李守強(qiáng) 汪 亮 郭振鵬

（1.喀拉通克銅鎳礦礦業(yè)有限責(zé)任公司2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

喀拉通克銅鎳礦是一家集采礦、選礦及冶煉為一體的大型有色金屬聯(lián)合企業(yè)，共有3個礦床，其中一號礦床屬于極破碎的大型礦床，礦床分5個礦帶：Ⅰ礦帶（特富礦）、Ⅱ礦帶（富礦）、Ⅲ礦帶（貧礦）、Ⅳ礦帶（低品位原生礦）、Ⅴ礦帶（低品位氧化礦）。由于一號礦床礦體條件較差，礦山基本采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填法開采，進(jìn)路面積小，開采成本高，對充填體的要求也高，支護(hù)量大，礦山綜合采礦成本非常高，在采富礦時，礦山有盈利，照此回采貧礦體，可能會造成礦山虧損。因此需要對一號礦床貧礦體的采礦方法進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 采礦方法優(yōu)化

1.1 現(xiàn)采礦方案

一號礦床的采礦方法為下向進(jìn)路膠結(jié)充填法，采場按礦體走向布置，在礦體走向方向每80～100 m劃分為1個盤區(qū)，回采進(jìn)路沿礦體走向布置。首采分層進(jìn)路斷面尺寸為2.0 m×2.0 m，其余分層進(jìn)路斷面尺寸為（2.5～3.5）m×（2.5～3.5）m，每5個分層設(shè)1個分段巷道?；夭蛇M(jìn)路的選擇可以采用隔二采一的方式。當(dāng)1條進(jìn)路開采完畢后，馬上進(jìn)行充填作業(yè)，當(dāng)1個分層的進(jìn)路全部回采完畢后，便轉(zhuǎn)入下1個分層進(jìn)行回采。

1.2 采礦方法優(yōu)化方案

根據(jù)一號礦體的開采技術(shù)條件，可以選擇的采礦方法較少，目前礦山采用的下向進(jìn)路膠結(jié)充填法是比較合適的采礦方法，只是進(jìn)路斷面尺寸偏小，一次落礦量較少，影響了采礦效率；此外采用隔二采一的回采順序，有三分之二的進(jìn)路要采用較高配比的充填砂漿進(jìn)行充填，高配比充填體占比較多，進(jìn)一步提高了采礦成本。

基于此，在原方案的基礎(chǔ)上擴(kuò)大進(jìn)路斷面尺寸，回采時隔三采一，為了確?；夭砂踩蛥?shù)合理，研究采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法予以確認(rèn)和驗證［1］。

2 力學(xué)參數(shù)處理

2.1 礦巖力學(xué)參數(shù)

本次研究參考以前的科研成果，綜合考慮巖體的質(zhì)量等級，推薦用于本次研究的數(shù)值模擬的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

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2.2 充填體力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬充填體的物理力學(xué)參數(shù)采用《喀拉通克礦業(yè)公司固廢生態(tài)化充填利用技術(shù)研究》中數(shù)據(jù)，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.3 配筋方案

參考相關(guān)研究成果［2-3］，結(jié)合礦山情況，確定配筋方案：采礦時將最后2次爆破的礦石均勻鋪撒在采場底板上，厚度為30 cm，再鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)架，并用吊筋將網(wǎng)架固定于采場頂板上。吊筋網(wǎng)度1.6 m×1.6 m，直徑為10 mm；主筋網(wǎng)度1.6 m×1.6 m，直徑為10 mm；副筋間距200 mm×200 mm，直徑為8 mm；三角掛筋直徑為10 mm。鋼筋假底必須在同一分層連成一個整體。橫筋鋪設(shè)時，如果旁邊為待采進(jìn)路，則需要橫筋端部向上彎起300～500 mm，便于和相鄰進(jìn)路連接。假底鋼筋鋪設(shè)完必須保證150～200 mm的架空高度，嚴(yán)禁在底筋未架高的情況下直接充填。三角掛筋在充填前要預(yù)埋好，以保證轉(zhuǎn)層后吊筋掛環(huán)的出露。底筋間相互搭接、吊筋和吊環(huán)搭接時，搭接長度需大于150 mm。

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2.4 配筋充填體力學(xué)參數(shù)計算

配筋充填體是由鋼筋網(wǎng)和充填體構(gòu)成的復(fù)合材料，屬于非均質(zhì)，非線性材料。在數(shù)值分析中要采用分別不同材料，單元類型模擬（即建立分離模型），這種模擬方式計算量過大，不適應(yīng)對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因此本項目通過假設(shè)鋼筋網(wǎng)和充填體土黏結(jié)良好，忽略鋼筋網(wǎng)與充填體之間的粘結(jié)滑移，認(rèn)為兩者共同承受載荷。建立配筋充填體的整體等效模型［4-5］。鋼筋的彈性模量為210 GPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.27，容重為7 850 kN/m3。

