進路式膠結(jié)充填采礦人工假底穩(wěn)定性力學(xué)分析

李旺

摘要：人工假底的穩(wěn)定性是下向進路充填法安全高效開采的關(guān)鍵，文章以云南某鉛鋅礦為工程背景，為了確保開采過程中的安全，提高礦體回收率，應(yīng)用彈性力學(xué)理論、薄板問題，建立人工假底力學(xué)模型，對該礦1880～1964m中段氧化鉛鋅礦回采過程中人工假底的穩(wěn)定性進行理論計算分析。研究結(jié)果表明，該礦采用全進路膠結(jié)充填，人工假底能夠保證回采期間的安全和穩(wěn)定。

Abstract： The stability of artificial false bottom is the key to safe and efficient mining by downward filling method. This paper takes a lead-zinc mine in Yunnan as an engineering background. In order to ensure the safety of mining process and improve the recovery rate of ore body， the mechanical model of artificial false bottom is established by applying elasticity theory and thin plate problem. The oxygen content in the mid-section of 1880～1964m of the mine is calculated. The stability of artificial bottom in the mining process of chemical lead-zinc mine is calculated and analyzed theoretically. The results show that the full-roadway cemented backfilling can ensure the safety and stability of the mining process.

關(guān)鍵詞：膏體充填人工假底;進路充填法;力學(xué)模型;薄板問題

Key words： paste filling artificial base;approach filling method;mechanical model;thin plate problem

中圖分類號：TD853.34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）25-0165-03

0 ?引言

現(xiàn)代采礦技術(shù)中，大多數(shù)金屬礦采用人工假底技術(shù)。人工假底技術(shù)是由長春黃金研究院于20世紀80年代初提出，在紅花溝金礦實施了鋼筋混凝土假底[1]，該技術(shù)在促進金屬礦山資源回收方面起到顯著作用。隨著地表開挖工程與日俱增，不斷揭露出的礦山工程巖體特征復(fù)雜多變，給頂?shù)装逯ёo以及加固維護等造成極大困難，頂?shù)装迤扑樗萏卣饔邮艿焦こ碳夹g(shù)人員的重視，為此大量研究人員對此展開了許多卓有成效的研究，即人工假底的應(yīng)用現(xiàn)狀、力學(xué)計算和穩(wěn)定性分析。

在現(xiàn)代采礦技術(shù)中，眾多礦山使用人工假底包括鋼筋混凝土假底、鋼結(jié)構(gòu)假底、膏體充填假底、坑木假底、鋼筋網(wǎng)柔性隔離假底等5種類型。目前，部分學(xué)者對人工假底的設(shè)計和穩(wěn)定性分析考慮已展開研究，巖體結(jié)構(gòu)受應(yīng)力環(huán)境開挖擾動等因素影響極其復(fù)雜，如周磊、王歡等[2]利用數(shù)值模擬軟件技術(shù)對人工假底厚度、力學(xué)及安全穩(wěn)定性分析;石明超、杜飛、張小瑞[3]也采取數(shù)值模擬軟件技術(shù)分析礦體在開挖過程中應(yīng)力與位移變化特征;石明超、周洋等[4]應(yīng)用人工假底承載拱原理，對人工假底進行設(shè)計與施工;肖柏林、楊志強等[5]基于毛坪鉛鋅礦原有的采礦方法，通過現(xiàn)場實踐、研究調(diào)查，建立了一個完整、安全、可靠的充填工藝，完成人工假底的制作;紀曉飛、童大志、曲展鵬等[6]基于理論推導(dǎo)和計算，得出合理的人工假底施工參數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外礦山應(yīng)用人工假底技術(shù)，通過不同的礦山地質(zhì)概況，相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)，對一些金屬礦山的人工假底施工與設(shè)計提供良好的條件。

顯然，上述大部分研究集中于應(yīng)用數(shù)值模擬軟件和建立數(shù)學(xué)模型來計算人工假底的穩(wěn)定性和參數(shù)的確定，多年來許多專家、學(xué)者都對人工假底進行了大量的研究，取得了一些研究成果，但由于人們對人工假底穩(wěn)定性的理論分析還較為欠缺。文章以云南某鉛鋅礦為背景，考慮膏體充填體抗拉強度對人工假底的影響，建立人工假底力學(xué)模型，對膠結(jié)充填體人工假底穩(wěn)定性進行理論分析，以期為同類礦山的安全回采與人工假底設(shè)計提供參考與理論指導(dǎo)。

