接顶率对充填体稳定性的影响研究.pdf

接顶率对充填体稳定性的影响研究 ① 刘奇，欧任泽，林卫星，郑海力（长沙矿山研究院有限责任公司国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙４１００１２）摘要为了研究充填接顶率对充填体稳定性的影响，运用ＭＩＤＡＳ有限元软件建立了不同接顶率下胶结充填矿柱稳定性分析模型。在研究影响充填接顶率主要因素的基础上，得到充填次数与充填接顶率的关系方程。采用ＭＩＤＡＳ软件创建了１１个不同接顶率的矿岩及充填体模型，通过分析不同充填接顶率时胶结充填体的受力状况，对胶结充填体安全稳定性进行综合评价，从而得到较合理的充填接顶率。将该研究成果运用于某多金属矿山，当一步采场充填接顶率为７２．６％时，充填次数少、充填成本低且能保证采矿作业的安全性。该研究为其他类似矿山科学合理地提高充填接顶率提供了一种全新的指导方向。关键词充填采矿；充填体；ＭＩＤＡＳ；稳定性分析；回归分析；充填接顶率中图分类号ＴＤ８５文献标识码Ａｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０１．００５文章编号０２５３－６０９９（２０２０）０１－００２２－０５ＥｆｆｅｃｔｏｆＲｏｏｆ⁃ＣｏｎｔａｃｔＲａｔｅｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＢａｃｋｆｉｌｌＬＩＵＱｉ，ＯＵＲｅｎ⁃ｚｅ，ＬＩＮＷｅｉ⁃ｘｉｎｇ，ＺＨＥＮＧＨａｉ⁃ｌｉ（ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭｅｔａｌｌｉｃＭｉｎｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＭｉｎｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏＬｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００１２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｂａｃｋｆｉｌｌ，ａｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｃｅｍｅｎｔｅｄｂａｃｋｆｉｌｌｐｉｌｌａｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭＩＤＡＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｉｎｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ，ａｒｅｌａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｓａｎｄｔｈｅｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＵｓｉｎｇＭＩＤＡＳｓｏｆｔｗａｒｅ，１１ｒｏｃｋａｎｄｂａｃｋｆｉｌｌｍｏｄｅｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｅｄｂａｃｋｆｉｌｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｓ，ｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｅｍｅｎｔｅｄｂａｃｋｆｉｌｌｗａｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｅｖａｌｕａｔｅｄ，ｓｏａｓｔｏｏｂｔａｉｎａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｆｏｒｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ．Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｗａｓｔｈｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏａｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃｍｉｎｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｏｆ７２．６％ｆｏｒｔｈｅｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｉｎａｏｎｅ⁃ｓｔｅｐｓｔｏｐｅ，ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｌｅｓｓｆｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅ，ａｓｗｅｌｌａｓｓａｆｅｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃａｎｂｅｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｍａｙｂｅｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｏｔｈｅｒｓｉｍｉｌａｒｍｉｎｅｔｏｒａｔｉｏｎａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｉｎｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｂａｃｋｆｉｌｌ；ｂａｃｋｆｉｌｌｓ；ＭＩＤＡＳ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ；ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｒｏｏｆ⁃ｃｏｎｔａｃｔｒａｔｅｆｏｒｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ采用充填采矿法开采的矿山一般分为两步骤开采［１］第一步回采矿柱，第二步回采矿房。