嗣后充填多礦柱同時回采充填體側向位移研究①

張愛卿， 李金云， 吳愛祥， 王貽明

（1.北華航天工業學院 建筑工程學院，河北 廊坊 065000； 2.北京科技大學 膏體充填采礦技術研究中心，北京 100083）

隨著礦產資源日益枯竭以及礦山生產的迫切需求，礦柱的安全高效回采已成為許多礦山企業面臨的難題。 礦房內礦石開采后采空區殘留礦柱起到支撐空區頂板的作用，導致礦柱應力集中，尤其是一些特殊工況下，比如該中段的上下中段礦房均已開采、只有上下礦段對應的礦柱存在時，礦柱的回采形式就成為保證礦柱安全高效回采的關鍵。 合理的礦柱回采方式對于提高礦床資源采出率、實現礦山可持續發展具有重要意義［1－5］。

近年來，專家學者對礦柱的回采形式進行了大量研究［6－9］，但都是針對嗣后充填礦柱連續回采展開，對于多礦柱同時回采的研究報道相對較少。

本文建立了3個礦柱同時回采模型，總結文獻研究成果和多年現場實踐經驗，確定影響充填體側向位移的主要因素為礦柱一次回采高度、礦房寬度、礦柱跨度和充填體強度，并結合某鉛鋅礦實際開采情況，分析了礦柱一次回采高度、礦柱跨度、礦房寬度及膠結充填體強度對充填體側向位移的影響規律，最終確定了該鉛鋅礦適宜的礦柱一次回采高度和充填體強度值。 研究成果對其他類似金屬礦山進行礦柱回采具有一定借鑒意義。

1 嗣后充填多礦柱同時回采的有限元模型

嗣后充填多礦柱回采示意圖如圖1 所示，圖中h為礦柱一次回采高度，b為礦柱跨度，B為礦房寬度。本文提及的充填體側向位移，對于1＃礦柱左側的充填體僅考慮其靠近空區的一側，對于2＃礦柱左側的充填體考慮兩側的位移值，由于該模擬是對稱的，分析僅針對模型左側，同時，定義1＃礦柱左側充填體的側向位移值為單側位移，2＃礦柱兩側充填體的側向位移值為雙側位移。

圖1 嗣后充填多礦柱回采示意圖

根據圖1 建立模型并劃分網格，以垂直礦體走向為X軸方向，沿礦體走向為Y軸方向，模型的高為Z軸方向。 運用有限元軟件FLAC3D中Mohr-Coulomb 模型進行彈塑性分析，由于礦山賦存礦體和圍巖巖體是一個復雜地質構造體，為便于計算且快速收斂，對巖體介質性質及計算模型等做以下假設：

1） 將礦體和巖體視為各向同性、連續均質的力學介質體；

2） 忽略不良地質構造的影響，如斷層、節理裂隙等；

3） 計算過程只在靜荷載下進行，不考慮地下水、地震及爆破振動等動力對空區穩定性的影響。

考慮設計開采范圍周圍巖體受采動影響范圍的大小，將模型尺寸擬定為長410 m、寬210 m、高600 m，建立的三維數值模型如圖2 所示。 初始模型采用四面體單元剖分，重點剖分礦柱部分，精度以確保無畸變單元為原則并在局部適當加密。 數值模擬離散后的模型六面體單元數共140 000個網格。

圖2 FLAC3D數值模擬模型

數值計算采用文獻［10］中的動態強度折減法，僅對充填體的內摩擦角和黏聚力值按照一定比例折減，分析多礦柱回采后兩側充填體水平位移場的變化規律。

2 工程實例

某鉛鋅礦礦體采用淺孔留礦法進行開采，礦房垂直礦體走向布置，目前開采工作面在860 m 中段，垂直距離地表深度235 m，開采順序為：先采礦房，形成礦柱支撐采空區，對空區充填后再回采礦柱（見圖1）。礦房結構參數為長35 m、寬15 m、高50 m，礦柱結構參數為長35 m、寬9 m、高50 m。

參考凡口鉛鋅礦及國內其他金屬礦山有關嗣后充填礦柱回采時選取的參數，假設礦柱跨度分別取值6 m、9 m 和12 m，礦房寬度分別取值12 m、15 m 和20 m，充填體強度分別取值1.5 MPa、2 MPa 和2.5 MPa，礦柱一次回采高度分別取值4 m、6 m 和8 m。

2.1 礦柱及充填體物理力學參數

某鉛鋅礦上盤、下盤巖性均為安山質凝灰巖，礦體樣本為含銀鉛鋅原生硫化礦礦石，通過現場取芯測試其物理力學參數，結果見表1。

表1 某鉛鋅礦巖石物理力學參數

通過對礦區內外部開采技術條件進行綜合技術經濟分析，確定礦山的充填方式為全尾砂膠結充填。 全尾砂從選廠取出運送到實驗室，采用PC32.5 級復合硅酸鹽水泥，根據影響充填體強度的主要因素、坍落度實驗觀察到的料漿流動情況，設計灰砂比1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12 共5 組，料漿濃度分別取76%、74%、72%、70%共4 組，合計20 組不同材料配比實驗。 選取充填體28 d 抗壓強度為1.5 MPa、2 MPa 和2.5 MPa 的物理力學參數，見表2。

