三鑫金銅礦保安礦柱回收合理充填體強度研究

劉小春 張小瑞 劉博

摘要：為安全回收三鑫金銅礦的保安礦柱并保證充填采場的穩定性，對采場的合理充填體強度進行理論計算，并對不同充填體強度（灰砂比）下采場穩定性進行了數值模擬，確定了合理充填體強度。結果表明：采場充填體所需合理強度主要與采場長度和充填體高度有關，對于長度20～60 m、高度40 m的保安礦柱采場，充填體強度需達到3.5 MPa以上，其周邊區域巖移量不超過2 mm，在設計規范允許的范圍內，能夠保障安全。

關鍵詞：保安礦柱；充填采礦法；合理充填體強度；數值模擬；穩定性

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2024）04-0013-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240404

引 言

目前，充填采礦法是金屬礦山地下開采常用的開采方法［1-2］，特別是對于圍巖和地表需要保護、礦體形態復雜的高品位或貴金屬礦床，充填采礦法的優越性更為突出。對于使用充填采礦法的采場，充填體強度會直接影響采場的穩定性，如何得到充填體的合理強度、降低采礦成本已成為研究的熱點。李文波等［3］通過研發充填添加劑并進行充填配比試驗和力學試驗，使充填體抗壓強度和流動性得到改善，并降低了充填材料成本。黃德鏞等［4］通過建立FAHP-CRITIC法組合賦權的綜合評價模型對不同充填材料方案進行評選，得到了充填材料的最佳配比，并推廣使用。王作鵬等［5］通過數值模擬確定了最佳礦柱寬度和充填體強度，使礦柱穩定性和經濟性達到最優。苗磊剛等［6］通過開展不同配比充填體力學試驗，并結合Flac3D軟件對充填體在采場內的力學效應進行分析，確定了充填體的最低灰砂比。楊志強等［7］結合料漿管道輸送特性對充填料漿配比進行了優化，得到了合理的充填體強度和料漿流動性。鄧雪杰等［8］提出了充實率控制導向的膠結充填體強度設計方法，得出了實際工程中的充填體平均強度。合理的充填體強度既能保證采場的穩定性，又能降低采礦成本，因此，對充填采場的合理充填體強度進行研究尤為重要。

三鑫金銅礦采用分段空場嗣后充填采礦法、淺孔留礦嗣后充填采礦法、上向水平高分層（高分段）充填采礦法進行回采，多個回采中段同時供礦，主要生產區域位于-570 m中段及以上淺部區域，保安礦柱礦量共計172.39萬t。為盡可能多地開發礦產資源，三鑫金銅礦采用盤區分段回采階段充填采礦法對保安礦柱進行回收，本文對保安礦柱采場的合理充填體強度進行研究，并分析不同充填體強度（灰砂比）條件下巖體移動情況，據此得出合理的保安礦柱采場充填體強度參數范圍，為礦山安全生產提供理論依據。

1 保安礦柱采場充填體強度分析

根據三鑫金銅礦充填體室內試驗結果，結合類似礦山經驗，充填體密度為2 000 kg/m3，內聚力為1.09 MPa，內摩擦角為35.86°。分別采用Thomas算法和盧平算法計算不同采場結構參數下充填體所需的合理強度。

1.1 Thomas算法分析

根據Thomas經驗公式（見式（1）），可計算出充填體底板的垂直應力，該公式的適用范圍為充填體長度不小于充填體高度的一半。采用Thomas算法計算結果見表1。

式中：σv為作用在充填體底部的垂直應力（MPa）；γ為充填料的容重（kN/m3）；h為暴露的充填體高度（m）；w為暴露的充填體長度（m）。

1.2 盧平算法分析

由于在Thomas經驗公式中只考慮了充填體的幾何尺寸和充填體的容重，而對于充填材料的強度特性沒有加以考慮。盧平在Thomas算法的基礎上，進一步改進了該算法，拓展了Thomas算法的適用范圍，盧平算法計算公式見式（2）。采用盧平算法計算結果見表2。

式中：k為側壓力系數，k=1-sin φ1，φ1為充填體與圍巖間的摩擦角（°）；C1為充填體與圍巖間的內聚力（MPa）；C為充填體的內聚力（MPa）；φ為充填體的內摩擦角，α=45°+φ/2。

根據2種計算方法的結果，采場充填體所需合理強度主要與采場長度和充填體高度有關。在相同高度下，充填體所需強度隨采場長度增大而增大；在相同采場長度下，充填體所需強度隨充填體高度增大而增大，一般采場底部充填體所需強度最大。

2 采場穩定性數值模擬分析

2.1 模擬方案設計

根據礦山實際充填情況，基于控制變量原則，利用3DEC分別對-570 m中段整體充填灰砂比1∶6，1∶8和1∶10 3種方案的充填體強度進行模擬分析，模擬中所采用的各充填體特性參數見表3。

2.2 模型建立

本次不同充填體強度下數值模擬計算模型的尺寸為長650 m（x軸方向）×寬600 m（y軸方向）×高250 m（z軸方向），分別賦予相應的材料屬性，施加相應的邊界條件和初始條件，得到最終的數值計算模型見圖1。

2.3 計算結果及分析

1）方案1計算結果分析。

將模型中-570 m中段的礦體特性參數設置為方案1的充填體特性參數，然后進行運算，平衡后的模型見圖2，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖3-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖3-d）、e）、f）。