在第二步矿房回采过程中发现，如果矿柱接顶率太低，回采时就容易导致一步已充填矿柱偏帮甚至坍塌。从理论上来说，接顶率越高充填体自立能力就越强，二步矿房回采时采场的安全性就越高。因此国内外矿山都致力于最大化提高充填接顶率，但接顶率提高必将导致充填次数增加，充填技术难度加大，而且当充填接顶率达到某一值时，其所提高的安全性能非常有限。因此，如何获得经济合理的充填接顶率是充填法安全高效开采的重要因素。国内外学者对提高充填接顶率进行了大量研究［２－３］，但这些研究中均未对充填体稳定性及经济合理的充填接顶率问题进行研究。ＭＩＤＡＳ是一个适用于计算机平台的大型有限元分析软件，在岩土、隧道、矿山开采等工程领域得到广 ①收稿日期２０１９－０８－１３基金项目 “十二五”国家科技支撑计划项目（２０１５ＢＡＢ１４Ｂ０１）作者简介刘奇（１９８７－），男，江西赣州人，高级工程师，博士，长期从事采矿与充填技术研究工作。第４０卷第１期２０２０年０２月矿矿冶冶工工程程ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．４０ №１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０２０万方数据泛运用［４－５］。本文结合某多金属矿山具体开采条件，利用ＭＩＤＡＳ软件构建了不同充填接顶率的矿岩三维模型，通过研究矿房回采时胶结充填矿柱的受力状况及其稳定性，来确定该矿山一步采场较合理的充填接顶率，以实现该矿山的安全、高效、经济开采，并为今后类似矿山如何科学合理的提高接顶率提供技术指导。１影响充填接顶率的主要因素１．１导致充填体不能接顶的主要原因为保证充填料浆能够自流输送，其浓度不能太高，料浆浓度一般控制在６５％～７８％，这将导致充填料浆中水的含量大大超过水泥水化时所需水含量，因此，充填过程中将会有很多多余的水被脱去。充填过程结束后，因充填料浆离析及充填体沉降将迫使料浆中绝大部分的水吸附在充填体外表面，当这些水以自流的方式排出采空区后，充填体总体积将变小，充填料浆沉降，充填体外表面和采场顶板之间将会出现空隙。因此，充填料浆沉降是导致充填体无法全部接顶的主要原因。充填料浆沉降率是指充填体沉降的平均高度与充填体未脱水前的充填高度的比值。充填料浆沉降率的大小与充填体固有性质（如料浆浓度及孔隙率等）有关。查阅相关文献，充填料浆沉降率一般为５％～２０％［６］。１．２充填接顶率计算公式推导充填结束后利用钻孔观察采空区内充填体的最终形态，发现在充填管道管口附近一片区域内充填料浆完全接顶，而从该区域到采场边缘处，最终沉积的充填料浆形成了一定的沉积坡度，该坡度与料浆浓度、粘度等自身固有性质有关。ｉ＝ｈａ（１）式中ｉ为沉积坡度；ｈ为最大未接顶高度，ｍ；ａ为未接顶宽度，ｍ。充填完毕后，采场内充填体与采场顶板接顶区域面积总和与采场顶板面积的比值，就是充填接顶率Ｗ＝Ｓ１Ｓ２（２）式中Ｗ为充填接顶率，％；Ｓ１为接顶区域面积总和，ｍ２；Ｓ２为采场顶板面积，ｍ２。根据充填料浆在采场中的最终形态情况，构建充填采矿法不同充填接顶率的三维模型，将模型中未接顶区域的曲面平面简化处理，如图１所示，并将充填未接顶区域面积简化为三角形面积，此时可以将充填接顶率从面接顶率简化为线接顶率计算，即Ｗ＝Ｓ１Ｓ２＝ｂＢ（３）Ｓ′ ＝２０．５ａｈ＝ａｈ（４）式中Ｂ为采场宽度，ｍ；ｂ为接顶宽度，ｍ。采场内充填体与采场顶板不接顶主要是由于充填料浆沉降引起的，采场内未接顶区域面积与充填次数呈指数关系Ｓ′ ＝ＢＨｃｎ（５）式中Ｓ′为未接顶区域面积，ｍ２；Ｈ为采场高度或分层高度，ｍ；ｃ为沉降率，％；ｎ为充填次数，次。 h h H H h h abaaba abaaba A B C B C C-C B-B A-A 4 3 2 1 A BB BB iiii 1 3; 3A4 A4 图４充填接顶率与拉应力和压应力安全系数拟合曲线从图４可以看出，由Ｗｉ与Ｆτｉ或Ｆｓｉ组成的一组变量值，大体上都围绕某一曲线分布，这说明这两个变量之间应该存在某种函数关系，即可以用一个回归方程大体上表示出它们之间的相关关系。对于表３中给定的１１组数据（Ｗ１，Ｆτ１），（Ｗ２，Ｆτ２），，（Ｗ１１，Ｆτ１１），假５２第１期刘奇等接顶率对充填体稳定性的影响研究万方数据设使用３次多项式Ｆτ（Ｗ）＝ａ０＋ａ１Ｗ＋ａ２Ｗ２＋ａ３Ｗ３来表示Ｗｉ与Ｆτｉ的相关关系，并将表３中的１１组计算数据带入上面的多项式函数，使Ｆτ（Ｗ）尽可能接近这些已知的数据，多项式中的４个未知数ａ０、ａ１、ａ２、ａ３可以通过求解下面的最小化问题来得到。ｍｉｎａ０，ａ１，ａ２，ａ３∑ １１ｉ＝１（Ｆτｉ－（ａ０＋ａ１Ｗ＋ａ２Ｗ２＋ａ３Ｗ３）２）（１０）由式（１０）可以得到Ｗｉ与Ｆｓｉ相关关系的方程为Ｆτ≈ －０．０００００２５３Ｗ３＋０．０００６４Ｗ２－０．０３３１Ｗ＋１．５９（１１）同理可以得到Ｗｉ与Ｆｓｉ的相关关系方程Ｆｓ≈ ０．００００１３４Ｗ３－０．００２６３Ｗ２＋０．１８７５Ｗ－３．６２９４（１２）２．６确定较为经济合理的充填接顶率某多金属矿充填料浆沉降率１３％，进路断面规格４ｍ４ｍ，充填料浆沉降坡度０．９，则由式（６）可以计算得到充填１次时接顶率为２４％，充填２次时接顶率能为７２．６％，充填３次时接顶率为９０．１％。由图４可知，充填接顶率低于５５％时，压应力安全系数小于１，即充填１次时，二步矿房开采时将存在极大的安全隐患，由式（１１）和式（１２）可以计算得到充填２次时拉应力安全系数为１．６３，压应力安全系数为１．