胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究.pdf

S e ri e sNo ． 3 2 8 Oc t o b e r 2 0 0 3 金 璃 矽 山 METAL M I NE 总 第 3 2 8 期 2 0 0 3 年 第 l 0期 胶结 充填 采矿 法充填 作 用机 理 与稳 定性研 究 王正辉 高 谦 金川镍钴设计研究院 北京科技大学 摘要结合金i l l --矿区的充填采矿工艺 ， 采用现场观测方法及三维有限元分析方法研究了机械化下向分层 水平进路胶结充填和无底柱大面积连续开采的充填机理和稳定性 ， 研究表明充填体承受采场地压和变形 ， 盘区间 以不留矿柱为宜 ， 推荐采用交错布置的回采与充填方式。 关键词采 矿方 法胶 结充填地压矿 柱回采 S t u d y o n M e c ha ni s m an d St a bi l i t y of Fi l l i n g i n St o pi n g - c e m e nt e d Fi l l M e t h o d Wa n g Z h e n g h u i Ga o Qi a n J i n c h u a n I n s t i t u t e o fNi c k e l - c o b a l t D e s i g n i n g Re s e a r c h Un i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g Ab s t r a c t Th e me c h a n i s m a n d s t a b i l i t y o f f i l l i n g in me c h a n i z e d h o r i z o n t a l d e s c e n d i n g s t o p i n g- c e me n t e d f i l l i n g a n d i n l a r g e a r e a n o n p i l l a r con t i n u o u s mi n i n g we r e s t u d i e d b y s i t e - o b s e r v a t io n me t h o d a n d t h r e e - d i me n s io n a l f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h od and i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e s t o p i n g- f i l l i n g t ech n o l o g y u s e d i n J i n c h u a n No． 2 mi n i n g are a ．Th e s t u d y s h o we d t h a t t h e fil l i n g b o d y had ho me t h e g r o u n d p r e s s u r e a n d d e f o r ma t io n o f s t o p e a n d i t wa s b e t t e r n o t t o l e a v e i n t e r s t a l l p i l la r s ． Cr o s s s t o p i n g andf i l l i n g modeWas r eco mme n d ed ． Ke y wo r d s Mi n i n g me t h o d，Ce me n t ed f i l l i n g，Gr o un d p r e s s u r e ，Or e p i l l ar，S t o p i n g 充填采矿法 是一种 回收率高 、 贫化损失率低 和 采矿成本比较高的采矿方法， 适用于矿岩稳定性差 的贵金属地下矿床以及有特殊要求的矿床开采。采 用充填采矿法的矿山 ， 其采场地 应力的分布与 围岩 的稳定状态 ， 不仅 依赖 于矿 区 的地 质构 造 、 原 岩应 力 、 矿岩质量等， 而且还与充填体的强度、 充填体的 整体性 和充填工艺等密切相关 。