分段充填采矿法充填体稳定性分析及控制.pdf

第5 2 卷第4 期 20 00 年1 1 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ，N o ．4 N o v e m b e r20 00 分段充填采矿法充填体稳定性分析及控制 许新启 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要本文采用静力学平衡原理及概率分析原理。对武山铜矿分段充填采矿法水砂充填体斜壁稳定性进行了系统分析 研究，提出了切实可行的加固措施及合理的充填方案，现场应用效果良好。 关键词分压；充填涛；稳定性 中图分类号；T D 8 5 3 3 4 睨文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 0 1 8 0 5 武山铜矿南矿带下部矿体矿岩稳固，矿体厚度 6 ～1 0 m ，采用分段充填采矿法进行回采，即在阶 段被划分为分段后，每个分段直接形成独立的出矿 和通风系统；分段充填采矿法设计采用多单元分步 距方式回采，每一步距回采结束后立即充填，单元 宽度4 ～6 m ，步距长5 ．5 ～6 m ，分段高度1 0 m 。由 于分段高度较高，为降低充填成本，采用水砂充填 时，充填体稳定性将直接影响着分段充填采矿法每 一步回采过程及第二单元回采能否顺利进行，并直 接关系到该采矿方法的贫损大小、生产能力等指 标。为有效解决充填体垮塌现象，提高充填体的自 立能力，必须对分段充填体稳定性进行研究。 1基础数据 武山铜矿充填料主要包括尾砂和长江江砂，其 粒级组成见图1 。 考虑到江砂粒级较粗，纯江砂水砂充填时，江 零 、 嘲 扪 土 瞵 图1 尾砂及江砂粒级组成曲线 F i g ．1 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc u r v e 8o f t a i l i n g sa n dt h er i v e rs a n d 级部分尾砂，改善其不合理的粒级组成，增大 颗粒间的粘聚力，提高水砂充填体强度。实验室试 验推荐混合充填料的江砂尾砂比为4 ．0 8 。各水砂 充填料力学参数见表1 。 砂颗粒间仅存在毛细力[ 1 3 ，必须补充一定的细粒 表1 水砂充填料力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cf i l l i n gm a t e r i a l s 充填料容重丫渗透系数孔隙率内聚力内摩擦角变异系数 盥』巴2丝 型1 2￡ 苎鱼 翌 堡翌 江砂1 5 ．19 7 ．4 54 0 ．3 21 3 ．0 0 03 5 ．0 0 01 ．3 8 00 ．1 1 0 尾砂1 7 ．01 ．1 24 0 ．7 72 6 ．0 0 02 7 ．0 0 00 ．1 8 50 ．1 7 0 混合砂1 6 ．57 ．4 73 9 ．5 62 0 ．0 0 03 0 ．0 0 00 ．1 9 00 ．1 6 5 2 计算分析原理 在砂土质边坡稳定性分析中，人们普遍采用圆 弧形破裂面的简化B i s h o p 法及概率分析法。 收稿日期1 9 9 9 一0 1 1 5 作者简介许新启，男，3 5 岁，高级工程师，硕士 简化B i s h o p 法原理如图2 所示【1J 。假定水砂 充填体斜壁沿最小阻力线破裂，破裂面为一圆弧面 a b ；为进行边坡稳定性分析，将滑动体划分为若干 直条，其中任意第i 分条上的作用力见图2 a 。 若不计分条之间的摩擦力，即∑ F “一F 2 i t g 甲 0 ，则简化B i s h o p 法计算公式如下 万方数据 第4 期许新启分段充填采矿法充填体稳定性分析及控制 N - aC l i c o s a i w i Q i t g 垆 p u R o s a i t g 趔以a i ／F s ∑ w i Q i s i n a i 式中F r 安全系数 w 土条重力，k g Q 坡面荷载，N a 滑动面与水平面间夹角，。 