２２；充填３次时拉应力安全系数为１．９１，压应力安全系数为１．６９。查阅相关文献，当胶结矿柱的拉应力安全系数及压应力安全系数都不小于１．２时就能保证二步骤矿房开采的安全性［１０］。综合比较在不同接顶情况下胶结矿柱安全系数的大小及经济效益的分析结果，笔者认为针对该矿开采条件，当充填次数为２次、充填接顶率达到７２．６％时，充填次数少、充填成本低且能保证一步采胶结矿柱的稳定性和二步矿房开采的安全性，充填技术难度在矿山可操作范围内，故选定为该矿较经济合理的充填接顶率。３结论１）分析了影响充填接顶率的主要因素，研究了充填料浆在采场中的流动规律并绘制了充填料浆在采场中流动的最终形态图，同时得出了充填次数与充填接顶率的关系方程。２）结合某多金属矿山的具体开采条件，运用ＭＩＤＡＳ有限元软件创建了１１个不同接顶率的矿岩及充填体三维模型，并分析比较了这１１个模型的数值模拟结果，得到了接顶率与充填体拉应力及压应力相关关系的回归方程，同时应用抗拉及抗压安全系数评价了不同接顶情况下胶结充填矿柱的稳定性，充填接顶率越高，其抗拉及抗压安全系数越高，胶结矿柱就越稳定，但要提高充填接顶率，必然会相应地提高充填次数、增加充填作业成本及增大充填技术难度。３）某多金属矿充填时，当一步采场充填接顶率为７２．６％时，胶结矿柱抗拉安全系数为１．６３，抗压安全系数为１．２２，采用２次充填，充填次数少、充填成本低，且能保证一步采和二步采采场的安全性，最终确定为该矿山较经济合理的充填接顶率。参考文献［１］ＣｕｉｆｅｎｇＤｕ，ＹｉｎｇＺｕｏ，ＨａｏｆｅｎｇＬｉ，ｅｔａｌ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴａｉｌｉｎｇｓＢｒｉｑｕｅｔｔｉｎｇｆｏｒＦｉｌｌｉｎｇＭｉｎｉｎｇＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅＡｒｅａｉｎＪｉｎｓｈａｎｄｉａｎＩｒｏｎＭｉｎｅ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１２（１）３１０－３１５．［２］卢央泽，李丽君，姜仁义．关于提高充填接顶率的若干问题探讨［Ｊ］．有色金属（矿山部分），２００９（３）６－８．［３］周强，唐凯．冬瓜山铜矿提高采场接顶率的技术措施［Ｊ］．现代矿业，２０１８（１２）１０８－１１０．［４］ＨＵＪｉａｎ⁃ｈｕａ，ＬＥＩＴａｏ，ＺＨＯＵＫｅ⁃ｐｉｎ，ｅｔａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｒｏｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｕｎｌｏａｄｉｎｇｄｕｒｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｕｎｄｅｒ⁃ ｇｒｏｕｎｄｍｉｎｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ（ＥｎｇｌｉｓｈＥｄｉｔｉｏｎ），２０１１，２１（１２）２７２７－２７３３．［５］周科平，杜相会．基于３ＤＭＩＮＥ⁃ＭＩＤＡＳ⁃ＦＬＡＣ３Ｄ耦合的残矿回采稳定性研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１１，２１（５）１７－２２．［６］ＧｕｏＳｈｕａｉ⁃Ｊｉｅ，ＺｈａｎｇＦｕ⁃Ｈａｉ，ＷａｎｇＢａｏ⁃Ｔｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｐｒｅ⁃ ｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｌｕｒｒｙｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｒａｔｅａｔｔｅｎｕ⁃ ａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，５（１）７９－９２．［７］葛文杰．基于ＭＩＤＡＳ⁃ＧＴＳ的采场结构参数优化研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１７，３７（６）１－５．［８］ＳｉｎｇｈＭａｈｅｎｄｒａ．ＭｏｄｉｆｉｅｄＭｏｈｒ⁃Ｃｏｕｌｏｍｂｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｎｏｎ⁃ｌｉｎｅａｒｔｒｉ⁃ ａｘｉａｌａｎｄｐｏｌｙａｘｉａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｊｏｉｎｔｅｄｒｏｃｋｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓ，２０１２，５１４３－５２．［９］ＩｓｌａｍＭｄＲａｆｉｑｕｌ，ＦａｒｕｑｕｅＭｏｈａｍｍｅｄＯｍａｒ，ＡｈａｍｍｏｄＳｈａｍｉｍ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｉｎｅｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｎ⁃ ｈａｎｃｅｍｅｎｔａｔｔｈｅｂａｒａｐｕｋｕｒｉａｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＢａｎｇｌａｄｅｓｈ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，１８Ｔ４３１３－４３３４．［１０］吴大敏．坑采充填接顶率与充填体承载效果关系探讨［Ｊ］．化工矿物与加工，２００６，３５（４）２０－２３．引用本文刘奇，欧任泽，林卫星，等．接顶率对充填体稳定性的影响研究［Ｊ］．矿冶工程，２０２０，４０（１）２２－２６．６２矿冶工程第４０卷万方数据