充填体与围岩的应 力分布 、 以及其最终稳定 的状态取决 于充填体与 围 岩的相互作用以及相互作用 的结果 。 充分研究和揭示充填体 的力学特性及充填体与 围岩之间的相互作用机理， 并寻找合理的评价方法， 是优化采矿工艺 和降低充填采矿成本 的重要基础 。 本文结合金J i l -矿区的充填采矿工艺详细论述了胶 结充填采矿法的充填作用机理与稳定性研究 。 1 金川二矿区的充填采矿方法u J 金川二矿区铜镍矿床属超基性硫化铜镍矿床， 赋存于海西期 含矿超基性 岩体 中。矿 体呈似层状 ， 走 向 N5 0 。 W ， 全长 1 6 0 0 m， 平均厚度 9 8 m， 其中富 矿长 1 3 0 0 m， 厚 6 9 m； 倾 向 S W ， 倾角 6 5 。 ～ 7 5 。 ， 西 部较陡 ， 东部较缓 ， 矿体 形态 比较规则 ， 矿体顶底盘 围岩均以二辉橄榄 岩为主。产 于 4行至 2 8行 间的 1 8 岩体深部。 金J i l -矿区采用下向分层 机械化盘区水平进路 胶结充填采矿法开采 。盘区垂直矿体走 向布置 ， 宽 1 0 0 m， 长 为 富矿加 下盘 贫矿 厚度 ， 盘 区间不 留间 柱， 连续回采。中段高 1 0 0 m 1 1 5 0中段 。采准系 统布置在上盘脉外 。在距离矿体上盘 1 0 0 m左右处 布置分段道 ， 每分段高度 2 0 m， 服务 5 个分层， 分层 高 4 m。在分段道上盘布置盘区溜井 ， 分段道与矿 体通过分层联络道相接。 盘区上 、 下分层进路垂直交错布置 ， 分层断面规 格宽 高4 m 4 m， 进路断面规格宽 高 5 m 4 m， 原则上进路长度不超过 5 0 m。回采顺序 为 先上盘 、 后 下盘 ， 先两翼后 中间， 后退式 回采。回采 方式为隔一采一。见图 1 。 盘区坚持强采强充的开采方针 ， 正 常情况下盘 区内只有 2 ～ 3条进路同时 回采 ， 进路 回采结束后 ， 立即准备充填 。充填前 用 ． 5 mm 的钢筋敷设底 王正 辉， 金川镍钴设计研究 院 ， 高级工程 师 ， 7 3 7 1 0 0甘肃省金 昌市。 高谦， 北京科技大学土木与环境工程学院， 博士， 教授， 博士生导 师 ， 1 0 0 0 8 3北京市海淀 区学 院路 3 O号。 维普资讯 王正辉等 胶 结充填采矿法充填作用机理与稳定性研 究 2 0 0 3年第 1 0期 筋 ， 敷设网度 4 0 0 i n i n4 0 0 mm； 顶底板间吊挂 ． 5 i n i n竖筋 ， 吊挂 网度 1 2 0 0 i n i nx 1 2 0 0 mm； 顶板 打 锚杆 固定 巾 1 0 0 i n i n塑料充填 管路。之 后在进路 口 用粉煤灰空心砖封 口， 并 喷射 3 0～ 5 0 i n i n厚 的混 凝土。见 图 2 。 图 1 二矿区下 向分层机械化水平进路胶结充填采矿法示意 1 一分段联 络巷 ； 2一分段 道 ； 3 一溜井 ； 4一中段 运输巷 ； 5一分层联 络巷 ； 6 一分层 道 ； 7 一进路 ； 8一回风充填井 ； 9一中段运 输巷 ； 1 0一沿脉 平巷 ； 1 1 一沿脉 回风道 B A B A 图 2 进路 充填准备 工作示意 1 一底筋 焊 网 ； 2 一吊筋 ； 3一锚 杆 ； 4 一空心砖板 墙 ； 5 一充填 采用高浓度管道自流输送充填工艺或泵送膏体 充填工艺 ， 充填骨料有 一3 i n i n棒磨砂和选矿尾砂 ， 胶结材料为 4 2 5 散装普通硅酸盐水 泥， 辅助添加材 料有干粉煤灰。当采用高浓度管道 自流输送 充填工 艺时， 充填骨料主要是 一3 i n i n棒磨砂 ， 单条进路 的 充填分两步完成 ， 即打底充填 和接顶 充填。打底充 填砂浆重量浓度 7 7 ％～ 7 9 ％， 灰砂 比 1 4 ， 充填 平 均高度为 2 ． 0 m， 充填 体强度 R2 8 ≥5 M．P a ； 接顶充 填砂浆重量浓 度 7 7 ％～ 7 9 ％， 灰砂 比 1 6 ， 充填体 强度 R2 85 UP a 。当采用泵送膏 体充填 时 ， 充填 骨料是 一 3 i n i n棒磨砂和选矿尾砂 ， 添加材料是粉 煤灰。单条进路的充填按 同一 配合 比进行 ， 形成的 充填体的整体性好 、 基本不分层 ， R2 8 ≥5 UP a 。 