窄長(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、窄長(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 于永純1,2，羅正良1,2 ，孫長(zhǎng)坤1,2，魏曉明3（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，保山 678300；3礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）摘 要：為了解決金廠河多金屬礦空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄕL(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，以該礦礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用優(yōu)選3種理論方法，進(jìn)行了強(qiáng)度要求解析計(jì)算。通過(guò)構(gòu)建礦山典型開采區(qū)域的三維數(shù)值模型，采用FLAC3D軟件開展了兩步驟采充時(shí)序的數(shù)值模擬計(jì)算，搜索得出了一步驟窄長(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體極限穩(wěn)定狀態(tài)下的強(qiáng)度數(shù)值解，進(jìn)而對(duì)比分析了充填體強(qiáng)度要求數(shù)值解與理論解，確定

2、了一步驟窄長(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體的所需強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為同類礦山膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：膠結(jié)充填體；強(qiáng)度需求；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬Strength requirement and structure design of cemented backfill in narrow - long stope YU Yongchun1,2，LUO Zhengliang1,2，SUN Changkun1,2，WEI Xiaoming3(1. Yunnan Gold Mining Group Co., Ltd., Kunming 650200, China；2. Baoshan Jinchan

3、ghe Mining Co., Ltd., Baoshan 678300, China；3. BGRIMM Technology Group，Beijing 100160，China)Abstract: In order to optimize the strength design of the cemented backfill in long-narrow stopes of Jinchanghe polymetallic mine, the analysis of the strength requirements was carried out with the mechanical

4、 parameters of rock-backfill and three theoretical methods. Then, based on the construction of three-dimensional numerical model of typical mining area, the numerical simulation calculation of two-step mining and filling sequence was analyzed by FLAC3D software. Furthermore, the strength numerical s

5、olution of narrow-long cemented backfill in one step stope was obtained by searching. The numerical solution and theoretical solution of strength requirement of cemented backfill were compared and analyzed, and the required strength and structure design of narrow-long cemented backfill in one step s

6、tope was determined. It can provide a reference for the optimization calculation of the backfill strength requirements of similar mines.Key words: cemented backfill; strength requirement; structure design; numerical simulation引言階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法是采用空?qǐng)龇ɑ夭珊髮?duì)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

7、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(fèi)大量不必要的水泥，加大企業(yè)的充填成本3。目前國(guó)內(nèi)外膠結(jié)充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法可分為三類，即經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)采場(chǎng)尺寸（長(zhǎng)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(jì)算和數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)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(zhǎng)

8、采場(chǎng)膠結(jié)充填體的所需強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為類似礦山膠結(jié)充填體要求優(yōu)化設(shè)計(jì)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，礦層底板巖性以矽卡巖、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?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，礦體分為礦房和礦柱，采場(chǎng)垂直礦體走向布置，階段高50 m，礦房和礦柱寬15m，長(zhǎng)為礦體水平厚度，平均為120m，采場(chǎng)之間中間不留間柱，分兩步驟連續(xù)回采。根據(jù)礦山初設(shè)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

9、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(cè)定2.1 巖石力學(xué)參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(yàn)，獲得了三種巖石的力學(xué)參數(shù)，見表2-1。表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of rock巖石名稱密度/g/cm3抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/頂板巖石2.588.59127.134.60.2425.4546.00礦體3.3213.12215.244.80.2236.8549.17底板巖石2.604.607424.90.2620.0735.3

10、22.2 充填體力學(xué)參數(shù)考慮礦山實(shí)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(cè)試獲得了充填體在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)下28d齡期的容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，見表2為開展采場(chǎng)充填體強(qiáng)度需求的解析計(jì)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)Table 2 The mechanical parameters of cemented backfill灰砂比彈性模量/GPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa容重/(KN/m3)1:4 0.840.4345.140.302.5218.81:8 0.

11、610.4023.740.310.9119.21:10 0.520.2428.810.320.7719.01:150.350.1035.740.330.5619.33 窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度理論計(jì)算3.1 強(qiáng)度計(jì)算方法選擇金廠河多金屬礦單個(gè)采場(chǎng)體積達(dá)到9萬(wàn)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，事關(guān)重大，必須科學(xué)合理。因此，為了快速評(píng)估空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄖ幸徊襟E采場(chǎng)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(jì)算獲取窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體的強(qiáng)度要求。3.2 充填體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)選取（1）充填體內(nèi)摩擦角、滑移角、充填體粘聚力與單軸

12、抗壓強(qiáng)度比值M根據(jù)表2的充填體力學(xué)測(cè)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。（2）充填體-后壁圍巖接觸面的粘聚力與充填體粘聚力的比值ra，充填體-側(cè)壁圍巖接觸面的粘聚力與充填體粘聚力的比值rs，充填體-側(cè)壁圍巖接觸面的摩擦角s參照國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)8，ra=0.2，rs=0.5，s=26。（3）膠結(jié)充填體容重和非膠結(jié)充填體u膠結(jié)充填體平均容重為19.6kN/m3，非膠結(jié)充填體容重為18.3kN/m3。3.3 窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度計(jì)算礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)長(zhǎng)度為120m，寬度為15m，高度為50m，由于無(wú)法掌握現(xiàn)場(chǎng)的充填生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及井下原位充填體質(zhì)量情