舻水砂充填体内摩擦角，。 C 水砂充填体内聚力，N F 圆心 x i i - x i a 图2B i s h o p 原理示意图 F i g ．2S c h e m a t i co fB i s h o pp r i n c i p l e 由统计学可知，0 - 2 s d { 。g P ∑ w ．。。圳 c ．f ] ∑ W i - c o s a i 2 仃} t g P z 2 盯} c 仃午2 仃f W ．．S i n 。 】20 当S M ≤0 时，边坡发生破坏，破坏概率P ，为 P f 0 ．5 1 吵 户s M ／盯s M 式中，9 为正态偏差的累计概率函数，查表可 得正态曲线下哕的面积。这样，边坡的稳定概率 P 。为P 。 1 一P f 简化B i s h o p 公式为一非线性方程，等式两边 均有未知数，为求出安全系数最小的最危险的滑动 面，计算工作量很大。为此本文采用F O R T R A N 语言编制了简化B i s h o p 计算及概率分析程序【引， 对最危险滑动半径、最危险滑动圆心位置采用“二 分法”搜索，从而得到最危险滑动面及相应的安全 系数值，最后进行概率分析，计算边坡的稳定概 率。程序框图如图4 所示。 图3 潜在滑面的抗滑力与下滑力概率密度函数 F i g ．3P r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n so fa n t i s l i d i n gf o r c e a n ds l i d i n gf o r c eo np o t e n t i a ls l i d i n gc u r v e ds l o p e 概率分析法是采用概率论与统计学理论知识， 来预估边坡的破坏概率，从而使边坡稳定的定量分 析更为明确。假定抗滑力S S E S i t g 妒∑ W i 州 c o s a i C E l i 1 t 9 9 ∑ W i C O S a i C 1 与下 滑力T T E T j ∑ W j s i n a i 服从正态分布， 则边坡稳定的安全储备S M S M S T 也服 从正态分布，如图3 所示，在图中阴影区中，尽管 户。 卢T ，边坡仍有可能发生破坏。这样，安全储 备的正态分布表达式为 佃， 志酬一号 訾 2 ] 式中户s M 安全储备平均值， S M E S i E T i t g 够∑ W i C O S 口i C Z 一∑ W i s i n a i 盯S M 安全储备标准差，且d s M 、／盯孚 盯； 输人原始数据包括土坡表面几何特征点数及坐标 值、土层数及各土层力学参数、安全系数相对误差 精度、水平地震系数、水位线坐标、特征点间荷载 采用二分法变动半径，计算圆心l 的最小 安全数F s 1 及危险半径R 1 同上，变动计算范围，分别计算圆心2 至圆心5 的最小 安全系数F S I 及危险半径R I ，I 2 ～5 选取圆心2 至圆心5 中安全系数最小值，并 与圆心l 比较，小值作为新的圆心l 判断I F S I 一∑F S I ／5 I t T O L 图4 程序框图 F i g ．4 F l o w s h e e to fp r o c e s s 万方数据 2 0有色金属 第5 2 卷 3采场水砂充填体稳定性计算 选择分段充填采矿法水砂充填体边坡稳定性计 算模型时分为如下二类i ．纯江砂充填介质，充填 高度1 0 m ；i i ．江砂尾砂混合充填料介质，充填高 度1 0 m 。 对于每一类计算模型，水砂充填体稳定安全系 数很大程度上取决于水砂充填体坡角的大小；然 而，水砂充填体坡角又与凿岩时中深孔前倾角密切 相关，基本决定着中深孔凿岩的前倾角，坡角过小 必然增加中深孔凿岩的难度和精确度，严重影响施 工质量和作业效率。在满足水砂充填体稳定安全系 数的前提下，应尽量采用较大的坡角。计算选定水 砂充填体坡角为8 0 。、7 5 。、7 0 。。由此得到六类计 算方案组合，计算结果见表2 。 