某礦充填體合理強度研究

李再易,尹麗冰,孫遠江,龔永超,陸錦濤,周禮

(1.新疆瑞倫礦業有限責任公司,新疆 哈密市 839000;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012)

0 引言

充填采礦法作為一種重要的礦山開采方法,近年來得到了廣泛的應用[1-5]。充填采礦法通過將廢棄物和尾礦等固體廢料回填到采空區,形成穩定的充填體支撐和穩定采場,從而實現安全高效的礦山開采。在充填采礦過程中,充填體的合理強度是確保采場穩定性和礦山安全生產的關鍵因素,特別是在兩步驟回采中,合理控制充填體的強度是確保二步驟礦石資源得到有效回采的關鍵因素,需要充填體具備足夠的強度來抵抗第二步驟回采時圍巖體產生的應力變化和變形,從而保障采場的穩定性和回采安全。因此,對于兩步驟回采中充填體合理強度的研究顯得尤為重要。對于充填體強度的計算,國內已有大量研究,李德賢等[6]量化分析了采空區內充填體臨界強度及固化時間的合理范圍,通過定量分析確定某礦山一步驟采空區充填體的臨界強度為1.9 MPa,固化時間26 d后,方可進行二步驟礦體回采。吳大瑋[7]通過FLAC3D 研究不同強度充填體在各步驟回采過程中的受力及破壞情況,確定了距離采場頂底板各10 m 內充填體強度為1.5 MPa,而中部為1.0 MPa,該方案具有充填體穩定、破壞最小、經濟合理的特點。周華林[3]通過FLAC3D 對不同高度上不同充填體強度下,頂板、底板和礦柱穩定性進行了分析,得到了充填體合理強度分布情況。張興前等[9]采用理論計算與數值模擬兩種方法確定了挑水河磷礦的充填體強度。王旭鋒等[10]提出采用高泡材料進行頂部充填,以減少材料用量和優化支護效果。朱志彬等[11]采用類比法、模型法等充填體強度計算方法,計算了充填體保持穩定的強度。曾凌方等[12]通過FLAC3D 對采場充填體強度進行了優化。王作鵬等[13]基于主成分分析法,根據數值模擬獲得的不同礦柱寬度和充填體強度下礦柱最大壓應力和剪應力、位移及塑性區占比,構建礦柱穩定性綜合評價指標,并以礦柱穩定和經濟效益最優為目標,最終確定礦柱寬度和充填體強度。

本文根據以往研究成果及實踐經驗,以某礦為工程研究背景,采用理論計算、工程類比和數值模擬相結合的方式,研究了充填體強度在高度上的分布規律,確定充填體合理強度,并推薦了護壁厚度,為類似礦山充填提供參考依據。

1 工程背景

某礦初步設計采用空場采礦法開采,采礦方法以無底柱分段崩落法為主,部分礦段采用分段空場采礦法和淺孔留礦采礦法[14-16]。但由于近年來礦區被市政府納入生態林保護區,出于環保的需要,礦山決定自200 m 中段以下改為充填采礦法。變更后的充填采礦法依據礦體的賦存條件和分布狀態,細分為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;盤區分段礦房階段充填采礦法;盤區大直徑深孔階段礦房充填采礦法。充填采場中,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,采場長度為90 m。

2 充填體合理強度確定

2.1 充填體強度理論計算

國內外的采礦科技工作者對確定膠結充填體強度提出了很多理論計算方法,本文選取了托馬斯(Thomas)模型法、太沙基(Terzaghi)模型法、米切爾(Mitchell)計算法、覆巖承重計算法和蔡嗣經經驗公式法共5種理論計算方法,對某礦井下礦房充填體的應力情況進行計算,各種方法的計算結果見表1及圖1。由表1及圖1可知,不同理論方法計算的充填體應力變化規律相似,隨著礦房高度的增加,充填體應力幾乎呈線性增長,且除覆巖承重計算法外,其他方法的計算結果增長速度幾乎相同;同一礦房高度時,各種理論方法計算結果相差不大,平均相差0.346 MPa。

圖1 不同礦房高度下充填體應力

表1 不同礦房高度下充填體應力

2.2 充填體強度類比

類比法是一種簡單實用的方法,它通過對比類似的工程實例來推導充填體的強度參數[17-20]。不同礦山由于開采技術條件不同,類比法并不完全適用,但可以初步估算充填體強度,而且這種方法簡單快捷,不需要復雜的數學模型和大量的數據。通過類比法分析類似礦山充填情況,結果見表2,由表2可知,李樓-吳集鐵礦礦房高度為100 m,一步驟充填強度設計要求為R28≥3.0 MPa,實際灰砂比為1∶4的井下充填體單軸抗壓強度為8.07 MPa,采場充填體未曾出現大范圍的跨塌現象;安慶銅礦礦房高度為115 m,實際充填體強度為0.12～3.58 MPa,其中強度小于1.25 MPa的試樣占總數的89.3%,強度范圍在0.50～1.00 MPa 間的試樣占總數的70.7%,后期由于充填質量控制不嚴,出現部分垮塌現象;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 的試塊強度為2.04～3.66 MPa,基本上未出現坍塌現象。