13、況，根據(jù)以往的安慶銅礦、草樓鐵礦等工程經(jīng)驗(yàn)，安全系數(shù)一般選取范圍在2.02.5之間。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(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，窄長(zhǎng)膠結(jié)充填體所需強(qiáng)度取相對(duì)保守值為2.13MPa。表3 采場(chǎng)充填體所需強(qiáng)度Table 3 The strength requirement of cemented backfill礦冶集團(tuán)公式Mitchell公式安慶公式FS=1.0FS=2.5FS=1.0FS=2.5FS=1.0FS=2.50.942.130.691.201.461.464 窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析4.1 三維采場(chǎng)模型的建立利用F

14、LAC3D有限差分軟件，以金廠河礦一步驟和二步驟的典型采場(chǎng)為依據(jù)，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型（長(zhǎng)寬高=840m315m350m），見圖1。在此典型采場(chǎng)的數(shù)值模擬中，建立了3個(gè)相鄰的一步驟和二步驟采場(chǎng)，如圖2所示，并在一步驟采場(chǎng)（1#采場(chǎng)）內(nèi)布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)截面，分別在采場(chǎng)寬度方向X=150m、157.5m和165m三個(gè)監(jiān)測(cè)截面，在采場(chǎng)長(zhǎng)度方向Y=390m、420m和450m三個(gè)監(jiān)測(cè)截面，通過(guò)6個(gè)監(jiān)測(cè)截面上的塑性區(qū)發(fā)展變化分布情況判斷1#采場(chǎng)充填體的穩(wěn)定性。 圖1 三維采場(chǎng)模型 圖2 一步驟采場(chǎng)充填體監(jiān)測(cè)截面Fig.1 Three-dimensional stope model Fig.2 Monitor

15、ing section of one-step backfill 4.2 窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體數(shù)值模擬分析1#、2#和3#采場(chǎng)的具體采充順序?yàn)椋?#一步驟采場(chǎng)回采和充填2#二步驟采場(chǎng)回采和充填3#二步驟采場(chǎng)回采。（1）1#一步驟采場(chǎng)回采和充填1#采場(chǎng)回采后，圍巖位移場(chǎng)和塑性區(qū)分布見圖3。其中圍巖豎向位移最大值為1.38mm，水平X方向位移最大值為1.69cm，水平Y(jié)方向位移最大值為1.72mm，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，故了1#采場(chǎng)回采后，圍巖整體穩(wěn)定。首先設(shè)定1#采場(chǎng)充填體的粘聚力為200 kPa時(shí)，按照公式1將充填體的粘聚力換算成單軸

16、抗壓強(qiáng)度為0.571 MPa左右。 （1）式中：M常數(shù)，取0.35；c粘聚力，MPa；單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。 （a）位移場(chǎng) （b）塑性區(qū)圖3 圍巖的位移場(chǎng)和塑性區(qū)Fig.3 Displacement field and plastic zone of surrounding rock（2）2#采場(chǎng)回采和充填2#采場(chǎng)回采后，1#采場(chǎng)充填體前壁揭露，由于篇幅有限，本文展示了采場(chǎng)寬度方向X=157.5m和采場(chǎng)長(zhǎng)度方向Y=420m兩個(gè)監(jiān)測(cè)截面的塑性區(qū)，如圖4所示。當(dāng)1#采場(chǎng)充填體粘聚力為200 kPa時(shí)，1#采場(chǎng)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

17、#采場(chǎng)非膠結(jié)充填體會(huì)在3#采場(chǎng)回采時(shí)對(duì)1#采場(chǎng)膠結(jié)充填體產(chǎn)生側(cè)向推力作用，影響1#采場(chǎng)充填體再次單側(cè)暴露時(shí)的穩(wěn)定性，從保守的角度考慮，在2#采場(chǎng)充填體中添加少量的水泥提高其自身的強(qiáng)度，初步采用充填體的粘聚力為70kPa、內(nèi)摩擦角為20（將充填體的粘聚力換算成單軸抗壓強(qiáng)度后為0.2 MPa左右）。 2#1# （a）X=157.5m （b）Y=420m圖4 前壁揭露1#采場(chǎng)充填體塑性區(qū)（c=200kPa）Fig.4 Plastic zone of front wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=200kPa） （3）3#采場(chǎng)回采當(dāng)3#采場(chǎng)

18、回采后，1#采場(chǎng)的膠結(jié)充填體后壁暴露，從圖5中可以看出，1#采場(chǎng)膠結(jié)充填體在2#低標(biāo)號(hào)充填體（粘聚力為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(chǎng)充填體底部發(fā)生的貫穿1#采場(chǎng)寬度的塑性區(qū)，說(shuō)明在2#采場(chǎng)充填體的作用和影響下，1#采場(chǎng)充填體不再能夠保持穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)1#采場(chǎng)充填體所需強(qiáng)度時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提高其設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。3#2#1# （a）X=157.5m （b）Y=420m圖5 后壁揭露1#采場(chǎng)充填體塑性區(qū)（c=200kPa）Fig.5 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=20

