某礦充填體合理強(qiáng)度研究

李再易,尹麗冰,孫遠(yuǎn)江,龔永超,陸錦濤,周禮

(1.新疆瑞倫礦業(yè)有限責(zé)任公司,新疆 哈密市 839000;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

充填采礦法作為一種重要的礦山開(kāi)采方法,近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。充填采礦法通過(guò)將廢棄物和尾礦等固體廢料回填到采空區(qū),形成穩(wěn)定的充填體支撐和穩(wěn)定采場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)安全高效的礦山開(kāi)采。在充填采礦過(guò)程中,充填體的合理強(qiáng)度是確保采場(chǎng)穩(wěn)定性和礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,特別是在兩步驟回采中,合理控制充填體的強(qiáng)度是確保二步驟礦石資源得到有效回采的關(guān)鍵因素,需要充填體具備足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗第二步驟回采時(shí)圍巖體產(chǎn)生的應(yīng)力變化和變形,從而保障采場(chǎng)的穩(wěn)定性和回采安全。因此,對(duì)于兩步驟回采中充填體合理強(qiáng)度的研究顯得尤為重要。對(duì)于充填體強(qiáng)度的計(jì)算,國(guó)內(nèi)已有大量研究,李德賢等[6]量化分析了采空區(qū)內(nèi)充填體臨界強(qiáng)度及固化時(shí)間的合理范圍,通過(guò)定量分析確定某礦山一步驟采空區(qū)充填體的臨界強(qiáng)度為1.9 MPa,固化時(shí)間26 d后,方可進(jìn)行二步驟礦體回采。吳大瑋[7]通過(guò)FLAC3D 研究不同強(qiáng)度充填體在各步驟回采過(guò)程中的受力及破壞情況,確定了距離采場(chǎng)頂?shù)装甯?0 m 內(nèi)充填體強(qiáng)度為1.5 MPa,而中部為1.0 MPa,該方案具有充填體穩(wěn)定、破壞最小、經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)。周華林[3]通過(guò)FLAC3D 對(duì)不同高度上不同充填體強(qiáng)度下,頂板、底板和礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到了充填體合理強(qiáng)度分布情況。張興前等[9]采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬兩種方法確定了挑水河磷礦的充填體強(qiáng)度。王旭鋒等[10]提出采用高泡材料進(jìn)行頂部充填,以減少材料用量和優(yōu)化支護(hù)效果。朱志彬等[11]采用類(lèi)比法、模型法等充填體強(qiáng)度計(jì)算方法,計(jì)算了充填體保持穩(wěn)定的強(qiáng)度。曾凌方等[12]通過(guò)FLAC3D 對(duì)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化。王作鵬等[13]基于主成分分析法,根據(jù)數(shù)值模擬獲得的不同礦柱寬度和充填體強(qiáng)度下礦柱最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力、位移及塑性區(qū)占比,構(gòu)建礦柱穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),并以礦柱穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo),最終確定礦柱寬度和充填體強(qiáng)度。

本文根據(jù)以往研究成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以某礦為工程研究背景,采用理論計(jì)算、工程類(lèi)比和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,研究了充填體強(qiáng)度在高度上的分布規(guī)律,確定充填體合理強(qiáng)度,并推薦了護(hù)壁厚度,為類(lèi)似礦山充填提供參考依據(jù)。

1 工程背景

某礦初步設(shè)計(jì)采用空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采,采礦方法以無(wú)底柱分段崩落法為主,部分礦段采用分段空?qǐng)霾傻V法和淺孔留礦采礦法[14-16]。但由于近年來(lái)礦區(qū)被市政府納入生態(tài)林保護(hù)區(qū),出于環(huán)保的需要,礦山?jīng)Q定自200 m 中段以下改為充填采礦法。變更后的充填采礦法依據(jù)礦體的賦存條件和分布狀態(tài),細(xì)分為4種:分段礦房階段充填采礦法;分段鑿巖階段礦房充填采礦法;盤(pán)區(qū)分段礦房階段充填采礦法;盤(pán)區(qū)大直徑深孔階段礦房充填采礦法。充填采場(chǎng)中,礦房寬(一步驟與二步驟)分別為20 m、20 m,礦房高度分別為36 m、60 m、72 m,采場(chǎng)長(zhǎng)度為90 m。

2 充填體合理強(qiáng)度確定

2.1 充填體強(qiáng)度理論計(jì)算

國(guó)內(nèi)外的采礦科技工作者對(duì)確定膠結(jié)充填體強(qiáng)度提出了很多理論計(jì)算方法,本文選取了托馬斯(Thomas)模型法、太沙基(Terzaghi)模型法、米切爾(Mitchell)計(jì)算法、覆巖承重計(jì)算法和蔡嗣經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式法共5種理論計(jì)算方法,對(duì)某礦井下礦房充填體的應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算,各種方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1及圖1。由表1及圖1可知,不同理論方法計(jì)算的充填體應(yīng)力變化規(guī)律相似,隨著礦房高度的增加,充填體應(yīng)力幾乎呈線(xiàn)性增長(zhǎng),且除覆巖承重計(jì)算法外,其他方法的計(jì)算結(jié)果增長(zhǎng)速度幾乎相同;同一礦房高度時(shí),各種理論方法計(jì)算結(jié)果相差不大,平均相差0.346 MPa。

