阶段嗣后充填体稳定性分析与采场结构参数优化

周 乐，许卫军，姚 维，邱景平，任玉东

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.长春黄金研究院，吉林 长春 130012；3.凌源日兴矿业有限公司，辽宁 朝阳 122000)

阶段嗣后充填采矿方法是空场采矿法和充填法的结合体，不但具有生产效率高、资源回收强度大等优点，还可以对地压进行有效控制，正逐渐成为国内外开采“三下”矿山的重要方法之一[1-3]。虽然该方法已被广泛应用，但其中关于充填体强度的设计，国内矿山还主要采用经验公式法或类比法，这必然会造成经济上的不合理性或回采过程中的不安全性。因此，确定充填体的合理需求强度至关重要。国内外学者已经进行了大量研究，卢平[4]从考虑充填料强度特性的角度出发，对Thomas模型进行了修正；蔡嗣经[5]通过对国内外矿山充填体强度进行归纳分析，得出了充填体强度与其高度的半立方抛物线关系式；LIU等[6]、杜坤等[7]根据围岩开挖释放能量与充填体积蓄应变能相近原则，得到了考虑原岩地应力的胶结充填体强度设计公式；魏晓明等[8]推导了一步采中胶结充填体极限侧压状态下的数学模型，并将其用于充填配比设计。基于以上研究成果，本文以傲牛铁矿三采区128线以南矿体为工程背景，根据充填体与围岩相互作用机理，确定了充填体强度与采场尺寸的匹配关系，为傲牛铁矿矿石回采提供了理论指导，为类似金属矿山阶段空场嗣后充填采矿开采提供理论参考。

1 矿体开采技术条件

傲牛铁矿三采区128线以南矿体主要以急倾斜厚矿体为主，平均倾角75°，平均厚度15 m，矿体延深不大，最大为124线延深100 m，矿体形态变化较大，膨缩和分枝现象显著，矿体围岩主要为角闪混合花岗岩和角闪斜长片麻岩，围岩稳固性好。矿区西侧为尾矿库，东侧为选厂，为减小矿体开采对地表工程的影响，设计采用阶段矿房嗣后充填采矿法进行开采。

傲牛铁矿前期在回采128线以北残留矿柱时，利用矿山全尾砂与普通硅酸盐水泥进行了一系列充填体室内试验，从塌落度、泌水率、流动度等多方面因素分析，确定了充填料浆浓度为76%时为最优料浆浓度[9]，并将试验结果成功应用到矿柱的回收过程。不同灰砂比的充填体力学参数见表1。

表1 胶结充填体力学参数Table 1 Mechanical parameters of cemented backfill

2 矿房充填体稳定性分析

未采矿柱给矿房充填体的侧压力可用式(1)进行计算[10]。

(1)

式中：γ为矿石的容重，kN/m3；x为充填体沿高度方向坐标；φ为矿石与充填体接触面上的有效摩擦角，其值可近似取充填体的内摩擦角，°。

图1 矿房充填体受力模型Fig.1 Force model of room backfill

充填体内的水平应力σy主要由未开采矿柱的侧向压力P引起，因此设σy=xf(y)。对于图1所示的尾砂胶结充填体力学模型，考虑最危险的情形，假设充填体在y方向上无限长，将其即简化为平面应变问题[11-12]。该模型用应力函数表示见式(2)。

(2)

式中，Φ为应力函数。

利用式(2)对x进行两次积分处理后代入相容方程4Φ=0,对任意区域内的x、y均成立，需要相容方程有无数个根，则x的系数和自由项必须等于零，可得应力函数Φ见式(3)。

(Ey3+Fy2)

(3)

结合充填体力学模型的应力边界条件可得充填体剪切应力见式(4)[12]。

(4)

式中：λ为侧压力系数，其值为λ=tan2(45°-φ/2)；γ为矿石容重，取35.3 kN/m3；B为充填体宽度，m；ρ为充填体容重，kN/m3。

根据傲牛铁矿开采技术条件以及类似矿山开采经验，取矿房胶结充填体宽度为20～40 m，暴露高度为40～60 m，并根据表1的充填体力学参数，将其代入式(4)中得到不同配比充填体底部沿宽度B、高度H方向的剪切应力分布图，如图2所示。

