蔣合國(guó)，余天成，劉光生，楊 烺

(1.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通657602；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.彝良縣應(yīng)急管理局，云南 昭通 657602)

充填采礦法是用于金屬礦地下開(kāi)采的主要方法，既能減少尾礦地表堆存，節(jié)約尾礦庫(kù)建設(shè)及運(yùn)維成本，又能作為及時(shí)處置地下采空區(qū)的有效手段，降低空區(qū)周邊發(fā)生大規(guī)模地壓災(zāi)害活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，還有助于提高地下礦產(chǎn)資源的回采率，是當(dāng)前地下金屬礦開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的主流方向[1]。在“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念指導(dǎo)下，綠色開(kāi)采和礦業(yè)尾廢綜合利用將是實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展必由之路，進(jìn)一步推動(dòng)了充填采礦法成為地下金屬礦開(kāi)發(fā)利用的首選方案。

下向分層進(jìn)路式充填采礦法是一種重要的充填采礦法，主要適用于礦巖巖體質(zhì)量較差、礦山原巖應(yīng)力較高等復(fù)雜開(kāi)采環(huán)境。該方法采用自上而下的分層回采順序，每一分層內(nèi)采用進(jìn)路式間隔回采，及時(shí)充填回采完成的一步驟進(jìn)路空區(qū)，并在一步驟進(jìn)路充填體支撐保護(hù)下回采本分層二步驟進(jìn)路，回采轉(zhuǎn)入下分層之后，在上分層充填體(人工假頂)的保護(hù)下開(kāi)展下部相鄰分層的回采工作[2-4]。下向分層進(jìn)路式充填采礦法對(duì)于礦巖條件破碎的高價(jià)值礦床具有回采率高、貧損指標(biāo)低等優(yōu)點(diǎn)，但該方法的關(guān)鍵在于確保上部分層充填體在下向揭露后作為人工頂板的安全穩(wěn)定性。因此，為了保障充填體人工頂板具有較好的安全穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)應(yīng)用此類(lèi)采礦方法的礦山設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度要求普遍偏高，進(jìn)而導(dǎo)致膠凝材料(水泥)消耗量大、膠結(jié)成本高，膠凝材料消耗成本一般占礦山充填總成本的70%～80%以上。

彝良馳宏礦業(yè)有限公司毛坪鉛鋅礦設(shè)計(jì)使用下向進(jìn)路式充填采礦法。每個(gè)采場(chǎng)劃分多個(gè)分層并自上而下回采，每個(gè)分層內(nèi)進(jìn)一步劃分多條矩形進(jìn)路并分兩步驟間隔回采，每條進(jìn)路回采完畢后分兩次膠結(jié)充填，進(jìn)路回采高度3 m，下部1.5 m為承載層充填體(打底層)，上部1.5 m為非承載層充填體(接頂層)。承載層充填體設(shè)計(jì)28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度不低于4.5 MPa，非承載層(接頂層)充填體設(shè)計(jì)28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.0 MPa。礦山下向進(jìn)路充填的膠凝材料消耗量大，膠結(jié)充填的成本高。

于潤(rùn)倉(cāng)院士編著的采礦工程師手冊(cè)[5]指出，對(duì)于下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求，為保證在充填體假頂下安全作業(yè)，建議承載層充填體的28 d強(qiáng)度一般不低于4～5 MPa。值得注意的是，該手冊(cè)建議的充填體強(qiáng)度范圍主要是基于國(guó)內(nèi)外不同礦山充填開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比結(jié)果，一定程度為指導(dǎo)相關(guān)礦山設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度需求提供了重要參考。但是，不同礦山在此推薦強(qiáng)度需求的基礎(chǔ)上，可結(jié)合礦山充填開(kāi)采實(shí)際情況，開(kāi)展下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求優(yōu)化工作，在充分保障下向采礦充填體頂板安全穩(wěn)定前提下，優(yōu)化控制承載層充填體強(qiáng)度以管控膠結(jié)充填成本。

