況丹陽

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442)

下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法的回采順序是由上而下進(jìn)行，并在承載層(或稱為人工假頂層)保護(hù)下進(jìn)行分層回采[1-2]。在一條進(jìn)路中，一般假頂層的充填料漿灰砂比較大，充填體強(qiáng)度較高，整體性好。假頂層上部的接頂層的充填體灰砂比相對(duì)較小，充填體強(qiáng)度較低，整體性相對(duì)較差[3]。因此，充填進(jìn)路頂板的穩(wěn)定性主要取決于假頂層的強(qiáng)度。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用固定梁力學(xué)模型、薄板理論、安全系數(shù)法、可靠度分析、工程類比法、數(shù)值模擬等方法對(duì)充填體假頂強(qiáng)度進(jìn)行研究設(shè)計(jì)[4-7]。其中類似礦山的經(jīng)驗(yàn)類比法，由于使用簡便，到目前為止仍被國內(nèi)礦山廣泛使用。相關(guān)礦山的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)是很有參考價(jià)值的，但是由于各個(gè)礦山工程地質(zhì)條件、礦體和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力水平、開采強(qiáng)度、充填方式等均存在一定差異，相關(guān)問題的誘因各不相同，由此法類比確定的充填體強(qiáng)度往往與自身工程實(shí)際存在一定差距[8-9]。

本文以三山島金礦極破碎礦體為研究對(duì)象，采用彈性力學(xué)-梁模型與彈性力學(xué)-薄板模型計(jì)算下向進(jìn)路膠結(jié)充填假頂層強(qiáng)度需求[10]。在考慮安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)圖表法與典型礦山類比法，綜合推薦下向進(jìn)路膠結(jié)充填假頂層強(qiáng)度，為礦山人工假頂設(shè)計(jì)提供借鑒和技術(shù)支撐。

1 工程概況

三山島金礦床屬于構(gòu)造破碎帶熱液蝕變巖型金礦床，礦區(qū)內(nèi)礦體工程控制長度為1 700 m，傾向延伸1 000 m，尚未尖滅。礦體走向16°～48°，平均走向33°，傾角32°～57°，平均50°，平均厚度20～60 m。礦區(qū)范圍內(nèi)的主要控礦構(gòu)造為三山島斷裂F1，礦體主要賦存在1#蝕變帶內(nèi)，巖性以黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖為主。礦床頂?shù)装鍘r性為絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖等。近主斷面蝕變帶內(nèi)礦體節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖芯較破碎、穩(wěn)固性相對(duì)較差。

針對(duì)三山島金礦該類礦體的開采技術(shù)條件，現(xiàn)采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法回采F1破碎帶內(nèi)極破碎礦體。依據(jù)礦體賦存情況，沿礦體走向方向劃分2個(gè)及以上的盤區(qū)，盤區(qū)寬度設(shè)置為100 m，階段高度設(shè)置45 m。階段內(nèi)劃分多個(gè)分段，分段高度15 m，每個(gè)分段擔(dān)負(fù)4個(gè)分層的開采。沿走向方向每隔100 m布置一條與礦體走向呈40°夾角的采準(zhǔn)進(jìn)路，沿礦體走向方向布置回采進(jìn)路，進(jìn)路回采方向與采準(zhǔn)進(jìn)路呈40°。脈內(nèi)工程均由懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械落礦形成，脈外工程由鉆爆法形成。設(shè)計(jì)回采進(jìn)路斷面尺寸為：4 m(寬)×3.75 m(高)。自上而下分層開采，分層內(nèi)回采進(jìn)路開采順序按照隔一采一的原則，在保證進(jìn)路圍巖穩(wěn)定性的前提下安全回采，進(jìn)路回采結(jié)束隨即封閉充填。

2 假頂強(qiáng)度彈性力學(xué)法計(jì)算

2.1 彈性力學(xué)-梁模型

根據(jù)下向進(jìn)路人工假頂層充填體的受力特征，主要研究下向進(jìn)路充填體在破壞之前的力學(xué)將征，并結(jié)合實(shí)際采充情況，可近似假設(shè)人工假頂層充填體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性、符合彈性力學(xué)假設(shè)條件的梁；人工假頂層充填體在屈服破壞前視為線彈性體，其本構(gòu)方程為σ=ε×E；由于充填體的應(yīng)力隔離作用，人工假頂層充填體所受的水平應(yīng)力很小，水平應(yīng)力對(duì)人工假頂層的彎曲影響很小，為此可忽略水平應(yīng)力的影響，同時(shí)不考慮梁兩端的邊界約束，近似成簡支梁模型。同時(shí)考慮人工假頂層充填體的自重和上部均布載荷影響，單個(gè)采場進(jìn)路充填體人工假頂層的受力分析如圖1所示。

