进路式胶结充填采矿人工假底稳定性力学分析.pdf

Value Engineering 进路式胶结充填采矿人工假底稳定性力学分析 Mechanical Analysis of Stability of Artificial Bottom in Entrance Cemented Filling Mining 李旺淤LI Wang曰毛明发于MAO Ming-fa曰崔鹏于CUI Peng曰张贤淤ZHANG Xian曰 张泽裕于ZHANG Ze-yu曰方旭刚于FANG Xu-gang曰李劼淤LI Jie （淤驰宏科技工程股份有限公司， 曲靖 655011； 于云南驰宏锌锗股份有限公司， 曲靖 655011） （淤Chihong Technology and Engineering Co.， Ltd.， Qujing 655011， China； 于Yunnan Chihong Zn Ge Co.， Ltd.， Qujing 655011， China） 摘要院人工假底的稳定性是下向进路充填法安全高效开采的关键， 文章以云南某铅锌矿为工程背景， 为了确保开采过程中的安 全， 提高矿体回收率， 应用弹性力学理论、 薄板问题， 建立人工假底力学模型， 对该矿 18801964m 中段氧化铅锌矿回采过程中人工假 底的稳定性进行理论计算分析。研究结果表明， 该矿采用全进路胶结充填， 人工假底能够保证回采期间的安全和稳定。 Abstract The stability of artificial false bottom is the key to safe and efficient mining by downward filling . This paper takes a lead-zinc mine in Yunnan as an engineering background. In order to ensure the safety of mining process and improve the recovery rate of ore body, the mechanical model of artificial false bottom is established by applying elasticity theory and thin plate problem. The oxygen content in the mid-section of 18801964m of the mine is calculated. The stability of artificial bottom in the mining process of chemical lead-zinc mine is calculated and analyzed theoretically. The results show that the full-roadway cemented backfilling can ensure the safety and stability of the mining process. 关键词院膏体充填人工假底； 进路充填法； 力学模型； 薄板问题 Key words paste filling artificial base； approach filling ； mechanical model； thin plate problem 中图分类号院TD853.34文献标识码院A文章编号院1006-4311 （2020） 25-0165-03 0 引言 现代采矿技术中，大多数金属矿采用人工假底技术。 人工假底技术是由长春黄金研究院于 20 世纪 80 年代初 提出， 在红花沟金矿实施了钢筋混凝土假底[1]， 该技术在促 进金属矿山资源回收方面起到显著作用。 随着地表开挖工 程与日俱增，不断揭露出的矿山工程岩体特征复杂多变， 给顶底板支护以及加固维护等造成极大困难， 顶底板破碎 塌陷特征愈加受到工程技术人员的重视， 为此大量研究人 员对此展开了许多卓有成效的研究， 即人工假底的应用现 状、 力学计算和稳定性分析。 