表2 類似礦山充填情況

通過分析以上三個具有類似條件礦山的實際應用案例及效果來看,充填體強度變化范圍為0.12～3.58 MPa,結合本礦山實際條件,認為當礦房高度為72 m 時,一步驟采場膠結充填體底部的設計強度R28≥2.8 MPa是可以滿足要求的。

2.3 數值模擬

2.3.1 模型構建

根據某礦實際礦房尺寸,利用三維數值仿真軟件3D-σ軟件建立采場的數值計算模型,本次模擬礦房高度分別為36 m、60 m、72 m 的3種方案,礦房長度為90 m,寬度為20 m,模型各巖層力學參數采用現場所取巖塊經實驗室力學試驗測得的數據,并通過數值模擬進行參數校正。同時考慮計算機模擬速度及結果的精度,充填體采用20節點的高精度等參單元離散模型網格。材料破壞服從Druckerprager塑性屈服準則。

2.3.2 模擬分析結果

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力等值線。由圖2、圖3可知,當礦房高度為36 m 時,最大主應力范圍均為-1.068～-0.290 MPa;當礦房高度為60 m時,最大主應力范圍均為-1.721～-0.436 MPa;當礦房高度為72 m 時,最大主應力范圍均為-2.058～-0.519 MPa。礦房高度相同時,隨礦房高度增加,壓應力逐漸減小,充填體底部壓應力最大,且在充填體下部表現出成拱效應;礦房高度不同時,隨礦房高度增加,最大主應力逐漸增加,礦房高度為36 m 時,充填體內最大壓應力為1.068 MPa,礦房高度為72 m 時,充填體內最大壓應力為1.721 MPa,礦房高度為72 m 時,充填體內最大壓應力為2.058 MPa。

圖2 最大主應力等值線(剖面沿采場長軸方向過短軸的中央)

圖4為不同礦房高度下,y軸方向位移等值線。由圖4可知,當礦房高度為36 m 時,y軸方向位移范圍為-0.037～0 m;當礦房高度為60 m 時,y軸方向位移范圍為-0.098～0 m;當礦房高度為72 m時,y軸方向位移范圍為-0.140～0 m。礦房高度相同時,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,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,充填體位移達到0.140 m,是礦房高度36 m 的充填體位移的3.8倍。

2.4 充填體合理強度

根據前幾節所述,通過采用公式法、類比法及數值模擬3種方法最終確定一步驟充填體底部所需要的強度推薦值見表3。由表3可知,礦房高度為36 m 時,R28≥1.85 MPa;礦房高度為60 m 時,R28≥2.45 MPa;礦房高度為72 m 時,R28≥2.80 MPa。同時,為了進一步降低充填成本,對充填體不同高度的強度進行進一步細化,結果見表4、表5、表6。當礦房高度為36 m 時,其頂、底部各4 m 厚的范圍內仍然要求充填體的強度R28≥1.85 MPa,中間強度為R28≥1.5 MPa;當礦房高度為60 m 時,充填體的強度分為2.45 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa ;當礦房高度為72 m時,充填體的強度分為2.8 MPa、2.0 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa。二步驟采場充填體一般采用低強度的膠結充填體即可,取R28≥0.6 MPa。

表3 一步驟20 m 寬礦房底部充填體強度推薦值

表4 礦房高度為36 m 時充填體強度推薦值

表5 礦房高度為60 m 時充填體強度推薦值

表6 礦房高度為72 m 時充填體強度推薦值

2.5 充填體合理暴露面積及護壁合理厚度

二步驟回采時,采場一邊或者兩邊為充填體,為了保證充填體在整個采場回采過程中保持穩定和減少爆破的破壞作用,同時保證良好的爆破效果,關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面積最大達6480 m2,為了驗證充填體能否自穩,本文采用Mathews穩定圖法,確定采場充填體側幫暴露面積,結果見表7。由表7可知,3種礦房高度下,充填體強度能夠滿足自穩條件。對于護壁厚度目前還沒有非常完善的理論系統可對其進行定量分析,結合國內外應用成功的工程實例,邊孔距充填體1.5～2.5 m 為宜,結果見表8。因此本礦護壁厚度推薦為當孔徑為165 mm 時,護壁厚度為2.2～2.5 m;當孔徑為120 mm 時,護壁厚度為1.5～1.8 m。

表7 Mathews穩定圖法計算的充填體側幫暴露面積

表8 不同礦山護壁厚度

3 工程實踐

二步驟回采時,一步驟充填體穩定性良好,未出現大面積垮塌現象,表明充填體質量能夠滿足井下礦體回采技術要求,實現了礦井安全生產。現場試驗結果如圖5所示。

圖5 一步驟充填體側幫現狀圖

4 結論

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

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

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

(4) 采用Mathews穩定圖法確定3種不同礦房高度下,充填體強度能夠滿足自穩條件。研究結果表明,當孔徑為165 mm 時,護壁厚度為2.2～2.5 m;當孔徑為120 mm 時,護壁厚度為1.5～1.8 m。