下向進(jìn)路充填體的強(qiáng)度需求與礦巖賦存條件、采場(chǎng)進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序、充填體的暴露時(shí)間和暴露面積等因素密切相關(guān)[6-10]。

根據(jù)國(guó)外下向進(jìn)路充填開(kāi)采相關(guān)礦山實(shí)際調(diào)研得知：當(dāng)下向進(jìn)路斷面跨度為3～4 m時(shí)，膏體充填體頂板的強(qiáng)度需求為0.8～1.5 MPa、高濃度尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求為2～2.5 MPa、廢石膠結(jié)充填體(含粗骨料)強(qiáng)度需求為3～4 MPa(如不特別指出，此處強(qiáng)度需求是指充填體28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度)。加拿大薩德伯里礦區(qū)Coleman銅鎳礦開(kāi)采深度約1 300 m，其下向矩形進(jìn)路尺寸為 寬4～4.5 m×高3～3.5 m，要求原位進(jìn)路充填體強(qiáng)度不低于1.3 MPa，并采用灰砂比1∶10且質(zhì)量濃度73%的料漿進(jìn)行充填。美國(guó)蒙大拿礦區(qū)Luck Friday鉛鋅礦，下向進(jìn)路充填采礦選用的膏體充填灰砂比1∶10且濃度為84%，要求原位進(jìn)路充填體強(qiáng)度不低于2 MPa；美國(guó)Stillwater金/鉑金礦，下向進(jìn)路充填采礦選用的膏體充填灰砂比為1∶8且濃度為73%，要求原位進(jìn)路充填體強(qiáng)度為1.4～1.8 MPa；美國(guó)Galena銀鉛鋅礦，采用水砂充填，下向進(jìn)路充填采礦選用的灰砂比1∶10且濃度為75%，要求原位進(jìn)路充填體強(qiáng)度不低于2.5 MPa。國(guó)內(nèi)采用下向充填采礦法的典型礦山中，以甘肅金川二礦區(qū)為代表的典型礦山，其下向進(jìn)路充填采礦的進(jìn)路寬度和高度為4～4.5 m，其下向矩形進(jìn)路中，當(dāng)承載層充填體高度為1.5 m時(shí)，要求其原位充填體強(qiáng)度需求不低于2.7 MPa；當(dāng)其承載層充填體高度為1.2 m時(shí)，要求其原位充填體強(qiáng)度需求不低于3.0 MPa。由此可知，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型的下向分層進(jìn)路式充填采礦法礦山相比，毛坪鉛鋅礦當(dāng)前采用的矩形進(jìn)路充填體承載層強(qiáng)度不低于4.5 MPa，仍具有一定程度的優(yōu)化空間。

因此，以毛坪鉛鋅礦下向矩形進(jìn)路承載層充填體的強(qiáng)度需求優(yōu)化計(jì)算過(guò)程為例，結(jié)合進(jìn)路充填結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填體物理力學(xué)參數(shù)，研究了利用簡(jiǎn)支梁、薄板及加拿大米切爾模型解析計(jì)算的充填體頂板處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的理論強(qiáng)度需求，進(jìn)而利用礦山近兩年在充填站每班取漿養(yǎng)護(hù)的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算可定量表征實(shí)際充填強(qiáng)度工業(yè)離散性的浮動(dòng)安全系數(shù)，再將理論強(qiáng)度需求與礦山實(shí)際浮動(dòng)安全系數(shù)相結(jié)合，得出符合礦山當(dāng)前充填質(zhì)量控制水平的進(jìn)路充填體的實(shí)際強(qiáng)度需求，進(jìn)而匹配優(yōu)化了下向進(jìn)路充填配比參數(shù)，合理地優(yōu)化降低了進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求。該法可為同類(lèi)礦山下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 充填體強(qiáng)度需求解析計(jì)算