图2 各配比的充填体在不同高度和宽度时的剪切应力分布图Fig.2 Distribution of shear stress of filling body with different ration under different height and width

由图2可知：①在胶结充填体的暴露侧，剪切应力为零，且沿着充填体宽度方向，剪切应力逐渐增大，但增长率越来越小，直到达到最高点时开始减小，在与未采矿柱接触处，胶结充填体所受的剪切应力趋向一定值，这是由于胶结充填体在变形过程中与未开采矿体接触而产生摩擦阻力的原因；②剪切应力曲线与采场高度有关，其高度越高，充填体内出现的剪切应力越大；③剪切应力曲线与采场宽度呈负相关，其宽度越小，曲线越陡，充填体内出现的剪切应力越大；④当H=60 m，B=20～30 m时，只有灰砂比为1∶6的充填体可以保持稳定，而灰砂比为1∶10、1∶20的充填体所受到的剪切应力大于其抗剪强度而发生破坏；当H=50 m，B=20～40 m时，灰砂比为1∶6的充填体会保持稳定，而灰砂比1∶10的充填体，在B=20 m、30 m时会发生破坏，灰砂比为1∶20的充填体在B=20～40 m时，均会发生破坏；当H=40 m，B=20～40 m时，灰砂比为1∶6、1∶10的充填体可以保持稳定，而灰砂比为1∶20的充填体内部最大剪应力为0.3 MPa，达到了其极限抗剪强度，由于充填体内剪应力与充填体呈负相关，与高度呈正相关，因此矿山在采用1∶20充填体进行充填时应降低采场高度，增加采场宽度。

综上所述，傲牛铁矿提供的灰砂比为1∶6的充填体适用于高度60 m以下、宽度20 m以上的采场；灰砂比为1∶10的充填体适用于高度50 m以下，宽度40 m以上的采场；灰砂比为1∶20的充填体适用于高度40 m以下，宽度40 m以上的采场。

由于矿体东侧、西侧分别存在选厂和尾矿库等重要构筑物，为保证开采不影响其稳定性，则需要考虑较大的安全系数，对采场高度进行折减。参照国内外矿山充填体强度与暴露面积的关系[4]，最终提出以下开采方案：采场高度为40 m，矿房宽度为40 m，矿柱宽度为30 m，采场长度为矿体厚度。一步先采矿房，空区用灰砂比为1∶6的料浆进行充填，待充填体达到一定强度后，二步回采矿柱时，矿柱开采完毕一次性用灰砂比1∶10～1∶20的充填料浆进行及时充填，以保证沉降对地表构筑物的影响最小。矿房矿柱布置图见图3。

图3 矿房矿柱布置图Fig.3 Layout of mine room and pillar

3 结 论

1) 建立了充填体单侧暴露的力学模型，通过平面应变问题得出了充填体内剪应力表达式，即式(4)。

2) 利用推导出的剪应力公式计算出傲牛铁矿灰砂比为1∶6、1∶10、1∶20的充填体在保持稳定的前提下所能达到的最大高度与宽度。灰砂比为1∶6的充填体适用于高度在60 m以下、宽度20 m以上的采场；灰砂比为1∶10的充填体适用于高度在50 m以下、宽度在40 m以上的采场；灰砂比为1∶20的充填体适用于高度在40 m以下、宽度在40 m以上的采场。

3) 根据傲牛铁矿开采技术条件及计算结果，确定采场参数：矿房高40 m，宽40 m，采用灰砂比1∶6，料浆浓度76%进行充填；矿柱高40 m，宽30 m，采用灰砂比1∶10～1∶20，料浆浓度76%进行充填。

本文的研究结果可以为国内类似矿山设计和开采提供参考，并有利于确定采场胶结充填体的强度需求，优化采场结构参数，达到增强采充过程安全性的目的。