在现代采矿技术中， 众多矿山使用人工假底包括钢筋 混凝土假底、 钢结构假底、 膏体充填假底、 坑木假底、 钢筋 网柔性隔离假底等 5 种类型。目前， 部分学者对人工假底 的设计和稳定性分析考虑已展开研究， 岩体结构受应力环 境开挖扰动等因素影响极其复杂， 如周磊、 王欢等[2]利用数 值模拟软件技术对人工假底厚度、力学及安全稳定性分 析； 石明超、 杜飞、 张小瑞[3]也采取数值模拟软件技术分析 矿体在开挖过程中应力与位移变化特征； 石明超、 周洋等[4] 应用人工假底承载拱原理，对人工假底进行设计与施工； 肖柏林、 杨志强等[5]基于毛坪铅锌矿原有的采矿方法， 通过 现场实践、 研究调查， 建立了一个完整、 安全、 可靠的充填 工艺， 完成人工假底的制作； 纪晓飞、 童大志、 曲展鹏等[6]基 于理论推导和计算， 得出合理的人工假底施工参数。根据 国内外矿山应用人工假底技术，通过不同的矿山地质概 况， 相关的岩体力学参数， 对一些金属矿山的人工假底施 工与设计提供良好的条件。 显然， 上述大部分研究集中于应用数值模拟软件和建 立数学模型来计算人工假底的稳定性和参数的确定， 多 年来许多专家、 学者都对人工假底进行了大量的研究， 取 得了一些研究成果，但由于人们对人工假底稳定性的理 论分析还较为欠缺。 文章以云南某铅锌矿为背景， 考虑膏 体充填体抗拉强度对人工假底的影响，建立人工假底力 学模型， 对胶结充填体人工假底稳定性进行理论分析， 以 期为同类矿山的安全回采与人工假底设计提供参考与理 论指导。 1 工程概况 云南某铅锌矿 1 矿体的上部氧化矿主要集中在 1880耀1964m 之间， 矿石主要呈散体结构， 松散破碎， 遇水 易泥化， 且赋存深度比较深， 原岩应力比较大， 采矿环境复 杂。 矿体顶底板为灰岩或白云岩， 矿体产状与围岩一致。 围 岩多以 0.5耀2m 的厚层状为主， 具有一定的抗压强度， 稳固 性随裂隙发育程度变化。矿体回采拟采用稳定系数较高、 贫化损失小、 机械化程度高的自上而下进路式胶结充填采 矿法， 进路断面尺寸为 3m伊3m， 长为矿体厚度。该采矿方 法可以有效保持围岩的稳定性， 减少围岩的移动， 防止采 空区的大规模崩落。 进路矿石全部回采完后进行场地平整 及假底制作， 然后使用膏体材料进行全进路充填进而形成 假底， 充填前在进路底部布筋。 膏体充填形成假底方法效率高、 成本低、 劳动强度低、 粘结力比较大， 抗压强度较高。 膏体充填假底通常类似于 钢筋混凝土， 只是把混凝土替换成了膏体充填， 通过增加水 泥与砂子的比例来满足强度要求，该矿山膏体充填人工假 底灰砂比 14， 充填体 7d 强度逸2MPa， 28d 强度逸4MPa。 2 人工假底稳定性分析 2.1 力学模型 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要 作者简介院李旺 （1977-） ， 男， 河北定州人， 采矿工程师， 研究生， 研 究方向为岩石力学。 165 价值工程 在下向进路充填采矿法中， 采矿进路的顶板是膏体充 填假底， 而人工假底的上部仍然为胶结充填体。假设开采 进路 1 时两侧矿体已开采且全部充填 （图 1） ， 根据薄板的 弯曲理论， 把进路两侧的充填体可看成弹性基础在弹性基 础范围内， 人工假底比作“薄板” ， 建立如图 2 所示人工假 底 “薄板” 空间模型。把假底问题看成薄板弯曲问题 （应用 弹性力学知识承压拱理论[7]进行求解） 建立薄板力学模型 并进行受力分析如图 3 所示。 基于人工假底的破坏形式主要为弯曲拉伸破坏。 在图 3 中， 沿 Oy 轴的轮廓将承载层分为 X臆0 和 X逸0 左右两 种情况， 如图 3b 和图 3c 所示， 人工假底所受的切向剪力 为 T0， 弯矩为 M0。由于图 3 是对称结构， 所以采用上述模 型中的图 3c 部分 （即 X逸0） 进行分析与计算。 根据薄板理 论[8]， 有下述两种分析情况 淤 当 X L 时 ， （X 3.34 时， 称为强支板 条结构， 而 琢L3.34 时， 称为弱支板条结构。