1.1 簡(jiǎn)支梁模型

毛坪鉛鋅礦下向矩形進(jìn)路典型斷面尺寸寬×高為3.5 m×3.0 m，每條典型進(jìn)路長(zhǎng)度為30 m，針對(duì)其下向進(jìn)路承載層充填體的受力模式，分析了承載層充填體臨近破壞力學(xué)特征，對(duì)此，可采用彈性力學(xué)中的簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行充填體應(yīng)力分析和強(qiáng)度需求計(jì)算。分析構(gòu)建的承載層充填體頂板的簡(jiǎn)支梁模型如圖1所示，并做如下假設(shè)：1)進(jìn)路充填體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性、符合彈性力學(xué)假設(shè)條件的簡(jiǎn)支梁；2)充填體在屈服破壞前視為線(xiàn)彈性體；3)由于充填體彈性模量較小、孔隙率大，充填體兩端受?chē)鷰r水平應(yīng)力擠壓作用小，對(duì)充填體頂板彎曲影響很小，不考慮梁兩端邊界約束，近似成簡(jiǎn)支梁模型；4)考慮進(jìn)路底部承載層充填體的自重及上覆充填體的均布載荷。

圖1 下向矩形進(jìn)路充填體簡(jiǎn)支梁模型Fig.1 Simply supported beam model for backfill in downward rectangular drift

圖1所示的進(jìn)路充填體簡(jiǎn)支梁模型中，充填體在X方向產(chǎn)生拉應(yīng)力σx，充填體底面中部易產(chǎn)生拉伸破壞，為此，要求充填體的單軸抗拉強(qiáng)度σt應(yīng)高于該拉應(yīng)力σx，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，q是承載層充填體上表面的均布荷載；p是承載層充填體的自重應(yīng)力；h是承載層充填體的豎向高度；l是進(jìn)路寬度的一半；x、y是沿進(jìn)路寬度方向和高度方向的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為承載層充填體寬度和高度的正中心。

根據(jù)承載層充填體簡(jiǎn)支梁模型的應(yīng)力分布特征及其失穩(wěn)破壞規(guī)律，可知在承載層充填體的下表面中間位置(圖1中x=0、y=h/2處)充填體最易發(fā)生拉伸破壞。按照簡(jiǎn)支梁的應(yīng)力分布計(jì)算公式，計(jì)算得出毛坪鉛鋅礦典型進(jìn)路承載層充填體所受的最大拉應(yīng)力為σx=0.230 MPa(承載層充填體高度為1.5 m時(shí))、σx=0.336 MPa(承載層充填體高度為1.2 m時(shí))，計(jì)算過(guò)程中選用的毛坪鉛鋅礦充填體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。進(jìn)而得出了下向矩形進(jìn)路承載層充填體的單軸抗拉強(qiáng)度σt應(yīng)不低于上述計(jì)算得出的最大拉應(yīng)力σx。

表1 典型進(jìn)路充填體簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算參數(shù)表Table 1 Parameters for simple supported beam model of backfill in typical drift

假設(shè)毛坪鉛鋅礦充填體符合直線(xiàn)型摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，根據(jù)充填體單軸抗壓強(qiáng)度σc與單軸抗拉強(qiáng)度σt、內(nèi)摩擦角φ之間的換算關(guān)系，得出充填體單軸抗壓強(qiáng)度需求σc與圖1簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算的單軸抗拉強(qiáng)度需求σt的換算方法，見(jiàn)式(2)。

(2)

利用毛坪鉛鋅礦充填體的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果(內(nèi)摩擦角φ=33°)，可得出毛坪鉛鋅礦充填體單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系為σc=3.392σt。

因此，當(dāng)毛坪鉛鋅礦下向矩形進(jìn)路承載層充填體符合簡(jiǎn)支梁模型時(shí)，其典型尺寸矩形進(jìn)路中(寬3.5 m×高3 m)，承載層充填體單軸抗壓強(qiáng)度理論需求(FS=1.0)為0.780 MPa(承載層充填體高度為1.5 m時(shí))、1.140 MPa(承載層充填體高度為1.2 m時(shí))。