圖1 簡支梁分析模型圖Fig.1 Analysis model diagram of simply supported beam

根據(jù)人工假頂層的簡支梁模型應(yīng)力分析，得出了沿進(jìn)路寬度方向σx、進(jìn)路高度方向σy的應(yīng)力計(jì)算公式以及人工假頂層各部位的剪切應(yīng)力τxy計(jì)算公式，如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：q—人工假頂層上表面的均布荷載，MPa；p—人工假頂層的自重應(yīng)力，MPa；h—人工假頂層的豎向高度，m；l—進(jìn)路寬度的一半，m；x、y—沿進(jìn)路寬度方向和高度方向的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為人工假頂層寬度和高度的正中心，m。

2.2 彈性力學(xué)-薄板模型

根據(jù)下向進(jìn)路中人工假頂層充填體的受力特征及其與相鄰進(jìn)路采場礦巖或充填體的作用關(guān)系，可近似假設(shè)人工假頂層充填體符合薄板模型：視進(jìn)路人工假頂層為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的，符合彈性力學(xué)假設(shè)條件的彈性薄板；礦體和人工假頂層在屈服破壞之前為線彈性體，其本構(gòu)方程為σ=ε×E；人工假頂層的厚度h與人工假頂層水平方向上的最小尺寸L的比值：h/L≤1/5；人工假頂層上受均布荷載q；在進(jìn)路開采中，一般沿進(jìn)路走向的長度都遠(yuǎn)大于進(jìn)路寬度。在此模型計(jì)算中，考慮人工假頂層充填體上部均布載荷影響，單個(gè)采場進(jìn)路下向揭露后充填體人工假頂層受力分析如圖2所示。

根據(jù)人工假頂層的薄板模型應(yīng)力分析，得出了沿進(jìn)路寬度方向拉應(yīng)力σtmax計(jì)算公式以及人工假頂層各部位的剪切應(yīng)力τmax計(jì)算公式，如式(4)、式(5)所示：

σtmax=-

(4)

(5)

式中：q—人工假頂層上表面的均布荷載，MPa；h—人工假頂層的豎向高度，m；l—進(jìn)路寬度的一半，m；μ—人工假頂層充填體的泊松比；EL—人工假頂層充填體的彈性模量，MPa；Ej—開挖后進(jìn)路兩側(cè)進(jìn)路礦巖或充填體的彈性模量，MPa；x、y—沿進(jìn)路寬度方向和高度方向的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為人工假頂層寬度和高度的正中心，m。

圖2 薄板分析模型圖Fig.2 Thin plate analysis model diagram

2.3 假頂強(qiáng)度解析計(jì)算

計(jì)算過程中選取的典型進(jìn)路假頂層充填體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)如表1所示。

假設(shè)三山島金礦充填體實(shí)際符合直線型摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，進(jìn)而得出充填體的單軸抗壓強(qiáng)度σc和單軸抗拉強(qiáng)度σt與充填體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的換算關(guān)系。其中σc與σt計(jì)算方法見式(6)、式(7)。

(6)

(7)

由式(6)與式(7)可換算得出三山島下向進(jìn)路假頂層充填體單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度關(guān)系為σc/σt=0.295。因此在安全系數(shù)取1.0時(shí)得出，三山島金礦進(jìn)路斷面尺寸寬4.0 m×高3.75 m，人工假頂層高1.5 m條件下，彈性力學(xué)-梁模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為1.267 MPa，彈性力學(xué)-薄板模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為0.823 MPa。

表1 充填體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)表

3 假頂強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)類比推薦

3.1 經(jīng)驗(yàn)圖表法

圖3展示了國外不同下向進(jìn)路充填法礦山(進(jìn)路邊壁垂直)采用的不同充填體類型及其所需強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)圖表，表中數(shù)據(jù)是基于不同的進(jìn)路充填體高度和跨度進(jìn)行劃分，且表中設(shè)計(jì)的充填體單軸抗壓強(qiáng)度需求均采用了2.0左右的安全系數(shù)。

圖3 國外下向進(jìn)路采場充填體強(qiáng)度查詢經(jīng)驗(yàn)圖表Fig.3 Foreign experience chart of strength inquiry of backfill in downward approach

