不同围岩条件下充填采矿方法优化分析.pdf

2020年 5月下 世界有色金属51 采矿工程 Mining engineering 不同围岩条件下充填采矿方法优化分析 郭东东 （中国黄金集团陕西太白黄金矿业有限责任公司， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 6 7 ） 摘 要 为满足各个领域对于矿产资源的需求， 必须开采深层埋藏的矿产， 深入研究不同围岩条件下的充填采矿方法。 在围岩压力计算相关理论的基础上， 构建六边形洞室压力的模型， 研究六边形采矿方法开采体况的围岩稳定性， 从充填 高度、 充填体强度、 二次充填体强度、 开采顺序等角度分析， 最终确定最合适的开采方案。 关键词 围岩 ； 充填采矿法 ； 对比 中图分类号 T D 8 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 - 5 0 6 5（2 0 2 0 ） 1 0 - 0 0 5 1 - 2 Optimization anaIysis of fiIIing mining under different surrounding rock conditions GUO Dong-dong C h i n a G o l d G r o u p S h a a n x i T a i b a i G o l d Mi n i n g C o . , L t d , B a o j i 7 2 1 0 6 7 , C h i n a Abstract I n o r d e r t o me e t t h e n e e d s o f v a r i o u s f i e l d s f o r mi n e r a l r e s o u r c e s , i t i s n e c e s s a r y t o mi n e d e e p b u r i e d mi n e r a l s a n d s t u d y t h e f i l l i n g mi n i n g me t h o d s u n d e r d i f f e r e n t s u r r o u n d i n g r o c k c o n d i t i o n s . On t h e b a s i s o f t h e r e l a t e d t h e o r y o f s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e c a l c u l a t i o n , t h e p a p e r c o n s t r u c t s t h e mo d e l o f t h e p r e s s u r e o f t h e h e x a g o n c a v e r n , s t u d i e s t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i t y o f t h e mi n i n g c o n d i t i o n s o f t h e h e x a g o n mi n i n g me t h o d , a n a l y z e s t h e f i l l i n g h e i g h t , f i l l i n g s t r e n g t h , s e c o n d a r y f i l l i n g s t r e n g t h , mi n i n g s e q u e n c e , e t c . , a n d f i n a l l y d e t e r mi n e s t h e mo s t s u i t a b l e mi n i n g s c h e me . Keywords S u r r o u n d i n g r o c k ; f i l l i n g mi n i n g me t h o d ; c o mp a r i s o n 随着矿产资源开发数量的提升， 浅埋矿产开发量已经接 近顶峰， 想要满足资源的需求， 一定要开发更深层矿产资源， 为此矿产资源开发难度就会大大增加。 