圖1 不同礦房高度下充填體應(yīng)力

表1 不同礦房高度下充填體應(yīng)力

2.2 充填體強(qiáng)度類(lèi)比

類(lèi)比法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法,它通過(guò)對(duì)比類(lèi)似的工程實(shí)例來(lái)推導(dǎo)充填體的強(qiáng)度參數(shù)[17-20]。不同礦山由于開(kāi)采技術(shù)條件不同,類(lèi)比法并不完全適用,但可以初步估算充填體強(qiáng)度,而且這種方法簡(jiǎn)單快捷,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和大量的數(shù)據(jù)。通過(guò)類(lèi)比法分析類(lèi)似礦山充填情況,結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可知,李樓-吳集鐵礦礦房高度為100 m,一步驟充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為R28≥3.0 MPa,實(shí)際灰砂比為1∶4的井下充填體單軸抗壓強(qiáng)度為8.07 MPa,采場(chǎng)充填體未曾出現(xiàn)大范圍的跨塌現(xiàn)象;安慶銅礦礦房高度為115 m,實(shí)際充填體強(qiáng)度為0.12～3.58 MPa,其中強(qiáng)度小于1.25 MPa的試樣占總數(shù)的89.3%,強(qiáng)度范圍在0.50～1.00 MPa 間的試樣占總數(shù)的70.7%,后期由于充填質(zhì)量控制不嚴(yán),出現(xiàn)部分垮塌現(xiàn)象;冬瓜山銅礦礦房高度為46～83 m,灰砂比為1∶4的充填體60 d 的試塊強(qiáng)度為2.04～3.66 MPa,基本上未出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

表2 類(lèi)似礦山充填情況

通過(guò)分析以上三個(gè)具有類(lèi)似條件礦山的實(shí)際應(yīng)用案例及效果來(lái)看,充填體強(qiáng)度變化范圍為0.12～3.58 MPa,結(jié)合本礦山實(shí)際條件,認(rèn)為當(dāng)?shù)V房高度為72 m 時(shí),一步驟采場(chǎng)膠結(jié)充填體底部的設(shè)計(jì)強(qiáng)度R28≥2.8 MPa是可以滿(mǎn)足要求的。

2.3 數(shù)值模擬

2.3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)某礦實(shí)際礦房尺寸,利用三維數(shù)值仿真軟件3D-σ軟件建立采場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型,本次模擬礦房高度分別為36 m、60 m、72 m 的3種方案,礦房長(zhǎng)度為90 m,寬度為20 m,模型各巖層力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)所取巖塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù),并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)校正。同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)模擬速度及結(jié)果的精度,充填體采用20節(jié)點(diǎn)的高精度等參單元離散模型網(wǎng)格。材料破壞服從Druckerprager塑性屈服準(zhǔn)則。

2.3.2 模擬分析結(jié)果

圖2、圖3分別為不同礦房高度(36 m、60 m、72 m)下,不同剖面的最大主應(yīng)力等值線(xiàn)。由圖2、圖3可知,當(dāng)?shù)V房高度為36 m 時(shí),最大主應(yīng)力范圍均為-1.068～-0.290 MPa;當(dāng)?shù)V房高度為60 m時(shí),最大主應(yīng)力范圍均為-1.721～-0.436 MPa;當(dāng)?shù)V房高度為72 m 時(shí),最大主應(yīng)力范圍均為-2.058～-0.519 MPa。礦房高度相同時(shí),隨礦房高度增加,壓應(yīng)力逐漸減小,充填體底部壓應(yīng)力最大,且在充填體下部表現(xiàn)出成拱效應(yīng);礦房高度不同時(shí),隨礦房高度增加,最大主應(yīng)力逐漸增加,礦房高度為36 m 時(shí),充填體內(nèi)最大壓應(yīng)力為1.068 MPa,礦房高度為72 m 時(shí),充填體內(nèi)最大壓應(yīng)力為1.721 MPa,礦房高度為72 m 時(shí),充填體內(nèi)最大壓應(yīng)力為2.058 MPa。

圖2 最大主應(yīng)力等值線(xiàn)(剖面沿采場(chǎng)長(zhǎng)軸方向過(guò)短軸的中央)

圖4為不同礦房高度下,y軸方向位移等值線(xiàn)。由圖4可知,當(dāng)?shù)V房高度為36 m 時(shí),y軸方向位移范圍為-0.037～0 m;當(dāng)?shù)V房高度為60 m 時(shí),y軸方向位移范圍為-0.098～0 m;當(dāng)?shù)V房高度為72 m時(shí),y軸方向位移范圍為-0.140～0 m。礦房高度相同時(shí),隨礦房高度增加,位移逐漸增大,充填體頂部位移最大;礦房高度不同時(shí),隨礦房高度增加,y軸方向位移逐漸增加,礦房高度為72 m 時(shí),充填體位移達(dá)到0.140 m,是礦房高度36 m 的充填體位移的3.8倍。