1 ?工程概況

云南某鉛鋅礦1#礦體的上部氧化礦主要集中在1880～1964m之間，礦石主要呈散體結(jié)構(gòu)，松散破碎，遇水易泥化，且賦存深度比較深，原巖應(yīng)力比較大，采礦環(huán)境復(fù)雜。礦體頂?shù)装鍨榛規(guī)r或白云巖，礦體產(chǎn)狀與圍巖一致。圍巖多以0.5～2m的厚層狀為主，具有一定的抗壓強度，穩(wěn)固性隨裂隙發(fā)育程度變化。礦體回采擬采用穩(wěn)定系數(shù)較高、貧化損失小、機械化程度高的自上而下進路式膠結(jié)充填采礦法，進路斷面尺寸為3m×3m，長為礦體厚度。該采礦方法可以有效保持圍巖的穩(wěn)定性，減少圍巖的移動，防止采空區(qū)的大規(guī)模崩落。進路礦石全部回采完后進行場地平整及假底制作，然后使用膏體材料進行全進路充填進而形成假底，充填前在進路底部布筋。

膏體充填形成假底方法效率高、成本低、勞動強度低、粘結(jié)力比較大，抗壓強度較高。 膏體充填假底通常類似于鋼筋混凝土，只是把混凝土替換成了膏體充填，通過增加水泥與砂子的比例來滿足強度要求，該礦山膏體充填人工假底灰砂比1：4，充填體7d強度≥2MPa，28d強度≥4MPa。

2 ?人工假底穩(wěn)定性分析

2.1 力學(xué)模型

在下向進路充填采礦法中，采礦進路的頂板是膏體充填假底，而人工假底的上部仍然為膠結(jié)充填體。假設(shè)開采進路1時兩側(cè)礦體已開采且全部充填（圖1），根據(jù)薄板的彎曲理論，把進路兩側(cè)的充填體可看成彈性基礎(chǔ)在彈性基礎(chǔ)范圍內(nèi)，人工假底比作 “薄板”，建立如圖2所示人工假底“薄板”空間模型。把假底問題看成薄板彎曲問題（應(yīng)用彈性力學(xué)知識承壓拱理論[7]進行求解）建立薄板力學(xué)模型并進行受力分析如圖3所示。

基于人工假底的破壞形式主要為彎曲拉伸破壞。在圖3中，沿Oy軸的輪廓將承載層分為X≤0和X≥0左右兩種情況，如圖3b和圖3c所示，人工假底所受的切向剪力為T0，彎矩為M0。由于圖3是對稱結(jié)構(gòu)，所以采用上述模型中的圖3c部分（即X≥0）進行分析與計算。根據(jù)薄板理論[8]，有下述兩種分析情況：

4 ?結(jié)論

①人工假底破壞形式主要為彎曲拉伸破壞，充填體強度對人工假底起著重要的作用。

②就該礦山而言，人工假底最大彎矩發(fā)生在人工假底中間位置。

③通過計算，該礦山膏體充填人工假底穩(wěn)定性系數(shù)較高，穩(wěn)定性良好，可確?；夭善陂g采場頂板的安全。

參考文獻：

[1]龔新華，侯克鵬，孫健.人工假底在金屬礦山的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].中國鎢業(yè)，2014（1）：21-24.

[2]周磊.基于ANSYS數(shù)值模擬的人工假底設(shè)計與安全性分析[J].金屬礦山，2018，47（10）：46-51.

[3]石明超，杜飛，張小瑞.基于FLAC～（3D）下向進路采場參數(shù)優(yōu)化[J].黃金，2016，37（7）：36-39.

[4]石明超，周洋，杜飛.近海破碎金礦體開采人工假底設(shè)計與施工[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015（4）：203-204.

[5]肖柏林，楊志強，高謙.下向進路式充填采礦方法在毛坪鉛鋅礦的應(yīng)用研究[J].有色金屬（礦山部分），2014，66（06）：4-8.

[6]紀曉飛，童大志，曲展鵬，王冠男.充填體下人工假底模型分析與設(shè)計[J].采礦技術(shù)，2018，18（06）：35-37.

[7]常麗娜，易南概，趙儉斌.噴錨支護中的承壓拱理論及實驗研究[J].北方交通，2006（11）：61-63.

[8]王紅衛(wèi)，陳忠輝，杜澤超，等.彈性薄板理論在地下采場頂板變化規(guī)律研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006（S2）：3769-3774.

[9]劉志義，甘澤，甘德清，等.近海礦體開采人工假底厚度優(yōu)化及工程應(yīng)用[J].金屬礦山，2016，45（8）：54-57.

[10]周磊，王歡.基于ANSYS數(shù)值模擬的人工假底設(shè)計與安全性分析[J].金屬礦山，2018，508（10）：52-57.