于永純，羅正良，孫長坤，魏曉明

(1．云南黃金礦業(yè)股份有限公司，昆明 650200；2．保山金廠河礦業(yè)有限公司，云南 保山 678300；3．礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

階段空場嗣后充填采礦法是采用空場法回采后對采空區(qū)進(jìn)行嗣后充填處理，在金屬礦山的應(yīng)用日益廣泛[1]。該采礦法一般沿著(或垂直)礦體走向兩步驟回采，其中一步驟礦房開采后膠結(jié)充填，二步驟礦柱開采后非膠結(jié)充填[2]。由于一步驟膠結(jié)充填體添加水泥成本約占充填總成本的70%～80%以上，不同礦山選擇的充填配比帶有較大的主觀成分，難以科學(xué)的確定膠結(jié)充填體強(qiáng)度，造成灰砂比偏大，耗費大量不必要的水泥，加大企業(yè)的充填成本[3]。

目前國內(nèi)外膠結(jié)充填體強(qiáng)度的設(shè)計方法可分為三類，即經(jīng)驗法、力學(xué)模型法及數(shù)值分析法[4]。為了使膠結(jié)充填體安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，需要確定合理的充填體強(qiáng)度。本文以金廠河多金屬礦為工程依托，利用該礦的窄長采場尺寸(長寬比大于5)和礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)[5]，開展膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求理論計算和數(shù)值模擬分析，通過對比充填體強(qiáng)度要求數(shù)值解與兩種解析解，確定礦山一步驟窄長采場膠結(jié)充填體所需的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為類似礦山膠結(jié)充填體要求優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工程概括

保山金廠河鉛鋅銅多金屬礦床屬新開礦床，礦體頂?shù)装逡源罄韼r、大理巖化灰?guī)r為主，礦體巖性以矽卡巖、矽卡巖化大理巖為主。礦山采用大直徑深孔側(cè)向崩礦階段空場嗣后充填法，礦體分為礦房和礦柱，采場垂直礦體走向布置，階段高50 m，礦房和礦柱寬15 m，長為礦體水平厚度，平均為120 m，采場間不留間柱，分兩步驟連續(xù)回采。根據(jù)礦山初步設(shè)計要求，一步驟礦房采用全尾砂膠結(jié)充填，二步驟礦柱采用非膠結(jié)充填，由于一步驟膠結(jié)充填體穩(wěn)定性直接關(guān)系著二步驟礦柱是否能夠順利回采，因此，礦山亟需確定一步驟膠結(jié)充填體合理強(qiáng)度，在保證安全回采情況下，盡可能降低充填成本。

2 礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)測定

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場對金廠河多金屬礦首采區(qū)的頂、底板大理巖和礦體進(jìn)行取芯，然后開展巖石力學(xué)試驗，獲得了三種巖石的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 充填體力學(xué)參數(shù)

考慮礦山實際充填工況，配置了全尾砂圓柱形充填體試樣，全尾砂充填體料漿濃度為70%，灰砂比分別為1∶4、1∶8、1∶10和1∶15，測試獲得了充填體在實驗室養(yǎng)護(hù)下28 d齡期的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，表2為開展采場充填體強(qiáng)度需求的解析計算和數(shù)值模擬分析奠定了基礎(chǔ)。

表2 充填體力學(xué)參數(shù)

3 窄長采場充填體強(qiáng)度理論計算

3.1 強(qiáng)度計算方法選擇

金廠河多金屬礦單個采場體積達(dá)到9萬m3，開采工程規(guī)模較大，膠結(jié)充填體的強(qiáng)度直接關(guān)系到礦山開采的安全和經(jīng)濟(jì)效益。因此，為了快速評估空場嗣后充填法中一步驟采場充填體在揭露后的穩(wěn)定性，通常選取礦冶集團(tuán)公式、Mitchell公式，安慶公式三種方法[6-7]，計算獲取窄長采場充填體的強(qiáng)度要求。

