階段嗣后充填體穩定性分析與采場結構參數優化

周 樂，許衛軍，姚 維，邱景平，任玉東

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.長春黃金研究院，吉林 長春 130012；3.凌源日興礦業有限公司，遼寧 朝陽 122000)

階段嗣后充填采礦方法是空場采礦法和充填法的結合體，不但具有生產效率高、資源回收強度大等優點，還可以對地壓進行有效控制，正逐漸成為國內外開采“三下”礦山的重要方法之一[1-3]。雖然該方法已被廣泛應用，但其中關于充填體強度的設計，國內礦山還主要采用經驗公式法或類比法，這必然會造成經濟上的不合理性或回采過程中的不安全性。因此，確定充填體的合理需求強度至關重要。國內外學者已經進行了大量研究，盧平[4]從考慮充填料強度特性的角度出發，對Thomas模型進行了修正；蔡嗣經[5]通過對國內外礦山充填體強度進行歸納分析，得出了充填體強度與其高度的半立方拋物線關系式；LIU等[6]、杜坤等[7]根據圍巖開挖釋放能量與充填體積蓄應變能相近原則，得到了考慮原巖地應力的膠結充填體強度設計公式；魏曉明等[8]推導了一步采中膠結充填體極限側壓狀態下的數學模型，并將其用于充填配比設計。基于以上研究成果，本文以傲牛鐵礦三采區128線以南礦體為工程背景，根據充填體與圍巖相互作用機理，確定了充填體強度與采場尺寸的匹配關系，為傲牛鐵礦礦石回采提供了理論指導，為類似金屬礦山階段空場嗣后充填采礦開采提供理論參考。

1 礦體開采技術條件

傲牛鐵礦三采區128線以南礦體主要以急傾斜厚礦體為主，平均傾角75°，平均厚度15 m，礦體延深不大，最大為124線延深100 m，礦體形態變化較大，膨縮和分枝現象顯著，礦體圍巖主要為角閃混合花崗巖和角閃斜長片麻巖，圍巖穩固性好。礦區西側為尾礦庫，東側為選廠，為減小礦體開采對地表工程的影響，設計采用階段礦房嗣后充填采礦法進行開采。

傲牛鐵礦前期在回采128線以北殘留礦柱時，利用礦山全尾砂與普通硅酸鹽水泥進行了一系列充填體室內試驗，從塌落度、泌水率、流動度等多方面因素分析，確定了充填料漿濃度為76%時為最優料漿濃度[9]，并將試驗結果成功應用到礦柱的回收過程。不同灰砂比的充填體力學參數見表1。

表1 膠結充填體力學參數Table 1 Mechanical parameters of cemented backfill

2 礦房充填體穩定性分析

未采礦柱給礦房充填體的側壓力可用式(1)進行計算[10]。

(1)

式中：γ為礦石的容重，kN/m3；x為充填體沿高度方向坐標；φ為礦石與充填體接觸面上的有效摩擦角，其值可近似取充填體的內摩擦角，°。

圖1 礦房充填體受力模型Fig.1 Force model of room backfill

充填體內的水平應力σy主要由未開采礦柱的側向壓力P引起，因此設σy=xf(y)。對于圖1所示的尾砂膠結充填體力學模型，考慮最危險的情形，假設充填體在y方向上無限長，將其即簡化為平面應變問題[11-12]。該模型用應力函數表示見式(2)。

(2)

式中，Φ為應力函數。

利用式(2)對x進行兩次積分處理后代入相容方程4Φ=0,對任意區域內的x、y均成立，需要相容方程有無數個根，則x的系數和自由項必須等于零，可得應力函數Φ見式(3)。

(Ey3+Fy2)

(3)

結合充填體力學模型的應力邊界條件可得充填體剪切應力見式(4)[12]。

(4)