1.2 薄板模型

針對(duì)毛坪鉛鋅礦典型采場(chǎng)中的一步驟進(jìn)路和二步驟進(jìn)路，其分步驟開(kāi)采后形成的上分層充填體頂板穩(wěn)定性及其強(qiáng)度需求，還需根據(jù)充填體頂板下部的支撐作用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即：下部分層回采一步驟進(jìn)路時(shí)，該進(jìn)路空間兩側(cè)是相鄰進(jìn)路的礦巖，此時(shí)一步驟進(jìn)路空區(qū)充填體頂板是受下部進(jìn)路礦巖支撐；然而，在回采下部分層的二步驟進(jìn)路時(shí)，該進(jìn)路空間兩側(cè)是相鄰進(jìn)路的充填體，此時(shí)二步驟進(jìn)路空區(qū)充填體頂板是受下部進(jìn)路充填體支撐。由于礦巖和充填體的變形參數(shù)存在差異，導(dǎo)致上分層充填體頂板的下向暴露變形情況不同，進(jìn)而影響充填體頂板的強(qiáng)度需求。對(duì)此，可將上分層充填體的受力特征假設(shè)為薄板模型進(jìn)行解析計(jì)算，分別針對(duì)一步驟和二步驟進(jìn)路的充填體頂板進(jìn)行強(qiáng)度需求優(yōu)化研究。薄板模型采用如下假設(shè)：1)進(jìn)路充填體連續(xù)、均質(zhì)、各向同性，符合彈性力學(xué)假設(shè)條件的彈性薄板；2)礦體和充填體在屈服破壞之前為線(xiàn)彈性體；3)承載層厚度h與承載層水平向最小尺寸L比值h/L≤1/5；4)承載層受均布荷載q。

據(jù)此構(gòu)建的毛坪鉛鋅礦典型尺寸下向矩形進(jìn)路(寬×高=3.5 m×3 m、進(jìn)路長(zhǎng)度30 m)承載層充填體的受力模型如圖2所示。進(jìn)而根據(jù)承載層充填體薄板模型的應(yīng)力分析，得出式(3)的沿進(jìn)路寬度方向承載層充填體最大拉應(yīng)力σt max的計(jì)算公式。

圖2 下向矩形進(jìn)路充填體薄板模型Fig.2 Thin plate model for backfill in downward rectangular drift

σt max(0)=

(3)

式中，q是承載層充填體上表面的均布荷載；h是承載層充填體的豎向高度；l是進(jìn)路寬度的一半；x、y是沿進(jìn)路寬度方向和高度方向的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)為承載層充填體寬度和高度的正中心；μ是承載層充填體的泊松比；EL是承載層充填體的彈性模量；Ej是下分層開(kāi)挖進(jìn)路空間兩側(cè)相鄰進(jìn)路礦巖(一步驟進(jìn)路)或相鄰進(jìn)路充填體(二步驟進(jìn)路)的彈性模量。

根據(jù)承載層充填體薄板模型的應(yīng)力分布特征和失穩(wěn)破壞模式分析，可得出：

1)當(dāng)承載層充填體高度為1.5 m時(shí)，其所受最大拉應(yīng)力為σt max=0.148 MPa(下分層的一步驟進(jìn)路開(kāi)挖后，相鄰進(jìn)路礦巖支撐上部承載層充填體)、σt max= 0.298 MPa(下分層的二步驟進(jìn)路開(kāi)挖后，相鄰進(jìn)路充填體支撐上部承載層充填體)。

2)當(dāng)承載層充填體高度為1.2 m時(shí)，其所受最大拉應(yīng)力為σt max=0.184 MPa(下分層的一步驟進(jìn)路開(kāi)挖后，相鄰進(jìn)路礦巖支撐上部承載層充填體)、σt max=0.243 MPa(下分層的二步驟進(jìn)路開(kāi)挖后，相鄰進(jìn)路充填體支撐上部承載層充填體)。