2 机械化下向分层水 平进路胶结充填机 理与稳定 性研究 为了揭示机械化盘 区下向分层水平进路胶结充 填采矿法开采时， 充填体的作用机理和矿岩的稳定 性 ， 金川公司与长沙矿山研究院合作， 采取了以现场 应力 、 变形监测和有限元数值模 拟计 算为主 的研究 方法 ， 获得的研究结果如下。 2 ． 1 以现场应力和变形监测为主的研究结果 1 充填 体所承受 的顶板 压力 为 3 ． 2 6～ 4 ． 6 UP a ， 最大为 6 ． 2 UP a ， 最大压 力的位置 出现在 1 7 行的分层道和 1 6行的 1 5川。这表 明 1 6 ～ 1 7行 的 充填体所承受 的压力比其它地方较为显著。 2 在 1 7行 1 2 9 2 1 2 9 0 r f l 水平的上盘充填 体的压 力为 2 ． 6 UP a ， 充填 体 的抗 力 为 2 ． 2 MP a 。 由此说 明， 充填体对上盘 围岩 的支护 力不足 以保持 围岩与充填体的平衡 ， 必然导致 围岩 在围岩压力 的 作用下 向采场 内移 动。根据应 变计监测 到的结果 ， 显示 了上 、 下 盘 围岩 向充填体 内移动约 1 4 ． 2 l n l n 。 1 3 0 0 r f l 中段在 1 5 ～ 1 6川岔 口处巷道顶板在 1 ． 5 个月下沉 1 2 ～ 1 4 I n lT I 而趋 于稳定 ； 1 7行分层道顶 板下沉 1 9 i n i n接顶后才稳定。 3 充填体 内钢筋纵筋 的拉力约 2 ． 7 5 I k , P a ； 但 在 1 6行 1 5川 内沿进路轴向处 的纵筋受拉力达 1 7 ． 3 M．P a ； 吊筋 的拉力为 6 ． 0 ～ 1 0 ． 2 UP a 。由此表明 ， 进路和分层道充填体内的钢筋不同程度地承受拉应 力 ， 以致维护充填顶板 的稳定 性。但不 同位置 的充 填体钢筋承受不 同的拉力。钢筋最大受拉巷道仍处 于 1 6行附近 ， 再一次揭示 了该位置的采场 围岩及充 填体承受 比其它地段较剧烈的地压和变形 。 2 ． 2 有限元数值分析方法 的结果 为了进行充填机理 和稳定性评价 ， 采用 了有限 元数值分析方法， 分别对 1 7 行横剖面 垂直于走向 及 1 4 ～ 2 2行纵剖面 沿 走 向 ， 针 对不 同的回采方 案进行了有限元数值模拟和综合分析， 由此获得以 下几点结论 1 在沿走 向不 留间隔矿 柱 即不采取沿 走 向 每隔 8 0 m或 5 0 m 留 2 0 m宽垂直于走 向的间隔矿 柱 情况下 ， 岩体 围岩 、 贫矿 和富矿 内应力集 中虽 然局部相 当大 为 9 7 ． 9 9 ～ 3 2 6 ． 4 7 MP a ， 但 主要应 力都转嫁到上 、 下盘 围岩内 ， 也就是高应力 区都集 中 在靠近矿体和充填体接触带 的围岩 内， 并且 由于充 填体的作用 ， 1 3 0 0 r n中段 以上覆盖 岩层 的下 沉位 移很小 ， 为 1 8 ～ 7 0 n l l T l ， 即使取 岩矿体的最小弹性 模量 ， 这个下沉位移最大值也 只有 3 4 0～ 3 5 0 n l l T l ， 即 1 3 0 0中段 以上 覆 盖岩 层 的 最大 沉 降 小于 5 0 0 i n i n 。“ 直接顶板” 包括 富矿护顶层和贫矿 的下沉 位移 为 6 0～ 9 0 i n i n ， 即直接 顶板 的沉 降小 于 5 0 0 i n i n ， 上下盘 闭合 位移约 1 2 i n i n ， 取下 限弹性模量 ， 1 9 维普资讯 总第 3 2 8期 金 属 矿 山 2 0 0 3年 第 1 0期 达到 5 0 ～ 6 0 r n l “n左右 。1 矿体的东西两端的进路 采空 区帮 壁 向空 区 内的 闭合 水 平 向为 9 0～ 1 1 0 r n l“ n ， 取下 限弹模 则为 4 0 0 ～ 5 0 0 r n l “n ， 最大底 鼓 为 2 6 ． 4 ～ 3 3 r n l“ n ， 即 3 0 r n l “n左右。若取 下限弹模 ， 则 底鼓量可达 1 5 0 r n l “n 。进路充填体顶板的沉降为 1 2 ～ 1 5 r n l “n ， 充填体 内的最大 主应力多为近似垂直顶 板方 向， 为压应力 ， 其值为 1 ． 8 ～ 7 ． 8 9 MP a 。 2 沿走 向留间隔矿柱 的分 析结果表 明， 间柱 内的应 力集 中增 大 ， 最 大 主应 力 压 值 达4 4 7 ． 