2.4 充填體合理強(qiáng)度

根據(jù)前幾節(jié)所述,通過(guò)采用公式法、類(lèi)比法及數(shù)值模擬3種方法最終確定一步驟充填體底部所需要的強(qiáng)度推薦值見(jiàn)表3。由表3可知,礦房高度為36 m 時(shí),R28≥1.85 MPa;礦房高度為60 m 時(shí),R28≥2.45 MPa;礦房高度為72 m 時(shí),R28≥2.80 MPa。同時(shí),為了進(jìn)一步降低充填成本,對(duì)充填體不同高度的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化,結(jié)果見(jiàn)表4、表5、表6。當(dāng)?shù)V房高度為36 m 時(shí),其頂、底部各4 m 厚的范圍內(nèi)仍然要求充填體的強(qiáng)度R28≥1.85 MPa,中間強(qiáng)度為R28≥1.5 MPa;當(dāng)?shù)V房高度為60 m 時(shí),充填體的強(qiáng)度分為2.45 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa ;當(dāng)?shù)V房高度為72 m時(shí),充填體的強(qiáng)度分為2.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa。二步驟采場(chǎng)充填體一般采用低強(qiáng)度的膠結(jié)充填體即可,取R28≥0.6 MPa。

表3 一步驟20 m 寬礦房底部充填體強(qiáng)度推薦值

表4 礦房高度為36 m 時(shí)充填體強(qiáng)度推薦值

表5 礦房高度為60 m 時(shí)充填體強(qiáng)度推薦值

表6 礦房高度為72 m 時(shí)充填體強(qiáng)度推薦值

2.5 充填體合理暴露面積及護(hù)壁合理厚度

二步驟回采時(shí),采場(chǎng)一邊或者兩邊為充填體,為了保證充填體在整個(gè)采場(chǎng)回采過(guò)程中保持穩(wěn)定和減少爆破的破壞作用,同時(shí)保證良好的爆破效果,關(guān)鍵是要確定充填體合理暴露面積及合理的礦壁厚度(孔邊距)。一步驟充填體暴露側(cè)面積最大達(dá)6480 m2,為了驗(yàn)證充填體能否自穩(wěn),本文采用Mathews穩(wěn)定圖法,確定采場(chǎng)充填體側(cè)幫暴露面積,結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知,3種礦房高度下,充填體強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足自穩(wěn)條件。對(duì)于護(hù)壁厚度目前還沒(méi)有非常完善的理論系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行定量分析,結(jié)合國(guó)內(nèi)外應(yīng)用成功的工程實(shí)例,邊孔距充填體1.5～2.5 m 為宜,結(jié)果見(jiàn)表8。因此本礦護(hù)壁厚度推薦為當(dāng)孔徑為165 mm 時(shí),護(hù)壁厚度為2.2～2.5 m;當(dāng)孔徑為120 mm 時(shí),護(hù)壁厚度為1.5～1.8 m。

表7 Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算的充填體側(cè)幫暴露面積

表8 不同礦山護(hù)壁厚度

3 工程實(shí)踐

二步驟回采時(shí),一步驟充填體穩(wěn)定性良好,未出現(xiàn)大面積垮塌現(xiàn)象,表明充填體質(zhì)量能夠滿(mǎn)足井下礦體回采技術(shù)要求,實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 一步驟充填體側(cè)幫現(xiàn)狀圖

4 結(jié)論

(1) 不同理論方法計(jì)算的充填體應(yīng)力變化規(guī)律相似,隨礦房高度的增加,充填體強(qiáng)度幾乎呈線(xiàn)性增長(zhǎng),且除覆巖承重計(jì)算法外,其他計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果增長(zhǎng)速度幾乎相同;同一礦房高度時(shí),各種理論方法計(jì)算結(jié)果相差不大,平均相差0.346 MPa。

(2) 礦房高度相同時(shí),隨礦房高度的增加,壓應(yīng)力逐漸減小,充填體底部壓應(yīng)力最大,且在充填體下部表現(xiàn)出成拱效應(yīng);礦房高度不同時(shí),隨礦房高度增加,最大主應(yīng)力逐漸增加。

(3) 采用公式法、類(lèi)比法及數(shù)值模擬3種方法最終確定了一步驟充填體底部所需要的強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V房高度為36 m 時(shí),充填體強(qiáng)度分別為1.85 MPa和1.5 MPa;當(dāng)?shù)V房高度為60 m 時(shí),充填體的強(qiáng)度分別為2.45 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa;當(dāng)?shù)V房高度為72 m 時(shí),充填體的強(qiáng)度分別為2.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa。二步驟采場(chǎng)充填體一般采用低強(qiáng)度的膠結(jié)充填體即可,取R28≥0.6 MPa。

(4) 采用Mathews穩(wěn)定圖法確定3種不同礦房高度下,充填體強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足自穩(wěn)條件。研究結(jié)果表明,當(dāng)孔徑為165 mm 時(shí),護(hù)壁厚度為2.2～2.5 m;當(dāng)孔徑為120 mm 時(shí),護(hù)壁厚度為1.5～1.8 m。