地下的深埋矿产资源 开发的过程中， 围岩稳定性的控制非常重要， 尤其是最近几 年， 我国矿产开发过程中事故的频发， 急需找出更加合适的 矿产开发填充采矿方法， 为此必须研究不同围岩条件之下充 填采矿方法。 1 围岩压力计算 1.1 洞室围岩的压力理论值计算 在普氏理论中， 开始挖掘的时候， 顶部的岩体将会不在 稳定，可能出现坍塌，构成自然拱，岩石自重的破坏，也就 形成了隧洞支护围岩压力。 以普氏理论为基础， 拱假定压力的拱形可看成二次抛物 线， 拱的高度是h1， 可用该计算公式确定出压力拱高h1 根据此理论，研究人员建立了1064个隧道样品的塌方 数据库， 以数理统计原理进行计算他， 统计出塌方高度概率 的参数，并使用K-S的检验方法就分布概型的优度进行了 拟合的检验， 最终得到深埋隧道围岩压力的计算公式 qγh ； h0.452s-1ω ； 公式中q是垂直均分布压力，单位是kN/m2； γ是围 岩的重度， 单位是kN/m3； S是围岩级别 ； 是宽度影响系数， ω1i （B-5） ，其中i是B每增减1m的时候，围岩压力增 减率， 将B5m时围岩垂直压力为准， 如果B＜5m的时候， i可为0.2 ；如果B＞5m的时候， i可为0.1 ；水平均分压力 可依照表1进行计算。 表1 围岩水平的均布压力 围岩级别六级五级四级三级一二级 水平的均 布压力e （0.5-1.0） q （0.5-0.5） q （ 0 . 1 5 - 0.3） ＜0.15q0 注 使用此表时， 应当满足此条件 H / B 小于1 . 7 m ， B 是隧道开挖的宽度 （m ） 。 1.2 模拟验证洞室围岩压力的数值 设定填充体的抗压强度时4.0Mpa、 3.5Mpa、 3.0Mpa， 以此三种方案下围岩洞室压力做比较分析。以平面应变模 型， 其四周的边界会超出开采区域的5倍， 把上部的埋深折 算成荷载并施加， 并在顶部以1.16Mpa的荷载， 而在底部进 行固定。 得出模拟结果的比较数据， 见表2。 表2 围岩应力的解析解同模拟结果的比较 3.0Mpa3.5Mpa4.0Mpa 水 平 压 力e 垂 直 压 力p 水 平 压 力e 垂 直 压 力p 水 平 压 力e 垂 直 压 力p 理论计算0.5881.9320.4171.4350.2961.281 经验计算0.5691.8760.4081.6210.2991.223 模拟验证0.5531.8050.391.5220.2881.25 模 拟 与 理 论 计算误差 0.0350.080.0270.0870.0030.058 模 拟 与 经 验 计算误差 0.0160.0740.0180.0990.0110.027 从表中可以得，模拟的结果同解析解得围岩应力的差 值并不是很大，模拟垂直应力的结果同理论计算值差值分 别为4.14、 6.06、 4.53， 同经验公式计算值差异分别是 3.94、 6.11、 2.21。还有就是水平应力的模拟结果，其 理论公式计算的差异分别是5.59、 6.47、 1.02， 同经验 公式计算值差异分别是2.81、 6.11、 2.21。 每一个差值 都不是很大， 可见模拟结果具有一定准确性， 为此可以继续 采用这种模拟的方式。 1.3 模拟验证六边形洞室压力数值 为对数值模拟是否准确进行验证， 以有限元分析软件模 收稿日期 2 0 2 0 - 0 5 作者简介 郭东东， 男， 生于1 9 9 1年， 甘肃庆阳人， 汉族， 本科， 助理工 程师， 研究方向 采矿工程。 世界有色金属 2020年 5月下52 采矿工程 Mining engineering 拟出围岩洞室应力值，填充体的抗压强度分别是2.0Mpa、 1.5Mpa、 1.0Mpa的三种方案。 以平面应变模型开始， 四周 的边界超出开采区的5倍。 边界的条件 顶部施加0.71Mpa 荷载、 上部的深埋折算成荷载施加， 两边根据侧压力的系数 去设置边界条件， 并进行底端的固定。 这种模拟能够反应出 六边形的巷道的周围应力分布情况，而出现误差的影响因 素， 可能是在模拟过程中运用了平面应变假设。 2 构建模型并优化填充方案 2.1 设计初始的模型 设计出六边形的矿房的铁矿初始模型， 因为模型的尺寸 不是很小， 需要将其中局部开采物进行放大， 以实际工程中 开采尺寸为基础，设定模型的X向是380m，而Y向需要取 单位的长度， Z则是300m， 矿房的尺寸中腰宽是6m， 底边 宽是3m， 高度是5.2m。 