采用薄板模型解析計(jì)算過(guò)程中選用的毛坪鉛鋅礦充填體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 典型進(jìn)路充填體薄板模型計(jì)算參數(shù)表Table 2 Parameters for thin plate model of backfill in typical drift

進(jìn)一步選用毛坪鉛鋅礦充填體單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系為σc=3.392σt，可以當(dāng)毛坪鉛鋅礦下向矩形進(jìn)路承載層充填體符合薄板模型時(shí)，其典型尺寸進(jìn)路中(寬3.5 m×高3 m)，承載層充填體單軸抗壓強(qiáng)度理論需求(FS=1.0)為：

1)承載層充填體高度為1.5 m時(shí)：0.372 MPa(下分層開(kāi)挖一步驟進(jìn)路時(shí))、0.501 MPa(下分層開(kāi)挖二步驟進(jìn)路時(shí))。

2)承載層充填體高度為1.2 m時(shí)：0.623 MPa(下分層開(kāi)挖一步驟進(jìn)路時(shí))、0.826 MPa(下分層開(kāi)挖二步驟進(jìn)路時(shí))。

1.3 米切爾法

針對(duì)下向進(jìn)路充填體的受力模式，可知下向揭露的充填體頂板穩(wěn)定性研究及其強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)際受很多復(fù)雜因素影響，包括充填體物理力學(xué)性質(zhì)、進(jìn)路尺寸、充填體與圍巖相互作用、充填體失穩(wěn)破壞模式等，還進(jìn)路空區(qū)多次充填時(shí)的分層弱面、充填體強(qiáng)度不均勻分布等。對(duì)此，加拿大女王大學(xué)Mitchell教授等[11]通過(guò)充填體下向揭露力學(xué)分析(圖3)，提出了四種充填體頂板的潛在破壞模式，并分別給出了相應(yīng)的充填體強(qiáng)度需求計(jì)算模型，具體包括塌落破壞(式4)、折斷破壞(式5)、滑動(dòng)破壞(式6)和轉(zhuǎn)動(dòng)破壞(式7)。

圖3中展示四種潛在破壞模式及其計(jì)算方法，總體構(gòu)成了米切爾法，在下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求計(jì)算研究中得到較多應(yīng)用。利用毛坪鉛鋅礦充填體的物理力學(xué)參數(shù)，如表3所示，分別計(jì)算了四種潛在破壞模式下的充填體強(qiáng)度需求，包括充填體的單軸抗壓強(qiáng)度σc、單軸抗拉強(qiáng)度σt和抗剪強(qiáng)度τ，并根據(jù)直線(xiàn)型摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則統(tǒng)一換算成充填體的單軸抗壓強(qiáng)度需求。

圖3 下向進(jìn)路充填體米切爾法解析模型Fig.3 Mitchell analytical model for backfill in downward rectangular drift

表3 典型進(jìn)路充填體米切爾法解析模型計(jì)算參數(shù)表Table 3 Parameters for Mitchell analytical model of backfill in typical drift

利用米切爾法的四種破壞模型及強(qiáng)度需求計(jì)算公式，計(jì)算得出毛坪鉛鋅礦典型進(jìn)路尺寸(寬×高=3.5 m×3 m，長(zhǎng)30 m)充填體單軸抗壓強(qiáng)度理論需求(FS=1.0)為：0.1 MPa(塌落破壞時(shí))、0.475 MPa(折斷破壞時(shí))、1.025 MPa(滑動(dòng)破壞時(shí))和8.338 MPa(轉(zhuǎn)動(dòng)破壞時(shí))。