强支板条结 构多用于一步回采工作面，多为人工假底和两侧帮岩体 支座结构， 人工假底的弹性模量小于支座的弹性模量， 如 图 3 所示， 此时在 A-A忆损害截面发生拉断破坏。弱支板 条结构用于第二步回采工作面，其回采工作面顶板为人 工假底， 两侧帮的支座为充填体， 且人工假底的弹性模量 大于侧帮支座的弹性模量， 此时在 O-O忆损害截面发生拉 断破坏。 在假底承受上部充填体均匀荷载条件下， 要保证该假 底安全可靠， 则应满足人工假底具有足够大的抗拉强度来 抵抗因最大弯矩产生的拉应力， 最大弯矩可通过弹性力学 获得 （7） 式中 滓tmax人工假底最大拉应力； w抗弯模量。 由式 （5） 、 式 （7） 可得 （8） 人工假底所受载荷为 （9） 2.2 人工假底稳定性的判断 人工假底的稳定性可以根据稳定储备系数[10]来判断 （10） 式中 浊人工假底稳定性系数； 滓t人工假底 （充填体） 抗拉强度。 当稳定性系数 浊1 时， 人工假底会断裂； 当 浊1 时，人工假底处于临界状态且假底极有可能 塌落； 当 浊逸2.5 时， 人工假底稳定性好， 可保证进路的安全 回采。 3 工程实例分析 该矿山采用膏体一次充填形成人工假底， 相关参数如 表 1 所示。按经验， 充填体抗压强度一般是抗拉强度的 10 倍左右， 在此取 滓t0.2MPa。 将表 1 中的参数代入公式 （4） 得 琢0.60 则，通过式 （6） 可 知， 人工假底结构在 O-O忆截面上有最大弯矩发生在 X 0 处。 由式 （9） 得， 人工假底所受载荷 qs54.3kN/m2 由式 （3） 、（4） 和 （9） 得 M （O） -77.281kN m 由式 （8） 得， 人工假底承受最大拉应力 滓tmax0.052MPa。 则由公式 （10） 可得 4 结论 淤人工假底破坏形式主要为弯曲拉伸破坏， 充填体强 度对人工假底起着重要的作用。 于就该矿山而言， 人工假底最大弯矩发生在人工假底 中间位置。 盂通过计算， 该矿山膏体充填人工假底稳定性系数较 高， 稳定性良好， 可确保回采期间采场顶板的安全。 参考文献院 [1]龚新华， 侯克鹏， 孙健.人工假底在金属矿山的应用现状及 展望[J].中国钨业， 2014 （1） 21-24. [2]周磊.基于 ANSYS 数值模拟的人工假底设计与安全性分 析[J].金属矿山， 2018， 47 （10） 46-51. [3]石明超， 杜飞， 张小瑞.基于 FLAC （3D） 下向进路采场参 数优化[J].黄金， 2016， 37 （7） 36-39. [4]石明超， 周洋， 杜飞.近海破碎金矿体开采人工假底设计与 施工[J].现代矿业， 2015 （4） 203-204. [5]肖柏林， 杨志强， 高谦.下向进路式充填采矿方法在毛坪铅 锌矿的应用研究[J].有色金属 （矿山部分） ， 2014， 66 （06） 4-8. [6]纪晓飞， 童大志， 曲展鹏， 王冠男.充填体下人工假底模型 分析与设计[J].采矿技术， 2018， 18 （06） 35-37. [7]常丽娜， 易南概， 赵俭斌.喷锚支护中的承压拱理论及实验 研究[J].北方交通， 2006 （11） 61-63. [8]王红卫， 陈忠辉， 杜泽超， 等援弹性薄板理论在地下采场顶 板变化规律研究中的应用 [J]援 岩石力学与工程学报， 2006 （S2） 3769-3774援 [9]刘志义， 甘泽， 甘德清， 等.近海矿体开采人工假底厚度优 化及工程应用[J].金属矿山， 2016， 45 （8） 54-57. [10]周磊， 王欢.基于 ANSYS 数值模拟的人工假底设计与安 全性分析[J].金属矿山， 2018， 508 （10） 52-57. 表 1 人工假底相关参数 指标数值 人工假底泊松比 滋 人工假底弹性模量 EL/GPa 进路侧帮弹性模量 EJ/GPa 人工假底容重 酌z/ （kN/m3） 人工假底厚度 hz/m 充填体抗压强度 滓c/MPa 充填体抗拉强度 滓t/MPa 进路高度 H/m 进路宽度 L/m 充填体容重 酌s/ （kN/m3） 0.30 0.21 0.82 22.0 3 2耀4 0.2 3 3 18.1 167