3.2 充填體強(qiáng)度計算參數(shù)選取

1)充填體內(nèi)摩擦角、滑移角、充填體黏聚力與單軸抗壓強(qiáng)度比值M

根據(jù)表2的充填體力學(xué)測試結(jié)果，不同灰砂比的充填體內(nèi)摩擦角平均值為33°，滑移角平均值為61.5°，M平均值為0.35。

3)膠結(jié)充填體容重γ和非膠結(jié)充填體容重γu

膠結(jié)充填體容重為19.6 kN/m3，非膠結(jié)充填體容重為18.3 kN/m3。

3.3 窄長采場充填體強(qiáng)度計算

礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)長度為120 m，寬度為15 m，高度為50 m，由于無法掌握現(xiàn)場的充填生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及井下原位充填體質(zhì)量情況，根據(jù)以往的安慶銅礦、草樓鐵礦等工程經(jīng)驗，安全系數(shù)一般選取范圍為2.0～2.5。結(jié)合金廠河尾砂偏細(xì)、固結(jié)強(qiáng)度偏低，故本次安全系數(shù)FS選取為2.5，三種理論公式計算結(jié)果見表3。由表3可知，窄長膠結(jié)充填體所需強(qiáng)度取相對保守值為2.13 MPa。

表3 采場充填體所需強(qiáng)度

4 窄長采場充填體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 三維采場模型的建立

利用FLAC3D有限差分軟件，以金廠河礦一步驟和二步驟的典型采場為依據(jù)，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型(長×寬×高=840 m×315 m×350 m)，見圖1。在此典型采場的數(shù)值模擬中，建立了3個相鄰的一步驟和二步驟采場，如圖2所示。并在一步驟采場(1#采場)內(nèi)布設(shè)6個監(jiān)測截面，分別在采場寬度方向X=150、157.5和165 m三個監(jiān)測截面，在采場長度方向Y=390、420和450 m三個監(jiān)測截面，通過6個監(jiān)測截面上的塑性區(qū)發(fā)展變化分布情況判斷1#采場充填體的穩(wěn)定性。

圖1 三維采場模型Fig.1 Three-dimensional stope model

圖2 一步驟采場充填體監(jiān)測截面Fig.2 Monitoring section of one-step backfill

4.2 窄長采場充填體數(shù)值模擬分析

1#、2#和3#采場的具體采充順序為：1#一步驟采場回采和充填→2#二步驟采場回采和充填→3#二步驟采場回采。

1)1#一步驟采場回采和充填

1#采場回采后，圍巖位移場和塑性區(qū)分布見圖3。其中圍巖豎向位移最大值為1.38 mm，水平X方向位移最大值為1.69 cm，水平Y(jié)方向位移最大值為1.72 mm，圍巖位移整體偏移量很小。圍巖塑性區(qū)分布可以看出，圍巖只是在兩側(cè)壁表層發(fā)生小范圍剪切破壞，1#采場回采后，圍巖整體穩(wěn)定。

圖3 圍巖的位移場和塑性區(qū)Fig.3 Displacement field and plastic zone of surrounding rock

首先設(shè)定1#采場充填體的黏聚力為200 kPa時，按照公式1將充填體的黏聚力換算成單軸抗壓強(qiáng)度為0.571 MPa左右。

M=c/σc

(1)

式中：M—常數(shù)，取0.35；c—黏聚力，MPa；σc—單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

2)2#二步驟采場回采和充填

2#采場回采后，1#采場充填體前壁揭露，由于篇幅有限，本文展示了采場寬度方向X=157.5 m和采場長度方向Y=420 m兩個監(jiān)測截面的塑性區(qū)，如圖4所示。當(dāng)1#采場充填體黏聚力為200 kPa時，1#采場充填體后壁中上部表層有拉破壞和剪切破壞塑性區(qū)，揭露的1#充填體整體處于穩(wěn)定性狀態(tài)?？紤]到2#采場非膠結(jié)充填體會在3#采場回采時對1#采場膠結(jié)充填體產(chǎn)生側(cè)向推力作用，影響1#采場充填體再次單側(cè)暴露時的穩(wěn)定性，從保守的角度考慮，在2#采場充填體中添加少量的水泥提高其自身的強(qiáng)度，初步采用充填體的黏聚力為70 kPa、內(nèi)摩擦角為20°(將充填體的黏聚力換算成單軸抗壓強(qiáng)度后為0.2 MPa左右)。

圖4 前壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=200 kPa)Fig.4 Plastic zone of front wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=200 kPa)