19、0kPa） （4）1#采場(chǎng)充填體的粘聚力提升至300 kPa為了保證在2#采場(chǎng)低標(biāo)號(hào)充填（粘聚力70 kPa）作用下開挖3#采場(chǎng)后仍能保持1#采場(chǎng)充填體后壁暴露的穩(wěn)定性，將1#采場(chǎng)充填體粘聚力由200 kPa提升至300 kPa（相對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度為0.857MPa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(chǎng)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(chǎng)回采時(shí)1#采場(chǎng)充填體內(nèi)無(wú)大型塑性區(qū)形成，并且在圍巖變形和2#采場(chǎng)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的粘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(duì)最優(yōu)的

20、強(qiáng)度參數(shù)，需在200300 kPa之間找出相對(duì)最優(yōu)的1#采場(chǎng)充填體粘聚力和單軸抗壓強(qiáng)度。3#1#2# （a）X=157.5m （b）Y=420m圖6 后壁揭露1#采場(chǎng)充填體塑性區(qū)（c=300kPa）Fig.6 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=300kPa）（5）1#采場(chǎng)充填體的粘聚力提升至270 kPa當(dāng)1#采場(chǎng)充填體的粘聚力為270kPa時(shí)（單軸抗壓強(qiáng)度為0.771MPa），采用同樣的采充順序，獲得了1#采場(chǎng)充填體后壁暴露后的塑性區(qū)分布情況。從圖7可知，1#采場(chǎng)充填體在3#采場(chǎng)回采后整體

21、保持穩(wěn)定狀態(tài)，靠近采場(chǎng)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(chǎng)充填體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此1#采場(chǎng)的膠結(jié)充填體粘聚力最優(yōu)值為270kPa，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)。3#1#2# （a）X=157.5m （b）Y=420m圖7 后壁揭露1#采場(chǎng)充填體塑性區(qū)（c=270kPa）Fig.7 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=270kPa）4 窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照兩步驟采場(chǎng)回采時(shí)序，對(duì)一步驟采場(chǎng)膠

22、結(jié)充填體所需強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析。通過(guò)對(duì)數(shù)值解和理論解（FS=1.0和2.5）對(duì)比可知，充填體所需強(qiáng)度數(shù)值解分別為0.771MPa和1.93MPa，低于理論解0.94MPa和2.13MPa，因此選取理論計(jì)算結(jié)果2.13MPa（保守值）作為窄長(zhǎng)采場(chǎng)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度要求。根據(jù)礦山采礦設(shè)計(jì)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?jī)刹糠?，埑溝出礦底部為9m，中上部高度為41m，其中底部強(qiáng)度為3.0MPa，中上部強(qiáng)度根據(jù)理論計(jì)算為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 dia

23、gram of strength structure of backfill5 結(jié)論1）通過(guò)對(duì)金廠河多金屬礦空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄖ姓L(zhǎng)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度要求的理論計(jì)算和采充時(shí)序的數(shù)值模擬研究，確定了50m階段高度窄長(zhǎng)采場(chǎng)充填體所需強(qiáng)度為2.13MPa。 2）窄長(zhǎng)采場(chǎng)一步驟膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)分底部和中上部?jī)刹糠?，埑溝出礦底部為9m，中上部高度為41m，其中底部強(qiáng)度為3.0MPa，中上部強(qiáng)度為1.7 MPa。參考文獻(xiàn)1 孫忠銘，劉慶林，余斌. 地下金屬礦山大直徑深孔采礦技術(shù)M. 北京：冶金工業(yè)出版社，2014 LIU Zhongming, LIU Qinglin, YU Bin. Long holemining

24、 techniques in underground metal minesM. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2014.2 劉光生，楊小聰，郭利杰. 基于采充時(shí)序的空?qǐng)鏊煤蟪涮铙w強(qiáng)度要求優(yōu)化研究J. 有色金屬工程，2019，9(10)：85-94.LIU Guangsheng, YANG Xiaocong, GUO Lijie. Optimization research on backfill strength requirement of open stoping with subsequent backfill mining based

25、on excavating and filling sequences J. Nonferrous Metals Engineering, 2019, 9(10): 85-94.3 楊小聰，郭立杰. 尾礦和廢石綜合利用技術(shù)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018 YANG Xiaocong, GUO Lijie. Comprehensive utilization technology of tailings and waste rockM. Beijing: Chemical Industry Press, 2018.4 魏曉明. 高階段全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性及充填體配比設(shè)計(jì)研究D. 北京：北

26、京科技大學(xué)，2018. WEI Xiaoming. Study on strength characteristics and ratio design of high stage whole tailing cemented backfillD. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2018. 5 吳愛祥，沈慧明，姜立春，等窄長(zhǎng)型充填體的拱架效應(yīng)及其對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度的影響J中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2016，26(03)：648-654.WU Aixiang, SHEN Huiming, JIANG Lichun, et al. Arc