鸡冠嘴金矿充填体强度数值分析

院 雷 王 维 李敏智

(湖北三鑫金铜股份有限公司)

鸡冠嘴金矿充填体强度数值分析

院 雷 王 维 李敏智

(湖北三鑫金铜股份有限公司)

鸡冠嘴金矿采场、空区均需胶结充填，充填体强度能够满足回采安全需要。但对充填体与围岩的相互作用机理认识较少，而充填体与围岩之间的相互作用机理与优化采矿工艺和降低充填采矿成本密切相关。采用数值计算方法，分析了采场与充填体相互影响程度，结合生产实际，得出采场合理充填体强度。

胶结充填 作用机理 合理强度

鸡冠嘴金矿于1988年建矿，后更名为湖北三鑫金铜股份有限公司，是中国黄金集团控股的大型黄金矿山企业，位于大冶市城西3.5 km处。目前生产规模3 000 t/d,年采选矿石100万t，年产金1 300 kg,产铜1.2万t。矿床成因类型属于高～中温热液矽卡岩型矿床，倾角32°～88°，一般70°～80°，为中厚～厚大矿体。矿块分两步骤回采，60%以上矿块采用中深孔分段凿岩阶段落矿嗣后充填采矿法，配合使用上向水平分层充填采矿法和浅孔留矿嗣后充填采矿法。

矿区范围内地表为围垦区，排灌沟渠纵横交错，地表不允许陷落，所有采空区均进行胶结充填。所用充填胶固材料为工业废渣生产的新材料，具有“凝固快、强度高、成本低”的优点，充填体强度能够满足回采安全需要[1]。但对充填体与围岩的相互作用机理认识较少，而胶结充填体—矿体—岩体之间的相互作用机理是优化采矿工艺和降低充填采矿成本的重要基础。为此，本文采用目前采矿行业应用广泛的FLAC3D软件，根据矿区矿岩及充填体力学参数试验结果，建立数值模拟分析模型[2]，计算分析一、二步骤开采采场、充填体相互影响程度，并得出一、二步骤回采合理充填体强度。

1 计算模型及力学参数

以计算分析开采时充填体与矿柱相互作用机理及一、二步骤开采充填体强度为目标，选取某矿柱与两翼采场为研究区域，重点研究二步骤矿柱回采时两翼充填体受力变形情况，以及二步骤开采形成的空区围岩受力变形情况。整体模型见图1，单个采场内选取阶段矿房法和上向水平分层进行回采模拟，采场细部情况见图2。岩石及充填体物理力学参数见表1。

2 计算结果分析

2.1 二步骤回采对一步骤采场充填体强度要求

设置监测点1为一步骤充填体与二步骤采场接触区域，监测点2为一步骤充填体中心，通过监测点数据对比，分析不同采矿方法对充填体的影响。监测数据见表2。

图1 充填体强度计算力学模型

图2 采矿与充填方法力学模型

表1 岩石及充填体物理力学参数[3]

表2 监测点位移、应力对比

从表2可以看出，二步骤采用上向分层充填法回采对两翼充填体强度要求最小，阶段矿房嗣后充填回采围岩两翼充填体强度要求最大，两种采矿方法充填体水平位移均大于充填体垂直位移，两采场充填体接触区域压应力最小，此区域内充填体主要受拉应力变形破坏，最大拉应力不超过0.4 MPa。

充填体底部中心位置受压应力最大，阶段矿房嗣后充填最大应力达到3.5 MPa，上向分层充填法最大应力为3.0 MPa。

因此，对于二步骤回采采用上向分层充填法，其一步骤两翼充填体需保证底部5 m充填体强度达到2～3 MPa，上部充填体仅需要保证其充填体自立和完整，其强度参数达到1.5 MPa。对于二步骤回采采用阶段矿房嗣后充填法，其一步骤两翼充填体需保证底部10 m充填体强度达到3～3.5 MPa，上部充填体仅需要保证其充填体自立和完整，其强度参数达到1.5 MPa。