式中：λ為側壓力系數，其值為λ=tan2(45°-φ/2)；γ為礦石容重，取35.3 kN/m3；B為充填體寬度，m；ρ為充填體容重，kN/m3。

根據傲牛鐵礦開采技術條件以及類似礦山開采經驗，取礦房膠結充填體寬度為20～40 m，暴露高度為40～60 m，并根據表1的充填體力學參數，將其代入式(4)中得到不同配比充填體底部沿寬度B、高度H方向的剪切應力分布圖，如圖2所示。

圖2 各配比的充填體在不同高度和寬度時的剪切應力分布圖Fig.2 Distribution of shear stress of filling body with different ration under different height and width

由圖2可知：①在膠結充填體的暴露側，剪切應力為零，且沿著充填體寬度方向，剪切應力逐漸增大，但增長率越來越小，直到達到最高點時開始減小，在與未采礦柱接觸處，膠結充填體所受的剪切應力趨向一定值，這是由于膠結充填體在變形過程中與未開采礦體接觸而產生摩擦阻力的原因；②剪切應力曲線與采場高度有關，其高度越高，充填體內出現的剪切應力越大；③剪切應力曲線與采場寬度呈負相關，其寬度越小，曲線越陡，充填體內出現的剪切應力越大；④當H=60 m，B=20～30 m時，只有灰砂比為1∶6的充填體可以保持穩定，而灰砂比為1∶10、1∶20的充填體所受到的剪切應力大于其抗剪強度而發生破壞；當H=50 m，B=20～40 m時，灰砂比為1∶6的充填體會保持穩定，而灰砂比1∶10的充填體，在B=20 m、30 m時會發生破壞，灰砂比為1∶20的充填體在B=20～40 m時，均會發生破壞；當H=40 m，B=20～40 m時，灰砂比為1∶6、1∶10的充填體可以保持穩定，而灰砂比為1∶20的充填體內部最大剪應力為0.3 MPa，達到了其極限抗剪強度，由于充填體內剪應力與充填體呈負相關，與高度呈正相關，因此礦山在采用1∶20充填體進行充填時應降低采場高度，增加采場寬度。

綜上所述，傲牛鐵礦提供的灰砂比為1∶6的充填體適用于高度60 m以下、寬度20 m以上的采場；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度50 m以下，寬度40 m以上的采場；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度40 m以下，寬度40 m以上的采場。

由于礦體東側、西側分別存在選廠和尾礦庫等重要構筑物，為保證開采不影響其穩定性，則需要考慮較大的安全系數，對采場高度進行折減。參照國內外礦山充填體強度與暴露面積的關系[4]，最終提出以下開采方案：采場高度為40 m，礦房寬度為40 m，礦柱寬度為30 m，采場長度為礦體厚度。一步先采礦房，空區用灰砂比為1∶6的料漿進行充填，待充填體達到一定強度后，二步回采礦柱時，礦柱開采完畢一次性用灰砂比1∶10～1∶20的充填料漿進行及時充填，以保證沉降對地表構筑物的影響最小。礦房礦柱布置圖見圖3。

圖3 礦房礦柱布置圖Fig.3 Layout of mine room and pillar

3 結 論

1) 建立了充填體單側暴露的力學模型，通過平面應變問題得出了充填體內剪應力表達式，即式(4)。

2) 利用推導出的剪應力公式計算出傲牛鐵礦灰砂比為1∶6、1∶10、1∶20的充填體在保持穩定的前提下所能達到的最大高度與寬度。灰砂比為1∶6的充填體適用于高度在60 m以下、寬度20 m以上的采場；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度在50 m以下、寬度在40 m以上的采場；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度在40 m以下、寬度在40 m以上的采場。

3) 根據傲牛鐵礦開采技術條件及計算結果，確定采場參數：礦房高40 m，寬40 m，采用灰砂比1∶6，料漿濃度76%進行充填；礦柱高40 m，寬30 m，采用灰砂比1∶10～1∶20，料漿濃度76%進行充填。

本文的研究結果可以為國內類似礦山設計和開采提供參考，并有利于確定采場膠結充填體的強度需求，優化采場結構參數，達到增強采充過程安全性的目的。