周 樂，許衛(wèi)軍，姚 維，邱景平，任玉東

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.長(zhǎng)春黃金研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.凌源日興礦業(yè)有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

階段嗣后充填采礦方法是空?qǐng)霾傻V法和充填法的結(jié)合體，不但具有生產(chǎn)效率高、資源回收強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，還可以對(duì)地壓進(jìn)行有效控制，正逐漸成為國(guó)內(nèi)外開采“三下”礦山的重要方法之一[1-3]。雖然該方法已被廣泛應(yīng)用，但其中關(guān)于充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)礦山還主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法或類比法，這必然會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的不合理性或回采過程中的不安全性。因此，確定充填體的合理需求強(qiáng)度至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，盧平[4]從考慮充填料強(qiáng)度特性的角度出發(fā)，對(duì)Thomas模型進(jìn)行了修正；蔡嗣經(jīng)[5]通過對(duì)國(guó)內(nèi)外礦山充填體強(qiáng)度進(jìn)行歸納分析，得出了充填體強(qiáng)度與其高度的半立方拋物線關(guān)系式；LIU等[6]、杜坤等[7]根據(jù)圍巖開挖釋放能量與充填體積蓄應(yīng)變能相近原則，得到了考慮原巖地應(yīng)力的膠結(jié)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式；魏曉明等[8]推導(dǎo)了一步采中膠結(jié)充填體極限側(cè)壓狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并將其用于充填配比設(shè)計(jì)。基于以上研究成果，本文以傲牛鐵礦三采區(qū)128線以南礦體為工程背景，根據(jù)充填體與圍巖相互作用機(jī)理，確定了充填體強(qiáng)度與采場(chǎng)尺寸的匹配關(guān)系，為傲牛鐵礦礦石回采提供了理論指導(dǎo)，為類似金屬礦山階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V開采提供理論參考。

1 礦體開采技術(shù)條件

傲牛鐵礦三采區(qū)128線以南礦體主要以急傾斜厚礦體為主，平均傾角75°，平均厚度15 m，礦體延深不大，最大為124線延深100 m，礦體形態(tài)變化較大，膨縮和分枝現(xiàn)象顯著，礦體圍巖主要為角閃混合花崗巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖，圍巖穩(wěn)固性好。礦區(qū)西側(cè)為尾礦庫(kù)，東側(cè)為選廠，為減小礦體開采對(duì)地表工程的影響，設(shè)計(jì)采用階段礦房嗣后充填采礦法進(jìn)行開采。

傲牛鐵礦前期在回采128線以北殘留礦柱時(shí)，利用礦山全尾砂與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行了一系列充填體室內(nèi)試驗(yàn)，從塌落度、泌水率、流動(dòng)度等多方面因素分析，確定了充填料漿濃度為76%時(shí)為最優(yōu)料漿濃度[9]，并將試驗(yàn)結(jié)果成功應(yīng)用到礦柱的回收過程。不同灰砂比的充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 膠結(jié)充填體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of cemented backfill

2 礦房充填體穩(wěn)定性分析

未采礦柱給礦房充填體的側(cè)壓力可用式(1)進(jìn)行計(jì)算[10]。

(1)

式中：γ為礦石的容重，kN/m3；x為充填體沿高度方向坐標(biāo)；φ為礦石與充填體接觸面上的有效摩擦角，其值可近似取充填體的內(nèi)摩擦角，°。

圖1 礦房充填體受力模型Fig.1 Force model of room backfill

充填體內(nèi)的水平應(yīng)力σy主要由未開采礦柱的側(cè)向壓力P引起，因此設(shè)σy=xf(y)。對(duì)于圖1所示的尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)模型，考慮最危險(xiǎn)的情形，假設(shè)充填體在y方向上無(wú)限長(zhǎng)，將其即簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題[11-12]。該模型用應(yīng)力函數(shù)表示見式(2)。

(2)

式中，Φ為應(yīng)力函數(shù)。

利用式(2)對(duì)x進(jìn)行兩次積分處理后代入相容方程4Φ=0,對(duì)任意區(qū)域內(nèi)的x、y均成立，需要相容方程有無(wú)數(shù)個(gè)根，則x的系數(shù)和自由項(xiàng)必須等于零，可得應(yīng)力函數(shù)Φ見式(3)。

(Ey3+Fy2)

(3)

結(jié)合充填體力學(xué)模型的應(yīng)力邊界條件可得充填體剪切應(yīng)力見式(4)[12]。

(4)

式中：λ為側(cè)壓力系數(shù)，其值為λ=tan2(45°-φ/2)；γ為礦石容重，取35.3 kN/m3；B為充填體寬度，m；ρ為充填體容重，kN/m3。

根據(jù)傲牛鐵礦開采技術(shù)條件以及類似礦山開采經(jīng)驗(yàn)，取礦房膠結(jié)充填體寬度為20～40 m，暴露高度為40～60 m，并根據(jù)表1的充填體力學(xué)參數(shù)，將其代入式(4)中得到不同配比充填體底部沿寬度B、高度H方向的剪切應(yīng)力分布圖，如圖2所示。