由圖3可知：模型上表面影響區域在385 m×240 m（長×寬）的范圍內，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。另外，當灰砂比為1∶6（即充填體強度約為7 MPa）時，新主井和副井完全位于影響范圍之外，而老主井雖然會受到一定影響，但其周邊區域巖移量約為1 mm，在GB 50771—2012 《有色金屬采礦設計規范》允許的范圍內，因此當充填體強度超過7 MPa時，充填后能保證新主井、老主井和副井的安全穩定。

2）方案2計算結果分析。將模型中-570 m中段的礦體特性參數設置為方案2的充填體特性參數，然后進行運算，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖4-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖4-d）、e）、f）。

由圖4可知：模型上表面影響區域在395 m×255 m（長×寬）的范圍內，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。另外，當灰砂比為1∶8（即充填體強度約為3.5 MPa）時，副井完全位于影響范圍之外，而老主井和新主井雖然在一定深度上會受到影響，但其周邊區域巖移量不超過2 mm，在GB 50771—2012 《有色金屬采礦設計規范》允許的范圍內。因此，當充填體強度超過3.5 MPa時，充填后基本能滿足新主井、老主井和副井的安全穩定需要。

3）方案3計算結果分析。

將模型中-570 m中段的礦體特性參數設置為方案3的充填體特性參數，然后進行運算，-470 m、-520 m和-570 m水平剖面位移云圖見圖5-a）、b）、c），穿過老主井、新主井、副井的垂直剖面位移云圖分別見圖5-d）、e）、f）。

由圖5可知：模型上表面影響區域在395 m×250 m（長×寬）的范圍內，且在上表面影響范圍最大；隨著深度的增加，影響范圍逐步減小，各剖面最大位移量均為充填體的沉降量約為5 mm。 另外，當灰砂比為1∶10（即充填體強度約為2.3 MPa）時，老主井、新主井和副井均會受到一定程度的影響，但影響程度都較輕，而老主井井筒周邊區域巖移量接近規范允許值（2～3 mm），充填后基本能滿足新主井、老主井和副井的安全穩定需要。

4）各方案計算結果對比分析。

綜合上述不同灰砂比（不同充填體強度）充填體采充后的模擬結果分析可知，當灰砂比為1∶6的高強度充填體（7 MPa）時，充填后新主井和副井完全位于影響范圍之外，而老主井雖然會受到一定影響，但其周邊區域巖移量約為1 mm，在設計規范所允許的范圍內。因此，當充填體強度超過7 MPa時，充填后能保證新主井、老主井和副井的安全性。當充填體灰砂比為1∶8和1∶10（強度分別約為3.5 MPa和2.3 MPa）時，副井幾乎不受回采擾動影響，而老主井和新主井雖然一定程度上會受到影響，但其周邊區域巖移量不超過2 mm，在設計規范允許的最大范圍內。同時，由于模擬中沒有考慮爆破等因素對區域穩定性的影響，因而，為了確保保安礦柱區域的回采足夠安全可靠，充填體強度要求達到3.5 MPa以上較為適宜，充填后可滿足新主井、老主井和副井的安全穩定需要。

3 結 論

本文針對保安礦柱采場充填的特殊性，對采場的合理充填體強度進行了理論計算分析和不同充填體強度下數值模擬分析，綜合分析可得出如下結論：

1）采場充填體所需合理強度主要與采場長度和充填體高度有關。在相同高度下，充填體所需強度隨采場長度增大而增大；相同采場長度下，充填體所需強度隨充填體的高度增大而增大，一般采場底部充填體所需強度最大。

2）綜合理論計算和數值模擬分析，同時考慮保安礦柱范圍內爆破、充填接頂率等現實因素，對于保安礦柱范圍內采場長度20～60 m、高度40 m時的充填體強度要求達到3.5 MPa以上，其中越靠近井筒的采場對充填體質量和強度要求越高。

［參 考 文 獻］

［1］ 吳愛祥，王勇，張敏哲，等.金屬礦山地下開采關鍵技術新進展與展望［J］.金屬礦山，2021（1）：1-13.

［2］ 吳浩，趙國彥，陳英.多目標條件下礦山充填材料配比優化實驗［J］.哈爾濱工業大學學報，2017，49（11）：101-108.

［3］ 李文波，鄭伯坤，張世超，等.某鉛鋅礦充填新材料的開發與應用研究［J］.礦業研究與開發，2023，43（4）：37-41.

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［6］ 苗磊剛，牛園園，潘泱波.某礦尾砂膠結充填體強度演化特征及力學效應研究［J］.金屬礦山，2023（3）：52-58.

［7］ 楊志強，王立杰，王社光，等.基于能量匹配的充填體強度設計及料漿配比優化［J］.金屬礦山，2023（2）：38-42.

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Research on the reasonable filling body strength for the recovery of security ore pillars in Sanxin Gold Copper Mine

Abstract：In order to safely recover the security ore pillars in Sanxin Gold Copper Mine and ensure the stability of filled stope，theoretical calculations were conducted on the reasonable filling body strength in the stope.Numerical simu-lations were performed on the stope stability under different filling body strengths （cement-sand ratio） to determine the reasonable range of filling body strength.The results indicate that the required strength of the filling body in the stope is mainly related to the length of the stope and the height of the filling body.For security ore pillar stopes with lengths ranging from 20 m to 60 m and a height of 40 m，the filling body strength needs to be above 3.5 MPa.The surrounding rock displacement should not exceed 2 mm，which falls within the allowable range specified by design standards，ensuring safety.

Keywords：security ore pillar;filling mining method;reasonable filling body strength;numerical simulation;stability