两种采矿方法的充填体垂直位移云图见图3，水平方向位移见图4，整体位移云图见图5，充填体最大主应力云图见图6。

图3 充填体垂直方向位移云图

图4 充填体水平方向位移云图

图5 充填体整体位移云图

图6 充填体最大主应力云图

2.2 二步骤采场充填体强度要求

通过以上计算分析，二步骤采用阶段矿房嗣后充填采矿法回采时对一步骤采场充填体强度要求最高。为此，模拟一步骤采场采用1∶8充填体计算，分析二步骤待采矿柱位移应力变化情况，为二步骤矿柱回采及底柱回采所要求的充填体强度提供依据。从图7(a)可以看出，矿柱两翼充填体顶板位移最大，位移值达0.5 m，底板位移达0.2 m，矿柱上部30 m范围岩体受一步骤开采扰动，岩体位移较大，达0.1～0.3 m，矿柱下部20 m范围岩体基本无垂直位移，受开采扰动很小；从图7(b)可以看出，矿柱中间部分岩体水平位移最大，达0.3～0.5 m，两翼充填体自身水平方向位移很小，其变形主要受矿柱变形的影响，因此，两翼充填体基本可以自立，其自立高度达40 m以上；从图7(c)、图7(d)可以看出，矿柱底部受压应力最大，其最大值达4 MPa，因此，做混凝土假底或高强度(高配比)充填体，假底其强度设计应达到4 MPa以上[3]，大多区域充填体受压应力小于1.5～2 MPa；从图7(e)、图7(f)可以看出，矿柱受压变形引起矿柱局部拉剪破坏，是影响二步骤回采的主要因素。

3 结 论

通过以上回采过程的数值模拟，对一、二步骤充填体受力变形及与围岩相互作用机理有了基本的掌握，结合鸡冠嘴金矿生产实际中各种配比充填体使用效果，得出以下结论：

(1)二步骤回采对两翼充填体强度参数要求：采用上向分层充填法，一步骤两翼充填体需保证底部5 m充填体强度达到2～3 MPa，上部充填体仅需要保证其充填体自立和完整，其强度参数达到1.5 MPa即可；采用阶段矿房嗣后充填法，一步骤两翼充填体需保证底部10 m充填体强度达到3～3.5 MPa，上部充填体仅需要保证其充填体自立和完整，其强度参数需达到1.5 MPa。

(2)二步骤采场高强度充填体假底其强度设计应达到4 MPa以上，才能保证底柱回采安全。其他区域充填体受压应力小于1.5～2 MPa。

(3)在采场充填过程中可以使用不同的灰砂比，按回采步骤、分高度按不同的灰砂比充填，达到既满足充填强度要求，同时可以大幅降低充填成本。

[1] 孙连忠，梁中扬，刘成平.新型尾砂胶结材料及其在矿山充填中的应用[R].大冶：湖北三鑫金铜股份有限公司，2006.

[2] 马长年.金川二矿区下向分层采矿充填体力学行为及其作用的研究[D].长沙：中南大学，2011.

[3] 李向东,刘成平.矿区典型矿岩及充填体物理力学特性试验研究[R].长沙：长沙矿山研究院，2012.

Numerical Analysis of the Strength of the Filling Body of Jiguanzui Gold Mine

Yuan Lei Wang Wei Li Minzhi

(Sanxin Gold & Copper Co., Ltd.)

The goafs of Jiguanzui gold mine are need to conduct cemented filling, the strength of filling body can meet the needs of mining safety. However, there is little understanding of the interaction mechanism of filling body and surrounding rock, in fact, the interaction mechanism of filling body and surrounding rock is closely related to optimization of mining technology and reduce the cost of filling mining. The numerical calculation method is adopted to analyze the interaction influence degree of stope and filling body, combing with the actual situations of stope, the strength of filling body is obtained.

Cemented filling, Action mechanism, Reasonable strength

2015-04-22)

院 雷(1982—)，男，工程师，435100 湖北省大冶市。