充填法采场结构参数优化设计.pdf

第 26 卷 第 4期 2009 年 12 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 该矿山合理的采场结构尺寸为矿柱宽 8 m, 矿房宽 10 m, 控 顶高度 8 12 m. 关键词 采场结构参数; 充填采矿法; 弹塑性理论; 优化设计 中图分类号 TD 853 文献标识码 A Optimal Design of Stope Structural Parameters Using BackFilling T AO Ganqiang, SUN Bing, SONG Lixia, YANG Shijiao, ZENG Sheng School of Nuclear Resources and Safety Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China Abstract Using elasticplasticity theory and considering the occurrence condition of a certain mine, we built a 3D numerical model of stope stability, studied the stability of the stope with different structural parameters in backfilling mining and analyzed stress and displace ment of stope surrounding rock in accordance with structural parameters of stope such as pillar size, room size and stope lamination height. T he results show that 1 the max compressive stress and max tensile stress in the stope decrease with the increase of pillar width and increases with the increase of room width, and 2 reasonable stope structure size in this mine is is 8m for pillar width, 10m for room width, and 8 12m for controlled top height. Key words structural parameters of stope; backfilling ; elasticplasticity theory; opti mal design 随着充填新工艺、 新材料和新方法的研究和应 用成果层出不穷, 充填采矿技术与理论越来越得 到人们的重视[ 1]. 目前, 45 的有色金属大中型地 下矿山以及 37 的黄金中小型地下矿山采用充填 采矿法. 作为控制采场地压、 防止地表沉降和预防 深井岩爆的手段, 充填采矿法不仅是生产矿山用 来回采稀有、 贵重金属及有色金属富矿的合理有力 措施, 而且是开采特定条件和特殊矿体的有效手 段 [ 2] . 应用充填采矿法时, 如何选取合理的采场结 构参数一直是现场工程技术人员普遍关注的热点. 采场单元尺寸大小及其比例关系不仅是保证安全 回采的必要条件, 同时对分步骤回采的综合技术 经济效果有重要影响. 应用充填法时, 生产实践中通常采用经验类比 法和物理模拟实验方法确定其采场结构参数. 采场 参数凭经验或相似矿山类比法确定, 往往带有很大 的主观性, 难以得出真实可靠的结论. 物理模拟实 验得出的结论基本可靠, 但是它耗时、 耗力和耗费 第 4 期陶干强等 充填法采场结构参数优化设计 大量的财力. 随着矿山岩石力学理论以及数值仿真 技术的发展, 数值模拟方法已成为分析地下开采时 采场稳定性的有效方法. 该方法具有快捷、 计算成 本小等优点, 在现有理论成熟、 计算模型合理以及 力学参数正确的情况下, 数值模拟所得到的结论具 有一定的指导意义. 在已有的数值模拟方法中, 三 维弹塑性有限元方法是一种模拟分析地下开挖稳 定性问题的有效方法 [ 3] . 