确定出模型边界的条件 针对其两 侧X方向进行约束， 阅读底端的固定， 模型的顶部以上部的 岩体自身重量等，加上0.7Mpa的荷载，采用填充方法的抗 压强度是2.0Mpa的材料，挖掘的顺序为隔一采一，自上而 下。 2.2 优化设计多因素的采矿方案 以初始模型为基础， 对其不断进行优化， 对铁矿围岩的 稳定性进行多角度的探究， 设定出影响因素包括二次填充体 的强度、 充填体强度、 一次充填的高度， 然后研究这些因素 对于围岩稳定程度的影响， 详细方案如图1。 图1 模拟方案的设计 2.3 围岩应力的监测 为更好地探究出围岩应力与开采进度之间的规律， 需要 设定不同的位置的应力监测点， 在围岩的顶板位置， 设置了 五个监测点， 而其上部的监测点在围岩的顶板部分， 均匀地 分布， 并在围岩的两侧设三个监测点， 这样就能监测出， 开 采深度的增加与围岩两侧的应力变化的趋势。 3 研究六边形采矿方法开采体况的围岩稳定性 3.1 充填高度产生的影响 因为在第一步的时候， 并没有进行充填， 充填高度的三 种方案中， 围岩塑性区域面积是一致的， 但是开采逐渐深入， 塑性面积也就出现了差异， 单纯看塑性区域面积及其占比去 看， 三个方案的填充高度， 都能确保围岩的稳定性， 但是经 过对比可知，当一次填充高度是2.6m的时候，影响到围岩 塑性区面积最为小， 也就能维护围岩塑性区域， 减少其面积 生成。 分析三种方案的安全系数， 三种方案下， 第一步的围岩 安全系数都是2.51， 在开采之前的3步骤， 因为原始岩层可 用填充体进行取代， 这时初始层搭配填充体材料进行过渡的 阶段， 进而围岩的沉降会突然增加， 这时安全系数呈现明显 的下降趋势 ； 之后开采区域的上部全都是填充材料， 因此安 全系数则不没有突然的变化。 并且随着开采的深度增加， 安 全系数逐渐变得缓和， 也有降低的趋势。 三种方案的安全系 数分别是1.39和1.55以及1.46，这都可以确保围岩的稳定 性， 但是一次填充的高度是2.6m的时候， 围岩稳定性最好。 3.2 充填体强度产生的影响 针对填充体的强度，设计出三种不同强度的填充方案， 这三个方案的围岩安全系数有着相似的变化规律， 均是开采 前的5步时安全系数的降低比较明显，之后着慢慢地变缓。 当第一步开采完成时， 矿房并没有填充， 所以第一步的安全 系数都是2.51， 之后步骤则在围岩上部的充填体逐渐增多， 这时填充体的强度则会对于围岩安全性产生的影响更大， 也 就出现了差异， 最终安全系数分别是1.32和1.55以及1.68， 也就能看出， 充填体的强度越来对于高， 围岩的安全系数也 会跟着增加。 3.3 二次充填体强度产生的影响 二次填充体的强度不同， 设计出三种不同填充方案， 此 三种方案的安全系数的规律表现为，开采之前的五步呈现 降低明显的趋势，开采深入，逐渐变缓，深度逐渐提升，安 全系数也有下降的变化。开采第一步的三种方案安全系数 都是2.51， 在围岩开采结束之后， 安全系数则是0.84和1.18 以及1.32，而当二次填充体的强度时0.5MPa的时候，其安 全系数没有超过1， 这时不能很好的确保围岩施工过程中的 稳定状态。 为此， 分析围岩稳定性受到二次填充体的强度进 行分析，评判标准则是安全系数，当二次填充体的强度时 1.0MPa、 0.7MPa的时候，可以满足施工的标准，如果强度 时0.5MPa的时候，其安全系数没有超过1，稳定性就不能 保证。 3.4 确定最合适的开采方案 经过对各种影响因素对于安全系数的影响， 为某个铁矿 的开采工作确定出最佳开采方案， 2.6m的一次充填高度 ； 填充材料的强度是1.0MPa，作为一次填充体的材料，填充 材料的强度是0.7MPa，作为二次填充体的材料，开采顺序 则是隔一采一的方式， 这就能更好地保证铁矿的开采过程中 围岩的稳定性。 4 结语 综上所述，在矿产资源的开采中，针对不同围岩，需要 采用不同填充开采方案， 从充填高度、 充填体强度、 二次充 填体强度、 开采顺序， 进而找出最佳的开采方案， 这对于未 来矿产资源的开发有着积极的作用。 [1] 杨文华.充填开采下不同充填率控制围岩运移变形的数值模拟研究[J]. 神华科技,2019539-41. [2] 秦贵成.急倾斜充填开采下充填巷道及工作面围岩变形规律[J].煤矿安 全,20150753-5559.