鄭桂春，王學梁，張 龍，胡建華，鄭明華，趙 磊

(1.湖北三寧礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌 443100； 2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 430081)

1 前言

礦山充填開采已經成為地下資源開發(fā)利用的重要途徑，合理確定充填體的強度參數(shù)事關安全和經濟效益的平衡，是采礦參數(shù)中重要的指標之一[1]。利用數(shù)值分析的方法可以對不同條件下的充填體強度進行分析，獲取合理的嗣后充填強度控制指標[2～5]。利用超前分析合理確定充填體的力學強度控制指標，已經成為礦山嗣后充填的關鍵途徑。以湖北三寧礦業(yè)挑水河磷礦為對象，在不同配比的充填體力學參數(shù)基礎上，利用數(shù)值反演分析確定充填體的強度控制指標，是保障礦山安全高效開發(fā)利用的重要依據(jù)之一。

2 工程概況

挑水河磷礦位于宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)，礦區(qū)面積約23.42km2，礦區(qū)以F4斷層分為東部礦區(qū)和西部礦區(qū)。目前挑水河磷礦保有貯量約為2億t，礦區(qū)礦體為緩傾斜薄到中厚礦體，平均厚度4m。礦區(qū)工業(yè)磷礦層均埋藏于當?shù)厍治g基準面以下，其埋深81.67～614.75m，平均254.27m，采用地下開采。礦山采用盤區(qū)全厚度條帶式開采，隔一采一回采順序，廢石與尾砂膠結復合充填方法。

《挑水河磷礦膠結充填材料性能與配比優(yōu)化研究報告》中測定物理力學參數(shù)的有4種不同配比的充填體：ADII- 32.5、ADIII- 42.5、ADP- 32.5和ADP- 42.5，其養(yǎng)護條件為標準養(yǎng)護條件，養(yǎng)護齡期均為28d，物理力學參數(shù)見表1。

表1 四種不同配比的充填體力學參數(shù)

3 模型構建與分析

在礦山地質基礎數(shù)據(jù)的基礎上，建立了全區(qū)域的礦體三維模型，以首采礦段的采場為研究對象，建立三維力學模型。在DIMINE軟件中截取符合設計開采方法的礦體，要求礦體平均厚度4m，適合礦山設計的全厚度開采方案。建立條帶寬度7m的三維網格模型，如圖1所示，帶入上面4種充填體力學參數(shù)進行數(shù)值模擬，計算步驟為隔一采一，按照采—充—采的工藝進行模擬。

圖1 計算網格模型

運用DIMINE- MIDAS/GTS- FLAC3D耦合技術對以上方案進行計算，計算獲得了采充過程的最大和最小主應力、位移以及塑性區(qū)分布圖，見圖2、圖3。

圖2 充填體塑性區(qū)狀態(tài)云圖

圖3 充填體拉應力狀態(tài)云圖

對上述試驗的4種充填配比材料，分析其產生的塑性區(qū)體積、最大拉應力、最大剪應力和最大壓應力，統(tǒng)計計算后的結果如表2所示。

通過對比以上4種充填體計算后的剪切破壞塑性區(qū)、最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力可知，ADIII- 42.5這種強度的充填體力學性質最好，二步回采后的采場穩(wěn)定性最高。為節(jié)省充填成本，將對這種充填體進行優(yōu)化反演，計算出采場穩(wěn)定的邊界強度。

表2 四種充填體計算后的應力及塑性區(qū)

4 正交實驗反演分析

以彈性模量、內摩察角、內聚力和抗拉強度，設計四因素三水平的正交實驗進行對比。繼續(xù)運用有限元分析的手段進行試驗，比較各種強度充填體的剪切破壞塑性區(qū)、拉應力、壓應力和剪應力，結果見表3。

利用極差分析方法對以上統(tǒng)計結果進行分析，得出充填體力學參數(shù)最優(yōu)值，由于井下環(huán)境變化的復雜性，充填體強度也要適應不同的應力環(huán)境，根據(jù)相應的地應力值，設計一個合理的充填體應力范圍，見表4。

5 結論

(1)以三寧礦業(yè)挑水河磷礦條帶寬度7m為基礎，在礦山實驗配制的4種充填體材料基礎上，運用數(shù)值分析的方法分析了4種充填體二步回采之后的采場穩(wěn)定性，提出了嗣后充填開采穩(wěn)定性最好的充填配比參數(shù)為ADIII- 42.5。

表3 正交實驗方案及結果

表4 充填體力學參數(shù)最優(yōu)值及合理范圍

(2)基于AD III- 42.5配比，設計了充填體強度參數(shù)反演的正交實驗方案，計算獲得了二步回采后采場穩(wěn)定的充填體邊界強度，提出了該礦地應力環(huán)境下充填體的合理強度參數(shù)范圍，可用于指導挑水河磷礦生產。