三维有限元能全面地反映 采场实际情况[ 4], 定量地计算和分析开采过程中采 场围岩中的应力、 位移和破坏区的分布状况, 从而 对采场围岩的稳定性状态做出判断 [ 58] . 大型有限 元软件 ABAQUS 能够模拟计算三维岩土体及其 他介质中工程结构的受力与变形特性, 计算过程中 允许材料发生屈服及流变, 尤其适用于材料的弹塑 性、 流变预测和施工过程中的岩土工程的数值模 拟, 因此得到国内外广泛认可与应用. 本文首先介绍了国内某锡矿山的工程地质概 况和矿体的赋存条件, 采用弹塑性理论建立了采场 稳定性分析的三维有限元模型. 在此基础上, 使用 ABAQUS 大型有限元分析软件, 分析了充填采矿 法不同结构参数时采场的稳定性以及围岩应力和 位移随采场结构参数尺寸变化的情况. 1 开采技术条件 国内某锡矿山属岩浆期后热液充填为主、 伴随 交代的单一硫化锑矿床. 矿体赋存于上泥盆统佘田 桥组硅化灰岩中, 呈多层结构. 矿体走向长1 500 2 000 m, 倾斜长 2 000 m 左右. 矿体厚度从薄至中 厚, 倾角由缓倾斜至倾斜. 矿体顶板为页岩, 岩石坚 固性系数 f 3 5, 不稳固. 底板为稳固的硅化灰 岩, f 10 18. 矿区内断层节理发育, 完整性较 差. 矿区地表分布有学校、 空压机房及居民楼等重 要建筑物, 不允许地下开采产生大的变形而使其遭 受破坏. 另外, 近地表有大量的采空区. 要实现安全 开采其下部 550 515 m 的矿体, 必须考虑合 理的采矿方法和采场结构参数. 2 采矿方案选择 2. 1 采矿方法选择 由于地表不允许塌陷, 矿体厚度大、 品位高, 且 有些部位呈多层出现, 不宜采用空场法和崩落法开 采. 考虑工程地质条件和开采技术经济条件, 拟采 用上向水平分层充填法, 即将矿体划分为矿房和间 柱, 第 1 步骤回采矿房, 用分层胶结充填形成人工 壁柱; 第 2 步骤回采间柱, 用尾砂废石充填, 分层回 采. 该采矿方法具有工艺简单、 采准工程量少、 矿石 回采率高等优点, 采矿方法如图 1 所示. 图 1 上向水平分层充填法示意图 Fig. 1 Flat back cut and fill 2. 2 采场结构参数选择 上向水平分层充填法由 人工壁柱 和尾砂充 填体共同作用支撑顶板压力. 设计采场结构参数 时, 主要考虑矿房宽度和长度、 矿柱宽度和长度、 以 及采场控顶高度. 垂直矿体走向布置矿块时, 矿房 和矿柱长度一般等于矿体的厚度. 因此, 采场结构参数优化设计指合理选择矿柱 宽度、 矿房宽度和采场控顶高度 3 者的尺寸大小. 设计时必须兼顾技术和经济两个方面. 当矿岩不稳 固时通常采用大矿房、 小间柱布置形式, 有利于增 大一步骤回采的采矿量、 提高矿石回采率, 相应地 充填成本较高、 矿房回采过程中安全程度低; 当矿 岩稳固时通常采用小矿房、 大间柱布置形式, 矿房 胶结充填量减少, 充填成本降低, 间柱回采过程中 安全程度低. 因此, 为使矿柱和矿房回采过程的安 全程度大致相同, 在矿石强度大于充填体强度时, 矿房宽度应大于间柱宽度; 在矿石强度小于充填体 强度时, 间柱宽度应大于矿房宽度. 采场控顶高度 较小时, 采场生产能力受到一定的限制, 但顶板容 易控制、 作业安全; 控顶高度较大时, 有利于采用无 轨设备, 从而提高采场生产能力, 缺点是不利于顶 板管理. 根据该矿山多年的现场工作经验, 矿房宽度一 般为 8 12 m, 矿柱宽度为 6 10 m, 控顶高度为 8 12 m. 以上所选择的采场结构参数是否符合下 部矿体开采时的技术与安全要求, 尚需要进行理论 研究和现场验证. 461 采矿与安全工程学报第 26 卷 3 三维弹塑性有限元数值模拟 3. 1 有限元模型的建立 为完全模拟采矿过程中覆岩与采场稳定性受 采动影响的过程, 以各中段地质平面图、 地质横剖 面图以及各分层的采空区地质平面图为建模的基 础资料. 根据各分层剖面的工程地质、 岩性、 矿体的 分布, 建立采场及其影响区域的三维模型. 采场模型选用 3 个矿房 2 个矿柱. 矿体倾角为 25, 厚度为 14 m, 矿体上边界距离地表为 60 m. 沿 矿体走向布置矿房, 取岩石移动角为 55, 影响范 围为采场的前后左右 4 个面由矿体边缘向外 100 m, 上部取至地表 60 m, 下侧由矿体底板最低点向 下 100 m. 模型上边界施加重力荷载, 重力应力场 按剖面方向转化后加载于模型. 