3)3#二步驟采場回采

當(dāng)3#采場回采后，1#采場的膠結(jié)充填體后壁暴露，從圖5可以看出，1#采場膠結(jié)充填體在2#低標(biāo)號充填體(黏聚力為70 kPa)的水平推力作用和圍巖變形作用等因素影響下，1#采場充填體底部發(fā)生的貫穿1#采場寬度的塑性區(qū)，說明在2#采場充填體的作用和影響下，1#采場充填體不再能夠保持穩(wěn)定，因此在設(shè)計1#采場充填體所需強(qiáng)度時應(yīng)進(jìn)一步提高其設(shè)計強(qiáng)度值。

圖5 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=200 kPa)Fig.5 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=200 kPa)

4)1#采場充填體的黏聚力提升至300 kPa

為了保證在2#采場低標(biāo)號充填(黏聚力70 kPa)作用下開挖3#采場后仍能保持1#采場充填體后壁暴露的穩(wěn)定性，將1#采場充填體黏聚力由200 kPa提升至300 kPa(相對應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度為0.857 MPa左右)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。采用同樣的采充順序，獲得了提高強(qiáng)度后1#采場充填體后壁暴露后的塑性區(qū)分布情況。從圖6可知，3#采場回采時1#采場充填體內(nèi)無大型塑性區(qū)形成，并且在圍巖變形和2#采場充填體作用下保持穩(wěn)定。但是從充填成本的角度考慮，從200 kPa提升至300 kPa的黏聚力需要增加水泥用量，進(jìn)而增加了充填成本，為獲得相對最優(yōu)的強(qiáng)度參數(shù)，需在200～300 kPa之間找出相對最優(yōu)的1#采場充填體黏聚力和單軸抗壓強(qiáng)度。

圖6 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=300 kPa)Fig.6 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=300 kPa)

5)1#采場充填體的黏聚力提升至270 kPa

當(dāng)1#采場充填體的黏聚力為270 kPa時(單軸抗壓強(qiáng)度為0.771 MPa)，采用同樣的采充順序，獲得了1#采場充填體后壁暴露后的塑性區(qū)分布情況。由圖7可知，1#采場充填體在3#采場回采后整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，靠近采場充填體底部的極小部分區(qū)域的塑性區(qū)開始逐漸開始顯現(xiàn)，從而表明此強(qiáng)度條件下，1#采場充填體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此1#采場的膠結(jié)充填體黏聚力最優(yōu)值為270 kPa，換算成單軸抗壓強(qiáng)度為0.771 MPa左右，才能保證單側(cè)暴露充填體的臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 后壁揭露1#采場充填體塑性區(qū)(c=270 kPa)Fig.7 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope(c=270 kPa)

5 窄長采場充填體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照兩步驟采場回采時序，對一步驟采場膠結(jié)充填體所需強(qiáng)度進(jìn)行了理論計算和數(shù)值模擬分析。通過對數(shù)值解和理論解(FS=1.0和2.5)對比可知，充填體所需強(qiáng)度數(shù)值解分別為0.771和1.93 MPa，低于理論解0.94和2.13 MPa，因此選取理論計算結(jié)果2.13 MPa(保守值)作為窄長采場膠結(jié)充填體的強(qiáng)度要求。

根據(jù)礦山采礦設(shè)計需要，一步驟膠結(jié)充填體內(nèi)后期需要施工巷道工程，因此一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部兩部分，埑溝出礦底部為9 m，中上部高度為41 m，其中底部強(qiáng)度最低為3.0 MPa，中上部強(qiáng)度根據(jù)理論計算最低為1.7 MPa，充填體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分布圖如圖8所示。

圖8 充填體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分布圖Fig.8 Distribution diagram of strength structure of backfill

6 結(jié)論

1)通過對金廠河多金屬礦空場嗣后充填法中窄長采場充填體強(qiáng)度要求的理論計算和采充時序的數(shù)值模擬研究，確定了50 m階段高度窄長采場充填體所需強(qiáng)度為2.13 MPa。

2)窄長采場一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部兩部分，埑溝出礦底部為9 m，中上部高度為41 m，其中底部強(qiáng)度最低為3.0 MPa，中上部強(qiáng)度最低為1.7 MPa。