移分布幾乎不變。此時(shí)位移量均較小，屬于安全范圍。

步驟二回采后，其位移分布與步驟一類(lèi)似，但是此時(shí)位移值增大，其最大下沉量為3.23 mm，最大上鼓量為2.59 mm，充填后其位移分布幾乎不變。此時(shí)的位移量也處于安全范圍內(nèi)。

4結(jié)論

1）本文利用Terzaghi模型法和盧平計(jì)算模型2種理論計(jì)算方法對(duì)挑水河磷礦的充填體強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，為確保礦山安全，安全系數(shù)按照常規(guī)取2.0，其結(jié)果為0.76～1.84 MPa。利用Flac3D軟件進(jìn)行強(qiáng)度模擬驗(yàn)證，以采場(chǎng)部位的最大主應(yīng)力和z方向的位移為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)充填體的強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa時(shí)，其強(qiáng)度符合采場(chǎng)強(qiáng)度要求，并且該值在理論計(jì)算范圍內(nèi)。

2）由于每個(gè)礦山條件各不相同，因此在利用以上充填體強(qiáng)度反演結(jié)果時(shí)要特別注意，其適宜條件是現(xiàn)階段挑水河磷礦生產(chǎn)三區(qū)，標(biāo)高862 m以上中段頂板及底板含水已被疏干，區(qū)域水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為單一。在其他范圍應(yīng)用時(shí)應(yīng)重新驗(yàn)證為妥。

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Study on the cemented backfill body strength requirement in Tiaoshuihe Phosphate MineZhang Xingqian1，Hu Jianhua2，Liu Yong1，Zhao Fengwen3

（1.Hubei Sanning Mining Co.，Ltd.;

2.Zijin School of Geology and Mining，F(xiàn)uzhou University;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：The strength of the backfill body is the key factor to ensure the stability of goafs，so it is necessary to calculate the strength of the backfill body.2 theoretical calculation methods，the Terzaghi model method and the Lupin calculation method，are used to calculate the backfill body strength in Tiaoshuihe Phosphate Mine.To ensure the safety of the mine，the safety factor is taken as 2.0 and the result is 0.76-1.84 MPa.To ensure its accuracy，F(xiàn)lac3D numerical simulation software is used for strength verification and the result is 1.5 MPa，which is within the range of theoretical calculation.The 2 calculation methods are consistent，showing that the calculation of the strength requirement is reasonable.

Keywords：backfill body;cemented backfill;strength inversion;theoretical calculation;numerical simulation;stability