模型的边界处理方法是 模型的前后左右 4个 面约束水平方向 X 和水平方向 Y 的位移, 竖直方 向为自由沉降; 模型下部边界全固定, 为全约束边 界; 模型上表面 地面 为全自由. 边界不约束, 为自 由边界. 网格采用六面体单元, 单元划分按照从模 型外边界到采场逐渐加密的原则. 评价指标 采用 DruckerPrager 准则确定开 采的应力、 位移、 可能出现的破坏范围, 以及矿房与 矿柱的拉压应力值、 塑性屈服状态等. 矿岩进入塑 性状态的判断准则采用 DruckerPrager 准则 I1J2- k 0 , 1 式中 和 k 为材料系数; I1为应力张量第一不变 量; J2为应力偏量第二不变量[ 910]. 3. 2 岩体力学参数 力学参数涉及计算区域内岩体介质类型的简 化, 选择恰当的力学参数是保证数值计算可靠的重 要条件. 岩体物理力学参数是根据矿区内不同的岩 体分别选取的, 分为 6 类 上盘围岩、 顶板灰岩、 矿 体、 下盘围岩、 胶结充填体和尾砂充填体. 本文根据 实验室岩块试验, 并考虑试块的结构效应和尺寸效 应的影响, 对岩块的力学参数进行适当修正后获得 比较接近岩体实际的力学参数. 表 1, 2 分别为采场 围岩力学参数和充填体的力学参数. 表 1 岩体及充填体物理力学参数 Table 1 Physicalmechanical parameters of rocks mass and fining body 名称 容重/ kN ∀ m- 3 抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 弹性模量/ GPa 剪切模量/ GPa 泊松比 内摩擦角/ 黏聚力/ M Pa 岩体 上盘围岩2 76098. 257. 28314. 9126. 720. 3142. 332. 456 顶板灰岩2 72081. 297. 83215. 8356. 760. 2341. 531. 689 矿体2 71079. 368. 09515. 3726. 510. 2239. 529. 467 下盘围岩2 79076. 236. 89216. 2896. 810. 2441. 231. 521 充填体 胶结1 9004. 5680. 58. 0010. 23360. 250 尾砂1 8001. 25603. 6890. 29300. 150 表 2 采场结构参数优化数值模拟结果 Table 2 Calculation simulation results of affecting factors of stope structure 方案 矿柱 宽度/ m 矿房 宽度/ m 控顶 高度/ m 最大 压应力/ MPa 最大 拉应力/ MPa 最大 位移/ mm 168812. 11. 5014. 2 26101014. 61. 7117. 8 36121216. 21. 9420. 1 4881011. 31. 4611. 7 58101213. 51. 6916. 1 6812815. 51. 8718. 0 71081210. 71. 438. 65 81010812. 61. 6214. 4 910121012. 91. 7916. 3 4 计算结果分析 4. 1 应力分析 由模拟结果 图 2 和表 2 可见, 采矿活动使采 场周围矿岩的应力场发生了重新分布, 扰动范围大 约为开采区域长度的 2 3 倍, 在开采区域的远处 应力场仍为水平应力分布. 随着施工步的推进, 围 岩的应力分布呈周期性变化. 矿床开挖后, 采场周 围应力值变大, 但充填后开挖面周围应力集中又有 所减小. 当下一施工步开挖并充填后, 围岩应力集 中进一步减小, 而新的回采面周围应力逐步增大. 图 2 数值模拟结果图 Fig. 2 Calculation simulation results 462 第 4 期陶干强等 充填法采场结构参数优化设计 应力集中位于采场顶部靠近下盘的角点以及 采场底部靠近上盘的角点, 以方案 3 压应力最大, 达到 16. 2 MPa, 所有模拟方案的最大压应力均没 有超过岩体的抗压强度; 最大拉应力位于采场顶部 中央, 以方案 3 应力集中最为严重, 达到 1. 94 MPa; 最大拉应力均没有超过岩体的抗拉强度. 充 填体主要受压应力作用. 从图 3 和图 4 中可以看 出, 采场最大压应力和最大拉应力随矿柱宽度增大 而减少, 随矿房宽度增大而增大, 这与理论和现场 实践基本相符. 