表2 计算结果 T a b l e2C a l e d a t e dr e s u l t s 备注最危险圆弧的圆心坐标x 、Y 均为以坡角为原点的笛卡尔坐标系值 随着斜壁倾角的加大，无论是纯江砂还是江砂 尾砂混合充填料。其水砂充填体稳定性均有不同程 度降低，但稳定概率均大于9 5 ％，可靠程度较高。 其次，斜壁倾角相同时，江砂尾砂混合充填料明显 好于纯江砂充填料的水砂充填体稳定性，前者的安 全系数较后者高0 ．0 3 9 ～0 ．1 0 8 ；并且，江砂尾砂 混合充填料斜壁倾角7 5 。的水砂充填体安全系数较 之纯江砂充填料斜壁倾角7 0 。的水砂充填体安全系 数稍高，即安全系数相同时，江砂尾砂混合充填体 的斜壁倾角可比纯江砂充填体斜壁陡5 。，有利于 提高充填体斜壁倾角。 理论上讲，安全系数F s 等于1 的边坡处于极 限平衡状态，即满足边坡稳定；考虑到滑坡危害， 工程上通常要求安全系数具有一定的安全储备。根 据工程性质、经济合理性原则等，安全系数F S 通 常为1 ．0 5 ～1 ．5 0 。由于水砂充填体斜壁稳定仅用 于满足回采过程中的短期行为，且水砂充填体坍塌 不存在对人或其它设备等的危害，水砂充填体斜壁 可按三级边坡工程选取，其安全系数F s 适宜采用 1 ．0 5 ～1 ．1 5E 3 3 。这样。为满足水砂充填体安全系 数，确保水砂充填体斜壁稳定，采用纯江砂充填 时，斜壁倾角不大于7 0 。时满足要求；采用江砂尾 砂混合充填时，斜壁倾角不大于7 5 。时满足要求。 4充填体稳定性影响因素分析 如下因素对充填体的稳定性具有重要影响。 4 ．1 充填体内聚力C 的影响 充填料粒级组成不同，充填体致密程度差异较 大，充填体内聚力C 将产生较大变动；充填料粒 级越粗，内聚力C 越小，变异系数越大。表3 为 不同内聚力C 的水砂充填体斜壁安全系数F s 值。 表3 不同内聚力C 的安全系数值 T a b l e3S a f e t yc o e f f i c i e n tv a l u e so fs l o p e sw i t h d i f f e r e n tc o h e s i v ef o r c e s 塑墨垄曼 里生 至全墨墼垒 i 塑 备注计算模型为纯江砂充填体，倾角7 5 。。以下计算模型 同。 对于纯江砂充填体，当充填体内摩擦角一定 D 3 5 。 时，随着充填体内粘聚力的逐步增大， 充填体边坡安全系数也逐步增大，其内聚力增大 l k P a 时充填体斜壁安全系数值提高2 ．8 ～9 ．5 ％； 特别是当充填体内聚力C 1 5 k P a 时，其安全系数 F s 1 ．0 9 1 ，满足工程规定的边坡稳定要求。 4 ．2 充填体内摩擦角妒的影响 不同粒级充填料组成的充填体，其内摩擦角相 差较大粒级组成越粗，内摩擦角 D 越大；并且含 水状态不同，其内摩擦角也有较大差异当砂土饱 和度≤5 0 ％，即砂土呈潮湿状态时，砂土的内摩擦 角通常可提高3 ～5 。【引。表4 为不同内摩擦角‘p 的 水砂充填体斜壁安全系数F s 值。 对于纯江砂充填体，当充填体内聚力一定 C 1 3 k P a 时，随着充填体内摩擦角的增大，充填 万方数据 第4 期许新启分段充填采矿法充填体稳定性分析及控制 体边坡安全系数也逐步增大，其内摩擦角增大1 。 时充填体斜壁安全系数值提高2 ．7 ～7 ．0 2 ％；当充 填体内摩擦角妒 3 8 。时，其安全系数F s 1 ．0 8 8 ， 满足工程规定的边坡稳定要求。 表4 不同内摩擦角妒的安全系数值 T a b l e 4S a f e t yc o e f f i c i e n tv a l u e so fs l o p e sw i t h i n t e r n a lf r i c t i o n a la n g l e s 囱壁堡鱼里 安全系数F s0 ．9 3 5 10 ．9 9 0 11 ．0 1 6 81 ．0 8 8 2 4 ．3 斜壁高度的影响 分段充填采矿法采空区高度1 0 m ，充填时采空 区底部必须构筑滤水门，并敷设一定高度的竹笆， 对充填体可起到一定的挡土墙作用，从而减少了充 填体边壁的暴露高度。表5 为不同斜壁高度下水砂 充填体斜壁安全系数F s 值。 