（1）配筋充填體的彈性模量采用等效彈性模量［6］，其計算公式為

式中，Ee為配筋充填體的等效彈性模量，GPa；Ec為充填體的彈性模量，GPa；Eg為鋼筋的彈性模量，GPa；A為含有配筋的充填體橫斷面總面積，m2；A1為充填體的橫斷面積（不含鋼筋截面積），m2；A2為充填體橫斷面內(nèi)鋼筋的橫斷面積，m2。

計算結(jié)果為0.838 GPa。

（2）根據(jù)等強(qiáng)度理論［7］，估算配筋充填體等效的抗拉強(qiáng)度公式為

式中，Rt為配筋充填體等效的抗拉強(qiáng)度，MPa；為充填體的動抗拉強(qiáng)度，MPa；為鋼筋的動屈服強(qiáng)度，MPa；為充填體結(jié)構(gòu)鋼筋含量的體積率。

經(jīng)過計算，配筋充填體抗拉強(qiáng)度為1.178 MPa。

（3）配筋充填體抗剪參數(shù)計算是根據(jù)充填體不同灰砂比的試驗數(shù)據(jù)，通過C、φ值建立與彈性模量和抗拉強(qiáng)度的多元線性回歸方程C=2.345Rt-0.119Ee-0.229，φ=-2.589Rt+3.74Ee+36.03，計算得配筋充填體的黏聚力為2.434 Pa，內(nèi)摩擦角為36.114°。

2.5 力學(xué)參數(shù)匯總

本次數(shù)值模擬礦巖體、充填體及配筋充填體的力學(xué)參數(shù)見表3。

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3 數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件［8］，進(jìn)路斷面由高度和跨度決定，進(jìn)路的高度采用數(shù)值模擬一般難以進(jìn)行優(yōu)化選擇，因此，本次模擬在現(xiàn)行3.5 m高度下，進(jìn)行跨度3.5、4.0、4.5、5.0和5.5 m的方案模擬分析，開采順序按隔三采一。

3.1 應(yīng)力分析

3.1.1 最大主應(yīng)力分析

通過模擬可知，采空區(qū)所造成的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在采空區(qū)兩側(cè)附近，見圖1～圖3。

由圖3可知：礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力隨采場跨度增大呈線性增長趨勢，一步驟、四步驟礦柱內(nèi)部最大主應(yīng)力較小，二、三步驟礦柱內(nèi)部最大主應(yīng)力較大；一步驟開采時，二、三及四步驟采場均為礦體，礦體承載能力較高，此時礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力較低；二步驟開采時，一步驟采場為充填體，其承載能力較弱，此時主要由三、四步驟采場的礦體支撐，由于礦柱橫截面積減小，其內(nèi)部應(yīng)力升高。開采三步驟時，其兩側(cè)均為充填體，只有四步驟采場為礦體，礦柱橫截面積進(jìn)一步縮小，最大主應(yīng)力進(jìn)一步增大。開采四步驟時，礦柱只有充填體形成的人工礦柱，其承載能力較弱，應(yīng)力大量轉(zhuǎn)移至盤區(qū)兩側(cè)。因此，礦柱內(nèi)應(yīng)力又開始減小。

3.1.2 最小主應(yīng)力分析

模擬可知：拉應(yīng)力主要分布在采場頂板處，見圖4～圖6。

由圖6可知：采場頂板內(nèi)最大主應(yīng)力均隨采場跨度的增大而逐漸增大。三、四步驟相較一、二步驟頂板內(nèi)拉應(yīng)力大大增加。在實際開采過程中，可考慮將一、二步驟采場跨度適當(dāng)擴(kuò)大，三、四步驟跨度適當(dāng)縮小，以防止三、四步驟采場頂板拉應(yīng)力過大。一、二步驟回采時，采場頂板內(nèi)拉應(yīng)力隨跨度平緩增長?？紤]到頂板內(nèi)拉應(yīng)力與其最大承受拉應(yīng)力間應(yīng)保持一定的安全系數(shù)，可選擇一、二步驟采場跨度為4.5 m，三、四步驟采場跨度為4 m。

3.2 位移分析

采場圍巖位移隨著每步驟的開采，頂板位移極值也不斷變化著位置，見圖7～圖9。

由圖9可知：采場頂板位移隨采場跨度的增大，大致呈線性增長趨勢。且隨著開采的進(jìn)行，每步驟間頂板位移的變化值均在3 cm左右，未出現(xiàn)瞬間變化過程。說明該方法開采過程中，沒有出現(xiàn)較大的破壞現(xiàn)象，而造成位移突然增大。

4 結(jié)論

本次研究從現(xiàn)采礦方案找出斷面小、開采順序不合理等不足，制定多種參數(shù)方案采用數(shù)值模擬的方法可知：不同采場跨度的下向進(jìn)路膠結(jié)充填法，其頂板位移值平緩增長，未發(fā)生較大突變，頂板內(nèi)拉應(yīng)力值也未超過配筋充填體的抗拉強(qiáng)度。推薦一、二步驟采場跨度為4.5 m，三、四步驟采場跨度為4 m；礦山現(xiàn)分層高度為3.5 m，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，邊幫情況較好，高度可以適當(dāng)提高至4～4.5 m。本次研究成果的應(yīng)用使得礦山多方面效益得到明顯提升。