表2 充填體物理力學參數

2.2 充填體側向位移影響因素分析

2.2.1 一次回采高度的影響

假定礦柱高度50 m、跨度9 m、礦房寬度15 m、充填體強度2 MPa，以一次回采高度h＝4 m、6 m 和8 m為例，研究了一次回采高度對充填體側向位移的影響，選取礦柱回采后每隔1 m 所對應的充填體側向位移數值繪制成圖，如圖3 所示。 從圖3可以看出，充填體雙側側向位移較單側側向位移值大，不論礦柱回采高度是否變化，充填體側向位移變化均呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側向位移隨著礦柱一次回采高度增加而增大。 對于全尾膠結充填體來說，產生的側向位移值越小越好。 因此，一次回采高度4 m 是安全的回采高度。

圖3 礦柱一次回采高度對充填體側向位移的影響

2.2.2 礦柱跨度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦房寬度15 m、充填體強度2 MPa，以礦柱跨度b＝6 m、9 m 和12 m 為例，研究了礦柱跨度對充填體側向位移的影響，結果見圖4。 從圖4可以看出，充填體雙側側向位移較單側側向位移值大，充填體側向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側向位移值隨著礦柱跨度增加而增大，呈正相關變化規律。

圖4 礦柱跨度對充填體側向位移的影響

2.2.3 礦房寬度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦柱跨度9 m、充填體強度2 MPa，以礦房寬度B＝12 m、15 m 和20 m 為例，研究了礦房寬度對充填體側向位移的影響，結果如圖5 所示。 從圖5可以看出，充填體雙側側向位移較單側側向位移值大，充填體側向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。充填體側向位移值隨著礦房寬度增加而減小，呈負相關變化規律。

圖5 礦房寬度對充填體側向位移的影響

2.2.4 充填體強度的影響

假定礦柱高度50 m、一次回采高度6 m、礦房寬度15 m，礦柱跨度9 m，以充填體強度P＝1.5 MPa、2 MPa和2.5 MPa 為例，研究了充填體強度對充填體側向位移的影響，結果如圖6 所示。 從圖6可以看出，充填體雙側側向位移較單側側向位移值大，充填體側向位移呈凸拋物線形分布，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 充填體側向位移值隨著充填體強度增加而減小，呈負相關變化規律。

圖6 充填體強度對充填體側向位移的影響

2.2.5 極差分析結果

對上述4 組數據分別求極差，一次回采高度、礦房寬度、礦柱跨度和充填體強度的極差分別為0.75、0.9、0.85 和0.55。 根據極差分析判斷上述4個影響因素對充填體側向位移產生的敏感程度由大到小為：礦房寬度、礦柱跨度、一次回采高度和充填體強度，如果將充填體作為礦柱來考慮的話，充填體側向位移敏感程度的排序與文獻［7］研究結論一致。

2.3 工程實例中P 和h 的確定

大量工程實踐表明，充填料漿沉縮后導致充填體接頂困難［11－12］，因此，采用高水自立強度公式來確定充填體強度P［9］：

式中P為充填體自立強度，MPa；L為礦房長度，m；H為礦房高度，m；W為礦房寬度，m；γ為充填體密度，g/cm3；C為充填體黏結強度，MPa；φ為充填體內摩擦角，（°）；α為充填材料坍塌角，（°），α＝45°＋φ/2；k為側壓系數；φ1為圍巖摩擦角，（°）；C1為圍巖黏結強度，MPa。

將礦房結構參數和表2 數據代入式（1）中，得出充填體強度2.5 MPa 時，可以滿足充填體自立要求。

假定3個礦柱同時一次回采高度分別為4 m、6 m和8 m，通過數值計算，得到充填體側向位移（雙側）隨一次回采高度變化規律如圖7 所示。 從圖7可以看出，充填體側向位移與礦柱一次回采高度呈正相關。一次回采高度4 m 時，充填體側向位移最小，從礦柱回采安全角度考慮，確定某鉛鋅礦的一次回采高度為4 m。

圖7 不同一次回采高度下充填體雙側側向位移變化規律

3 結 論

1） 3個礦柱同時回采時，充填體雙側側向位移值大于單側側向位移值，充填體側向位移最大值出現在礦柱高度中間位置，由礦柱靠近中央位置向兩端逐漸減小。 最大側向位移值隨著一次回采高度增大而增加，隨著礦柱跨度增加而增大，與礦房寬度和充填體強度呈負相關。

2） 極差分析結果表明，一次回采高度、礦柱跨度、礦房寬度和充填體強度4個影響因素對充填體側向位移產生的敏感程度由大到小排序為：礦房寬度、礦柱跨度、一次回采高度和充填體強度。

3） 對于某鉛鋅礦，當礦房、礦柱結構參數固定時，利用高水自立強度公式計算出充填體自立強度值為2.5 MPa，從礦柱回采安全性考慮，最終確定3個礦柱同時回采時一次回采高度為4 m。