图 3 最大压应力与矿柱宽度、 矿房宽度关系图 Fig. 3 Schematic diagram among max compressive stress, pillar width and room width 图 4 最大拉应力与矿柱宽度、 矿房宽度关系图 Fig. 4 Schematic diagram among max tensile stress, pillar width and room width 4. 2 位移分析 从图 2 和表 2可看出, 模拟方案 1 中采场周围 岩体产生了明显的移动, 矿体下盘岩体变形较小, 在 1. 53 1. 72 mm 之间; 矿体上盘岩体变形在 2. 29 14. 2 mm 之间. 方案 3 位移变形最为严重, 地表下沉最大值为 20. 1 mm; 方案 7 位移变形最 小, 地表下沉最大值为 8. 65 mm. 与之相对应的 是, 方案 3 中矿房宽度最大、 矿柱最小, 而方案 7 中 矿柱最大、 矿房宽度最小. 可见, 矿房和矿柱宽度对 岩体变形有显著影响. 为了更清楚地分析矿柱和矿 房宽度对最大位移值的影响, 图 5 给出了 3 者之间 关系. 从图中可以看出, 地表下沉值随矿柱宽度增 加而减小, 随矿房宽度增加而加大. 图 5 最大位移与矿柱宽度、 矿房宽度关系图 Fig. 5 Schematic diagram among maximum displacement, pillar width and room width 充填体内的变形情况为 与上、 下盘围岩的变 形一致, 位于上盘的充填体以沉降为主, 而靠下盘 与底板的充填体以底鼓为主, 说明了充填体对位移 的限制作用. 可见充填体不仅起支撑作用, 更主要 的是阻止了围岩强度因地压活动而产生的弱化, 相 对提高了开采条件下围岩自身的强度和承载能力. 虽然充填体的弹性模量和强度相对较低, 却有效地 抑制了围岩的变形, 起到稳定采场的作用. 对比方案 8 和 9, 在矿柱宽度为 10 m 不变条 件下, 矿房宽度分别为 10 m 和 12 m, 由于最大压 应力随矿房宽度增大而增大, 而两者最大压应力仅 相差 0. 3 MPa, 位移相差 1. 9 mm. 可见, 采场控顶 高度对岩体变形有一定影响, 但影响效果不是很明 显. 实际中, 可根据矿岩稳固程度采取不同的控顶 高度. 若矿岩稳固, 可取较大值; 反之, 取较小值. 4. 3 综合评价 由于矿体顶板不稳固且充填体强度小于矿体 463 采矿与安全工程学报第 26 卷 强度, 因此选择大矿房、 小间柱布置形式, 则 9 个方 案中可排除方案 4、 方案 7和方案 8. 从安全角度考 虑, 由于方案 2、 方案 3 和方案 6 产生的应力集中 最严重以及产生的位移最大, 因此将其排除. 剩下 的 3种方案中, 方案 1 采场结构参数较小, 不利于 提高生产能力, 因此将其排除. 方案 9 与方案 5 相 比, 前者矿房和矿柱宽度都较大, 不利于矿柱回采 安全. 综上所述, 以方案 5 采场结构参数最优, 故选 矿柱宽度为 8 m, 矿房宽度为 10 m, 控顶高度为 8 12 m. 5 结 论 1 矿房和矿柱尺寸划分应遵循合理的原则, 设计时必须兼顾技术和经济这两个方面. 当矿岩不 稳固时通常采用大矿房、 小间柱布置形式; 当矿岩 稳固时通常采用小矿房、 大间柱布置形式. 2 采场顶部靠近下盘的角点以及采场底部靠 近上盘的角点有较高的应力集中, 最大拉应力位于 采场顶部中央, 为采场最不稳定的区域. 采场最大 压应力和最大拉应力随矿柱宽度增大而减少, 随矿 房宽度增大而增大. 3 地下开挖使得采场周围岩体产生了明显的 变形, 矿体下盘岩体变形较小, 上盘岩体变形较大. 地表下沉值随矿柱宽度增加而减小, 随矿房宽度增 加而加大. 采场控顶高度对岩体变形有一定影响. 4 通过数值模拟计算得到某锡矿山最佳的采 场结构参数为 一步回采矿柱宽 8 m, 二步回采矿 房宽为 10 m, 控顶高度为 8 12 m. 5 从开采技术条件、 安全程度及经济方面对 9 种模拟方案进行了简单的综合评价. 采取何种指标 如何合理的评价采场结构参数, 有待进一步的研 究. 参考文献 [ 1] 李 晓, 路世豹, 廖秋林, 等. 充填法开采引起的地裂 缝分布特征与现场监测分析[J]. 岩石力学与工程学 报, 2006, 257 1361 1362. 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