表5 不同斜壁高度H 的安全系数值 T a b l e 5S a f e t yc o e f f i c i e n tv a l u e so fs l o p e sw i t h d i f f e r e n th e i g h t s 对于纯江砂充填体，随着充填体斜壁高度的降 低，充填体边坡安全系数明显增大，斜壁高度降低 1 ．5 m 时，充填体斜壁安全系数提高1 2 ％；斜壁高 度降低2 ．5 m 时，充填体斜壁安全系数提高达 3 0 ％；当充填体高度H 9 ．4 m 时。其安全系数F s 1 ．0 7 2 6 ，满足工程规定的边坡稳定要求。 5充填离析及分次充填对水砂充填体 斜壁稳定性影响 5 ．1 充填离析对水砂充填体斜壁稳定性影响 尾砂和江砂粒级组成差别较大，混合材料充填 时不可避免产生离析现象，即尾砂或水泥与江砂产 生明显分层，这样，采空区一次充填时，充填介质 即可呈现为二层，即上部为尾砂或水泥等细粒级充 填体，下部为江砂等粗颗粒混合砂充填体。为简化 计算，假定江砂尾砂粗细粒级间相互渗透较小，上 下充填体力学参数影响忽略不计，同时各充填高度 下离析程度一致，即离析率相同 离析率为单位充 填高度下离析充填体高度值的比值 ，由此按斜壁 7 5 。模型分别计算了不同离析程度的水砂充填体斜 壁安全系数F s 值，结果见表6 。 江砂尾砂混合充填时，水砂充填体斜壁安全系 表6 不同充填离析率的斜壁安全系数值 T a b l e6S a f e t yc o e f f i c i e n tv a l u e so fs l o p e sw i t hd i f f e r e n t f i U i n gs e p a r a t i o nf a c t o r s 离析程度纯江砂0 ．1 50 ．20 ．2 5纯尾砂 安全系数F s 1 ．0 1 6 81 ．0 9 9 31 ．0 9 8 01 ．0 9 2 31 ．1 8 9 3 数值大大高于纯江砂的安全系数值，略小于纯尾砂 底板为江砂充填体 的安全系数值，并且在低离 析率 0 ．1 5 0 ．2 5 条件下，随着充填离析程度 的增大，即尾砂充填高度的增加，其边坡安全系数 值略有降低，但均明显高于工程规定的边坡稳定要 求的安全系数值，由此可以看出，在江砂充填料中 混入一定比例的尾砂充填，不仅改善了江砂本身的 力学性能，而且产生离析后其边坡的安全系数值仍 然得到较大提高，有利于提高水砂充填体斜壁稳 定。 5 ．2 分次充填对水砂充填体斜壁稳定性影响 分段充填采矿法采空区充填量较大、高度较 高，考虑到充填料浆对底部滤水门的压力并便于地 表充填料补充备料等，充填时多采用分次充填。对 于1 0 m 高的分段采空区，充填设计推荐分二次充 填。这样，对于江砂尾砂混合充填料的分段充填采 空区分二次充填，其水砂充填体可呈现出四层充填 体，即尾砂层 混合砂层 尾砂层 混合砂层，选 定离析率0 ．2 ，分次充填时不同高度比的水砂充填 体斜壁安全系数F s 值见表7 。 表7 分次充填不同高度比的斜壁安全系数值 T a b l e 7 S a f e t yc o e f f i c i e n tv a l u e so fs l o p e sw i t h m u l t i p l ef i l l i n gh e i g h t s 壹壁些 占 丝 安全系数F s1 ．1 1 3 21 ．1 1 4 71 ．1 7 4 51 ．1 5 8 01 ．1 3 6 8 分次充填高度不同，水砂充填体斜壁安全系数 值略有变化，并且在斜壁高度的2 ／3 ～1 ／2 处，其 安全系数值较大；另外，比较表7 和表6 ，从数据 上看，多次充填的斜壁安全系数略高于同样离析条 件下一次充填的斜壁安全系数 F s 1 ．0 9 8 。 6结语 根据对采场水砂充填体斜壁稳定性计算、影响 因素及充填离析、多次充填等的分析研究，为提高 武山铜矿分段充填采矿法充填体稳定性，提出如下 建议 1 在满足充填管路输送、脱水等要求的前提 下，充填料应尽量选择粒级组成较细的江砂，或者 万方数据 有色金属第5 2 卷 采用江砂尾砂混合充填料，以增加江砂粒级组成中 的细粒级含量，提高充填体强度。