美國(guó)著名充填采礦專(zhuān)家David Stone研究指出：當(dāng)不考慮下向進(jìn)路充填體的轉(zhuǎn)動(dòng)和采場(chǎng)圍巖閉合擠壓作用時(shí)，米切爾法中的折斷破壞模型得出的充填體強(qiáng)度需求是最適用的；當(dāng)進(jìn)路充填體的高度超過(guò)充填體跨度一半時(shí)，在不考慮采場(chǎng)圍巖閉合擠壓作用下，米切爾法中的塌落模型和滑動(dòng)模型通常是不適用的；米切爾法中的轉(zhuǎn)動(dòng)破壞模型只是在特定條件下才可能發(fā)生，需要單獨(dú)結(jié)合不同礦山進(jìn)路充填體實(shí)際統(tǒng)計(jì)的垮塌情況進(jìn)行適用性分析。

因此，根據(jù)David Stone研究建議，優(yōu)先選用米切爾法中折斷破壞模型及強(qiáng)度需求計(jì)算方法，得出毛坪鉛鋅礦典型進(jìn)路尺寸充填體單軸抗壓強(qiáng)度理論需求(FS=1.0)為0.475 MPa。

(4)

(5)

(6)

(7)

1.4 理論強(qiáng)度需求綜合分析

綜合毛坪鉛鋅礦典型尺寸(寬×高=3.5 m×3 m，長(zhǎng)30 m)下向矩形進(jìn)路承載層充填體的單軸抗壓強(qiáng)度需求計(jì)算結(jié)果，可得如表4的簡(jiǎn)支梁模型、薄板模型、米切爾法折斷模型解析的充填體強(qiáng)度需求。從表4中可看出，毛坪鉛鋅礦典型尺寸下向矩形進(jìn)路充填體的理論強(qiáng)度要求(安全系數(shù)FS=1.0時(shí))約為0.4～0.8 MPa(承載層高1.5 m時(shí))、0.5～1.1 MPa(承載層高1.2 m時(shí))。

表4 下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求解析計(jì)算結(jié)果表Table 4 Analytical calculated results for strength requirement of backfill in downward drift

2 礦山現(xiàn)階段浮動(dòng)安全系數(shù)計(jì)算

采場(chǎng)實(shí)際充填過(guò)程中，受礦山充填系統(tǒng)的工業(yè)穩(wěn)定性、礦山充填質(zhì)量控制水平、充填料漿沉降離析導(dǎo)致進(jìn)路充填體強(qiáng)度分布不均勻等實(shí)際因素影響，在充填強(qiáng)度需求優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同礦山不同時(shí)期的整體充填技術(shù)水平，統(tǒng)計(jì)分析得出礦山不同階段的浮動(dòng)安全系數(shù)，定量表征因充填系統(tǒng)工業(yè)穩(wěn)定性造成的充填強(qiáng)度不均勻性的影響，用于評(píng)估技術(shù)滿(mǎn)足礦山充填情況的實(shí)際強(qiáng)度需求。

為評(píng)估企業(yè)充填系統(tǒng)工業(yè)穩(wěn)定性的影響，近兩年充填站每班充填作業(yè)過(guò)程中，在充填料漿攪拌槽內(nèi)取不同配比充填料漿進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而開(kāi)展28 d齡期膠結(jié)充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，具體包含2019年完成的739組28 d齡期不同配比膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)、2020年完成的392組28 d齡期充填體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如圖4展示了典型配比參數(shù)時(shí)測(cè)取的膠結(jié)充填體強(qiáng)度離散分布結(jié)果。

圖4 2019～2020在毛坪鉛鋅礦充填站取料漿養(yǎng)護(hù)測(cè)得典型配比充填體強(qiáng)度離散分布圖Fig.4 Strength discrete distributions of typical backfill collected in backfill plant in 2019-2020

進(jìn)一步利用基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論提出了浮動(dòng)安全系數(shù)計(jì)算方法，假設(shè)近兩年在充填站實(shí)際測(cè)取的充填體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)樣本滿(mǎn)足正態(tài)分布，使用如式(8)所示的一種充填體實(shí)際強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)時(shí)所用的浮動(dòng)安全系數(shù)FS計(jì)算方法：