圖2 各配比的充填體在不同高度和寬度時(shí)的剪切應(yīng)力分布圖Fig.2 Distribution of shear stress of filling body with different ration under different height and width

由圖2可知：①在膠結(jié)充填體的暴露側(cè)，剪切應(yīng)力為零，且沿著充填體寬度方向，剪切應(yīng)力逐漸增大，但增長(zhǎng)率越來越小，直到達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)開始減小，在與未采礦柱接觸處，膠結(jié)充填體所受的剪切應(yīng)力趨向一定值，這是由于膠結(jié)充填體在變形過程中與未開采礦體接觸而產(chǎn)生摩擦阻力的原因；②剪切應(yīng)力曲線與采場(chǎng)高度有關(guān)，其高度越高，充填體內(nèi)出現(xiàn)的剪切應(yīng)力越大；③剪切應(yīng)力曲線與采場(chǎng)寬度呈負(fù)相關(guān)，其寬度越小，曲線越陡，充填體內(nèi)出現(xiàn)的剪切應(yīng)力越大；④當(dāng)H=60 m，B=20～30 m時(shí)，只有灰砂比為1∶6的充填體可以保持穩(wěn)定，而灰砂比為1∶10、1∶20的充填體所受到的剪切應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度而發(fā)生破壞；當(dāng)H=50 m，B=20～40 m時(shí)，灰砂比為1∶6的充填體會(huì)保持穩(wěn)定，而灰砂比1∶10的充填體，在B=20 m、30 m時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，灰砂比為1∶20的充填體在B=20～40 m時(shí)，均會(huì)發(fā)生破壞；當(dāng)H=40 m，B=20～40 m時(shí)，灰砂比為1∶6、1∶10的充填體可以保持穩(wěn)定，而灰砂比為1∶20的充填體內(nèi)部最大剪應(yīng)力為0.3 MPa，達(dá)到了其極限抗剪強(qiáng)度，由于充填體內(nèi)剪應(yīng)力與充填體呈負(fù)相關(guān)，與高度呈正相關(guān)，因此礦山在采用1∶20充填體進(jìn)行充填時(shí)應(yīng)降低采場(chǎng)高度，增加采場(chǎng)寬度。

綜上所述，傲牛鐵礦提供的灰砂比為1∶6的充填體適用于高度60 m以下、寬度20 m以上的采場(chǎng)；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度50 m以下，寬度40 m以上的采場(chǎng)；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度40 m以下，寬度40 m以上的采場(chǎng)。

由于礦體東側(cè)、西側(cè)分別存在選廠和尾礦庫(kù)等重要構(gòu)筑物，為保證開采不影響其穩(wěn)定性，則需要考慮較大的安全系數(shù)，對(duì)采場(chǎng)高度進(jìn)行折減。參照國(guó)內(nèi)外礦山充填體強(qiáng)度與暴露面積的關(guān)系[4]，最終提出以下開采方案：采場(chǎng)高度為40 m，礦房寬度為40 m，礦柱寬度為30 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體厚度。一步先采礦房，空區(qū)用灰砂比為1∶6的料漿進(jìn)行充填，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后，二步回采礦柱時(shí)，礦柱開采完畢一次性用灰砂比1∶10～1∶20的充填料漿進(jìn)行及時(shí)充填，以保證沉降對(duì)地表構(gòu)筑物的影響最小。礦房礦柱布置圖見圖3。

圖3 礦房礦柱布置圖Fig.3 Layout of mine room and pillar

3 結(jié) 論

1) 建立了充填體單側(cè)暴露的力學(xué)模型，通過平面應(yīng)變問題得出了充填體內(nèi)剪應(yīng)力表達(dá)式，即式(4)。

2) 利用推導(dǎo)出的剪應(yīng)力公式計(jì)算出傲牛鐵礦灰砂比為1∶6、1∶10、1∶20的充填體在保持穩(wěn)定的前提下所能達(dá)到的最大高度與寬度?；疑氨葹?∶6的充填體適用于高度在60 m以下、寬度20 m以上的采場(chǎng)；灰砂比為1∶10的充填體適用于高度在50 m以下、寬度在40 m以上的采場(chǎng)；灰砂比為1∶20的充填體適用于高度在40 m以下、寬度在40 m以上的采場(chǎng)。

3) 根據(jù)傲牛鐵礦開采技術(shù)條件及計(jì)算結(jié)果，確定采場(chǎng)參數(shù)：礦房高40 m，寬40 m，采用灰砂比1∶6，料漿濃度76%進(jìn)行充填；礦柱高40 m，寬30 m，采用灰砂比1∶10～1∶20，料漿濃度76%進(jìn)行充填。

本文的研究結(jié)果可以為國(guó)內(nèi)類似礦山設(shè)計(jì)和開采提供參考，并有利于確定采場(chǎng)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度需求，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到增強(qiáng)采充過程安全性的目的。