究其原因，尽管 采用较粗粒级的江砂有利于提高充填体内摩擦角， 但同时必然导致充填体内聚力的大幅度降低，因此 充填体斜壁稳定性必须综合考虑内聚力及内摩擦角 二者影响作用的最终结果；从数值上看，内摩擦角 及内聚力的改变对于斜壁稳定性影响基本处于同一 级别，但从充填工艺看，江砂添加细料级尾砂，不 仅易于实现充分利用尾砂之目的，且细粒级江砂价 格便宜。有利于降低充填成本。 2 分段充填采矿法回采时尽量采用向充填体 挤压爆破，以提高充填体的致密程度和充填体强 度；其次，加大采矿进度，缩短回采时间，保证水 砂充填体始终处于潮湿状态，使之具有较大的内摩 擦角。 3 采空区底部应采取适当的加固措施j 减少 充填体斜壁暴露高度，这样可显著提高斜壁安全系 数第一，提高充填滤水门的架设质量，其横木和 斜撑应架设于底部巷道两侧和底板上，并且在下一 步距回采过程中，切忌破坏滤水门，使之能够阻止 充填体移动；第二，在采空区底部内侧架设横撑， 敷设竹筋、竹笆、竹搭子等，一方面便于与滤水门 联接，固定滤水门，提高充填滤水门的稳定性，另 一方面可相应提高充填体底部的敷设高度，并有利 于充填滤水门顶部的密闭，从而降低充填体斜壁高 度。 4 充填时采取适当措施，降低充填离析程 度，提高充填体斜壁稳定性；主要措簏包括提高 料浆浓度，降低江砂尾砂配比，架设脱水管增大采 空区脱水能力，添加絮凝剂等。 5 采用二次充填第一次充填高度5 ～6 m ， 第二次充填高度5 ～4 m 。 武山铜矿分段充填采矿法通过采取上述措施进 行分段充填，充填工作顺利，并大大提高了充填质 量及斜壁充填体稳定性，减少了回采矿石的损失贫 化，为提高矿山经济效益作出了贡献。 参考文献 1 梁钟琪主编土力学及路基北京中国铁道出版社，1 9 9 4 2 汪见鲸等编土建工程实用计算程序选编北京地震出版社，1 9 9 2 3 岩土工程手册编写委员会- 岩土工程手册北京中国建筑工业出版社，1 9 9 4 A N A L Y S I SA N DC O N T R O LO FF I L L I N GS T A B I L I T YO FS U B L E V E LF I L L I N GM E T H O D U X i n q i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 A B S T R A C T A c c o r d i n gt ot h eu l t i m a t eb a l a n c et h e o r yo fs t a t i c sa n da n a l y s i so fp r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c se x t e n s i v e l yu s e d i ns l o p ee n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es t a b i l i t yo fh y d r a u l i cf i l l i n gs l o p eo fs u b l e v e lf i l l i n gm e t h o da tW u s h a n C o p p e rM i n e ．H e n c es o m es u i t a b l ee n f o r c i n ga p p r o a c h e sa n df i l l i n gd e s i g na r ep r o v i d e d ．T h e s ea p p l i c a t i o n sb r i n g a b o u tg o o de f f e c t sa tt h em i n e ． K E YW O R D S s u b l e v e l ；f i l l i n gm e t h o d ；s t a b i l i t y 万方数据