3.2 典型礦山類比

表2展示了國內(nèi)外典型礦山下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法及所需充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)，不同礦山主要選用的充填體類型各不相同，充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法也有所差異，同時(shí)強(qiáng)度需求是不同礦山的實(shí)際強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，是已經(jīng)考慮了不同礦山各自的安全系數(shù)后的下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度值。

表2 國內(nèi)外典型礦山下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)表

3.3 經(jīng)驗(yàn)類比結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)圖表顯示下向進(jìn)路充填體的跨度為3～4 m時(shí)，膏體充填體的強(qiáng)度需求在0.8～1.5 MPa，高濃度全尾砂或分級(jí)尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度需求在2.0～2.5 MPa，廢石膠結(jié)充填體(含粗骨料)的強(qiáng)度需求在3.0～4.0 MPa。查表分析得出三山島金礦下向進(jìn)路充填體的強(qiáng)度要求為2.0～2.5 MPa。

國內(nèi)外相關(guān)礦山經(jīng)驗(yàn)類比得出的數(shù)據(jù)考慮了礦山不同的安全系數(shù)，國內(nèi)的下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度主要采用經(jīng)驗(yàn)類比法或彈性力學(xué)法，得出的充填體強(qiáng)度相對(duì)較高，典型的充填體強(qiáng)度在2.5～4.5 MPa，平均約3.61 MPa；國外的下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度采用了經(jīng)驗(yàn)類比法、數(shù)值分析法、巖土力學(xué)分析方法，設(shè)計(jì)選用的充填體強(qiáng)度相對(duì)較低，單軸抗壓強(qiáng)度值在0.45～4.1 MPa，平均值約1.71 MPa。

4 強(qiáng)度對(duì)比分析

上述多種下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求的計(jì)算和確定方法中彈性力學(xué)解析計(jì)算結(jié)果選取的安全系數(shù)為1，經(jīng)驗(yàn)圖表法選取的安全系數(shù)為2，礦山經(jīng)驗(yàn)類比法中則選取考慮了各礦山自身的安全系數(shù)。

考慮三山島金礦極破碎礦體條件、礦山充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)際采場進(jìn)路充填質(zhì)量控制水平的差異性及生產(chǎn)中其他不確定因素(動(dòng)荷載對(duì)充填體影響、多次充填分層面強(qiáng)度弱化作用、采場進(jìn)路鋪筋施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格等)，綜上考慮設(shè)定安全系數(shù)FS取值為2.5。設(shè)定安全系數(shù)后，彈性力學(xué)-梁模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為3.16 MPa，彈性力學(xué)-薄板模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為2.06 MPa。強(qiáng)度需求計(jì)算結(jié)果已匯總于表3。

表3 人工假頂層充填體強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)表

綜合假頂強(qiáng)度彈性力學(xué)計(jì)算法與經(jīng)驗(yàn)類比推薦結(jié)果，可知典型下向進(jìn)路斷面寬4.0 m×高3.75 m，進(jìn)路人工假頂層充填體高度1.5 m時(shí)，設(shè)計(jì)假頂層充填體強(qiáng)度為3.0～3.6 MPa時(shí)，可保證下向進(jìn)路充填體的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1)考慮三山島金礦極破碎礦體條件、礦山充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)際采場進(jìn)路充填質(zhì)量控制水平的差異性及生產(chǎn)中其他不確定因素(動(dòng)荷載對(duì)充填體影響、多次充填分層面強(qiáng)度弱化作用、采場進(jìn)路鋪筋施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格等)，選取一定的安全系數(shù)且應(yīng)偏保守，考慮設(shè)定安全系數(shù)FS取值為2.5。

2)考慮安全系數(shù)后，彈性力學(xué)-梁模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為3.16 MPa，彈性力學(xué)-薄板模型得出的人工假頂層充填體理論強(qiáng)度需求為2.06 MPa。

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)圖表法，下向進(jìn)路充填體的跨度為3～4 m時(shí)，高濃度全尾砂或分級(jí)尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度需求在2.0～2.5 MPa。類比典型礦山，國內(nèi)下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度在2.5～4.5 MPa，平均約3.61 MPa，國外下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度在0.45～4.1 MPa，平均約1.71 MPa。

4)綜合假頂強(qiáng)度彈性力學(xué)計(jì)算法與經(jīng)驗(yàn)類比推薦結(jié)果，在典型下向進(jìn)路斷面尺寸寬4.0 m×高3.75 m，下向進(jìn)路人工假頂層充填體高度1.5 m條件下，設(shè)計(jì)假頂層充填體強(qiáng)度為3.0～3.6 MPa是合理的，且可保證下向進(jìn)路充填體的安全穩(wěn)定性。