高階段采場充填體強度影響因素敏感性分析

魏福海，王忠強

(安徽馬鋼羅河礦業有限責任公司，合肥 231500)

羅河鐵礦是大型地下礦山，礦體厚大，空間形態復雜，埋藏較深。目前主要采用大直徑深孔落礦階段空場嗣后充填采礦法，分兩步驟回采，采場最高達 85 m，長72 m，一步采場寬15 m，二步采場寬21 m，單個采場空區體積最大達12.85萬m3，充填體側向暴露面積達5 000～6 200。采場按隔一采一的順序回采，一步驟采空區用膠結充填，當膠結充填體達到養護強度時，再二步驟回采礦柱，采用尾砂或摻和少量膠凝材料充填。

高階段采場膠結充填兩步驟回采過程中，圍巖及礦柱應力分布、位移隨著開采活動的進行發生著變化，一步和二步回采引起的地壓反應相差很大。膠結充填體承受著上部覆巖層載荷(頂板壓力)的同時，還承受著自重、上(下)盤圍巖及兩側原生礦柱應力釋放、采場生產爆破沖擊等力學環境的作用，具有復合型、反復性等特點，采場的順利回采是羅河鐵礦高產、穩產的保證，采場膠結充填的穩定性直接關系著礦柱是否能夠順利回采。

1 高階段采場充填體強度影響因素

在假定其他不確定因素不變的條件下，選取影響充填體強度需求的主要因素有采場寬度、高度、長度和膠結充填體自身的內摩擦角[1]。通過充填體力學實驗、應力解析模型、強度需求計算等方法，得出各因素與充填體強度需求的關系如圖1所示。

圖1 各影響因素與充填體強度需求關系Fig.1 Relationship between influence factors and strength demand of filling body

1.1 采場寬度

充填體所需強度隨寬度的變化關系如圖 1(a)所示：在其他影響因素不變的情況下，若充填體寬度增大，其保持穩定所需要的強度明顯降低。由于充填體寬度增大，相鄰的圍巖及充填體對該充填體的相互作用隨之增大，使充填體內部的應力變小，因而充填體保持穩定所需的強度也大大降低[2]。由此可見，增大充填體的寬度，有利于提高充填體自立的穩定性。

1.2 采場高度

充填體高度與自立所需的強度如圖 1(b)所示，由曲線可知：隨著充填體高度的增加，自立所需的強度隨之增加，且近似線性增長，充填體高度對穩定性的影響較為顯著。

1.3 采場長度

充填體長度對所需強度的影響也是很明顯的。如圖1(c)所示：充填體要求的強度隨著長度的增加而增大，充填體長度越長，相鄰圍巖及其他充填體與該充填體的相互作用就越弱，充填體只有通過提高自身強度來保持自立。

1.4 內摩擦角

充填體自立強度與內摩擦角之間的關系曲線圖 1(d)所示：保持其他影響因素不變的前提下，內摩擦角越小，充填體所需的強度也越小，且強度變化范圍較小。內摩擦角的大小主要影響滑移面與水平面的夾角。

2 影響因素敏感性分析

考慮采場尺寸的多樣性和復雜性，同時主要探討采場寬度、采場高度和采場長度以及內摩擦角對需求充填體抗壓強度的影響，利用BOX-BEHNKEN 設計法開展試驗，根據設計原理進行四因素三水平響應量分析實驗，影響因素及水平見表 1。

其中，表中中心水平為基準組，編碼值根據公式(1)計算：

Χi=(xi-x0)/Δx

(1)

式中：Χi為自變量xi的編碼值，x0為自變量在中心點的值，Δxi為自變量變化步長。

通過計算得出各種參數情況下，礦山能夠安全生產所需要膠結充填體的抗壓強度，結果見表2。

表1 響應量影響因素及水平

表2 充填體抗壓強度需求計算結果

由表 2 可知，在充填體強度需求響應面回歸模型中，采場寬度、采場高度、采場長度及膠結充填體的內摩擦角對充填體強度需求的影響均極顯著，其敏感度順序為：采場寬度>采場長度>采場高度>內摩擦角；各因素之間的交互作用顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，采場寬度與長度、內摩擦角的交互作用顯著，采場高度與長度的交互作用顯著，采場高度與內摩擦角、采場長度與內摩擦的交互作用不顯著[3]。各因素交互作用如圖2所示。

根據充填體抗壓強度需求計算結果，采用Design-expert 軟件擬合充填體強度需求影響因素與響應量的響應面函數為：

(2)

響應面函數擬合的相關系數平方R2為0.996 3。對響應面回歸模型進行方差分析，見表3。其中，p>0.05 表示該因素影響不顯著，p<0.05 表示該因素影響比較顯著，p<0.0001 表示該因素影響極顯著。

表3 充填體強度需求回歸模型方差分析

圖2 充填體強度需求影響因素交互作用Fig.2 Interaction of factors influencing strength demand of filling body

對比圖2(a)和(b)可知，采場寬度與高度交互作用的顯著性是高于采場寬度與長度的交互作用的。由圖2(b)可知，隨著采場長度的增加，充填體強度需求逐漸變大，長度對強度需求的影響與寬度有關，隨著寬度的逐漸減小，高度對充填體強度需求影響敏感性越來越強[4]。因此，綜合分析可知充填體寬度宜選擇 15～25 m，長度選擇低于65 m。

對比圖2(b)和(c)可知，采場寬度與內摩擦角交互作用的顯著性低于采場寬度與長度的交互作用。由圖2(c)可知，內摩擦角對強度需求的影響與寬度有關，隨著寬度的逐漸減小，內摩擦角對充填體強度需求影響敏感性越來越強。因此，綜合分析可知充填體寬度宜選擇 15～25 m，內摩擦角影響不敏感。

由圖2(d)可知，采場長度與采場高度的交互作用不顯著，兩者綜合影響較弱。

3 結論

1)采場寬度與其他因素的交互作用均較為顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，因此，在生產實際中應嚴格控制采場邊界，保證充填體的寬度大于15 m。

2)充填體的強度需求與采場結構、礦體深度及充填體暴露面積相關。膠結充填體寬度越小，底部側壓應力沿寬度方向的關系曲線越陡，變化率越大；暴露高度越高，內部最大剪切應力越大。因此，在采礦設計中，增大膠結充填體寬度、降低充填體暴露高度有利于嗣后采場充填體的穩定性。

3)充填體暴露高度越高，充填體內垂直應力越大；且充填體強度越低，隨采場高度的增加充填體內垂直應力增長率變大，表明強度越低，充填體高度對其垂直應力的影響越敏感。

4)充填體強度需求影響因素敏感度順序為：采場寬度>采場長度>采場高度>內摩擦角；各因素之間的交互作用顯著，其中采場寬度與高度的交互作用極顯著，采場寬度與長度、內摩擦角的交互作用顯著，采場高度與長度的交互作用顯著，采場高度與內摩擦角、采場長度與內摩擦角的交互作用不顯著。因此，在生產實際中應嚴格控制采場邊界，保證充填體的寬度大于15 m，有利于充填體的穩定性。