9 4 MP a ， 问柱 内基本上都处于高应力区及塑性破坏区。 2 ． 3 实测数据与有限元分析结果的比较 表 1 现场监 测数据与 有限元分析 结果 比较 由表 1 可以看出， 实测值小于计算值。计算结 果还表 明， 沿走向不 留间隔矿柱进行大 面积 下向胶 结充填， 在稳定性方面是合理可行的； 实测结果也显 示 ， 沿走向不 留间隔矿柱进行大面积下 向胶结 充填 是稳定的 ， 因此 ， 可 以得 出总的结论是 沿走 向不留 间隔矿柱进行大面积连续下 向胶结 充填法采矿 ， 有 利于围岩 自承能力 的持续稳定 ， 可增强 围岩 的 自承 能力 ， 改善围岩的支承状况 ， 抑制上覆岩层 的沉 降， 克服底鼓不利 ， 从而有利于 回采作业安全。 3 二期无矿柱大面积连续开采稳定性研究 在确定了无矿柱大面积连续开采方案并在金川 二矿区一期工程得 以顺利实施后 ， 二期工程能否继 续采用 ， 成为金川公司所关注的问题。在此情况下 ， 金川公司和北京科技大学联合开展了二矿区二期工 程的无矿柱大面积连续开采 的稳定性研究 。 此次不仅对深部 的工程地质条件进行 了现场 的 位移监测 ， 而且首次采用 了三维有 限元和三维离散 元进行数值分析和稳定性评价 ， 获得以下主要结论。 1 深部岩体 的工程地质 调查研究结果 表 明， 随着开采深度的增 加 ， 其 岩性状况没 有发生 明显变 化 ， 只是在 1 矿体上盘 的大理岩有变差的趋势 。 2 基于三维有 限元分析结果 表 明 ① 采用沿 走 向由中央向两侧 推进的 回采顺序 ， 对 有矿柱和无 矿柱的采矿方案 ， 比较采场 围岩 中的最 大和最小 主 应力 、 塑性区分布区域 以及位移量值 ， 留矿柱 比不 留 矿柱没有 明显的差异 ； ②充填体在整体上是稳定的 ， 但存在局部区域的不稳 定现象 ； ③充填 不接顶会使 2 0 围岩 中的最大主应 力和位移量增 大 ， 塑性 区范围扩 大 ， 但在充填体较 为均 匀 ， 力学性 质稳 定时 ， 对采 场 整体稳定性影响不大 ； ④ 上 、 下 中段 同时 回采 ， 存 在 两中段交界部位的应力集 中现象。 3 三维离散元分 析结果表 明 ① 对于有矿柱 回采方案 ， 充填体似乎在分段 回采和充填前后 ， 都要 经历一个从塑性屈服到弹性卸载的循环。由于充填 进路之 间过高的剪切力 ， 会使某些 地方产生局部破 坏， 但不影响充填进路的整体稳定性； ②对于无矿柱 回采方案 ， 充填采场有较严重 的破坏发生 ， 破坏区范 围大致为 在 1 8 勘探线 附近沿走 向 2 0 0 ～ 3 0 0 m， 延深大约 7 5 m， 涉及 1 2 2 5～ 1 1 5 0 m水平 。破坏 的原因是充填体 的弯曲变形和贫矿及充填体之间接 触应力过高 ， 要确保无矿柱连续开采 的整体稳定性 ， 需要采取一些特殊维护措施 。 4 结语 针对金川公司二矿 区的下 向机械化盘 区分层胶 结充填采矿方法 ， 通过以上研究得到如下几点认识 1 由于 充填体 的刚度 比围岩 和贫矿小很 多 ， 充填体将被充填体与周围岩体接触面上 的剪应力所 支撑 ； 对于整个盘 区或单一分层 的开采顺序 ， 采用先 两翼后 中间的后退式 回采顺序有利维护采场的稳定 性 ， 减少 片帮 冒顶事故。 2 充填体对顶部贫矿顶板或上一分层充填体 的垂直阻力很重要 ， 依据 中南 大学 的研究 ， 当充填体 的刚度与贫矿的刚度 比例达到 5 ％时， 即使原岩水平 应力是垂直应力的 2倍 ， 充填体仍能有效地控制顶板 贫矿的下沉和破坏。因此， 保证充填体 的刚度和均匀 性很重要， 对于单条进路的充填， 采用相同的配合比 自流充填 或膏体充填有利 于保证充填体 的整体稳 定性和接顶率 ， 提高充填体对顶板的支撑能力。 3 盘 区间不 留矿柱 开采 全部 是充填体 ， 有 利于采空区支撑体 的连续性 ， 避免 了因为有矿柱 矿 体 存在 ， 充填体与矿柱的刚度差异过大而造成的采 场局部应力集中。 4 采用上下分层交错布置 的回采方式和充填 工艺 ， 有利于弥补 自流充填 时打底充填 和接顶 充填 形成的充填体强度不同而导致的充填体整体性差的 弊病。 参考文献 1 刘 同有 ， 等编著 ． 充填 采矿 技术 与应 用 ． 北京 冶 金工 业 出版 社 ， 2 0 0 1 收稿 日期2 0 0 3 0 5 0 7 维普资讯