(8)

式中，UCSp是某一典型充填配比參數(shù)條件下室內(nèi)配比試驗(yàn)得到的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；λ是同樣充填配比條件下一定時(shí)期內(nèi)在充填站工業(yè)制備料漿后取樣測(cè)得充填體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)樣本的平均值；ω是一定時(shí)期內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

基于上述浮動(dòng)安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算方法，利用近兩年在毛坪鉛鋅礦充填站取料漿養(yǎng)護(hù)測(cè)得的典型配比充填體強(qiáng)度離散分布數(shù)據(jù)樣本，計(jì)算得出了考慮毛坪鉛鋅礦實(shí)際充填系統(tǒng)工業(yè)穩(wěn)定性的浮動(dòng)安全系數(shù)為2.735。

進(jìn)一步，將表4給出了不同解析模型計(jì)算的典型下向進(jìn)路充填體理論強(qiáng)度需求值，與定量標(biāo)準(zhǔn)礦山現(xiàn)階段整體充填技術(shù)水平和工業(yè)穩(wěn)定性的浮動(dòng)安全系數(shù)相結(jié)合，得到了毛坪鉛鋅礦典型尺寸(寬×高=3.5 m×3 m，長(zhǎng)30 m)下向矩形進(jìn)路承載層充填體的實(shí)際強(qiáng)度需求為為1.1～2.2 MPa(承載層高1.5 m時(shí))、1.4～3 MPa(承載層高1.2 m時(shí))。

結(jié)合毛坪鉛鋅礦現(xiàn)階段采用的進(jìn)路承載層充填體高度多為1.5 m，可以看出優(yōu)化計(jì)算得出的下向進(jìn)路充填體實(shí)際強(qiáng)度需求值1.1～2.2 MPa顯著低于現(xiàn)階段要求的不低于4.5 MPa設(shè)計(jì)值，為毛坪鉛鋅礦利用優(yōu)化的實(shí)際充填體強(qiáng)度需求及其配比參數(shù)進(jìn)行實(shí)際進(jìn)路充填工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證提供了合理依據(jù)，對(duì)顯著降低礦山膠凝材料用量并控制膠結(jié)充填成本提供重要參考。

3 結(jié)論

1)采用簡(jiǎn)支梁模型、薄板模型和加拿大米切爾法折斷破壞模型，解析計(jì)算得出了毛坪典型尺寸(寬×高=3.5 m×3 m，長(zhǎng)30 m)下向矩形進(jìn)路充填體的理論強(qiáng)度要求(安全系數(shù)FS=1.0時(shí))約為0.4～0.8 MPa(承載層高1.5 m時(shí))、0.5～1.1 MPa(承載層高1.2 m時(shí))。

2)以毛坪鉛鋅礦近兩年在充填站取料漿養(yǎng)護(hù)后測(cè)得的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)樣本，分析了毛坪鉛鋅礦實(shí)際制備的充填體強(qiáng)度離散性特征，計(jì)算得出了可定量表征毛坪鉛鋅礦現(xiàn)階段實(shí)際充填強(qiáng)度工業(yè)離散性的浮動(dòng)安全系數(shù)為2.735.

3)綜合利用毛坪鉛鋅礦典型尺寸進(jìn)路充填體的理論強(qiáng)度需求及礦山現(xiàn)階段浮動(dòng)安全系數(shù)，得出毛坪鉛鋅礦1.5 m高的進(jìn)路承載層充填體實(shí)際強(qiáng)度需求為1.1～2.2 MPa，與礦山原設(shè)計(jì)不低于4.5 MPa的強(qiáng)度需求對(duì)比后，為后續(xù)采用優(yōu)化的充填體強(qiáng)度需求進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證提供合理依據(jù)，預(yù)期可顯著降低進(jìn)路充填膠凝材料用量及膠結(jié)充填成本，可為同類(lèi)礦山下向進(jìn)路充填體強(qiáng)度需求的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法參考。