深部高大采场全尾砂胶结充填理论分析.pdf

I S S N 1 0 0 52 7 6 3 C N 4 31 21 5 ／ r D 矿业研 究与开发 第 2 7卷 第 4期 MI N I NG R ＆ D，V o 1 ． 2 7， N o ． 4 2 0 0 7年 8月 Au g． 20 0 7 深 部 高 大 采 场 全 尾 砂 胶 结 充 填 理 论 分 析 杨耀亮 ， 邓代强 ， 惠 林 ， 李爱兵 ， 王发芝 1 ． 长沙矿山研究院， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 ； 2 ． 冬瓜山铜矿， 安徽 铜陵市2 4 4 0 3 1 摘要 冬瓜山铜矿深部矿体距地表约 1 0 0 0 m， 矿区构造应 力复杂， 属高地应力分布区域， 采用空场嗣后全尾砂胶结充 填法开采。在实验室试验结果的基础上， 采用 T e g h i 法和 T h o ma s 法对其高大型采场充填体受力状况进行 了理论分 析， 用有限元法对采场围岩和充填体的应力分布状况进行了 研究， 确定了开采扰动条件下在采场周围形成的不同程度破 坏 区域。 关键词 深部开采； 高大采场； 全尾砂胶结充填 中图分类号 ， m8 5 3 ． 3 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 0 0 7 0 4 0 0 0 3 0 2 T h e o r e ti c a l An a l y s i s o n Ce m e n t e d F u l l T a i l i n g s B a c k fi l l i n g i n De e p a n d La r g e S i z e S t o p e Y a n g Y a o l l a n g ， D e n g D 叻 i a n g ， H u i L i n ， L i Ai b i n g。 ，Wa n g F a z h i 1 ． C h a n g s h a I n s ti t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h ， C h a n g s h a ，H u n a n 41 0 0 1 2， C h i n a； 2． D o n g g u a s h a n C o p p e r Mi n e ， T o n g l i n g ， A n h u i 2 4 4 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n D o n g g u ash a n C o p p e r Mi n e ，t h e o r e b o d y o c c l l r 8 i n a b o u t 1 k m b e n e a th the e a r t h s u r f a c e ，the t e c t o n i c s t r e s s i s v e r y c o mp l e x，the g e o s t r e s s i s h i g h，a n d o p e n s t o p i n g w i th s u b s e q u e n t f u l l t a i l i n g s c e me n t a ti o n fi l l i n g i s a d o p t e d ． B ased o n the r e s u l t s f r o m l a b o r a t o r y e x p e r i me n t ，t h e f o r c e s o n the c e me n t e d f u l l t a i l i n g sfi l l ed i nhig han dl a r g em i n e d o u t a r e aw as the o r e t i e all y a n a l y z e d u s i n g T e r z a g h i an d me t h o d an d Th o ma s me t h o d， the s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f b a c k fi l l a n d s u r r o u n d i n g r o c k w a s s t u d i e d b y u s e o f F EM ，an d t h e div e r s e f a i l u r e z o n e s d u e t o e x c a v a ti o n dis t u r b an c e i n t h e s u r r o un d i n g r o c k o f s t o p e we r e d e t e r - mi n e d ． Ke y W o r d s De e p mi n i n g，Hi s h an d l a r g e s t o p e，C e me n t e d f u l l t m n g b a c kfi l l i n g 1 采场技术条件 冬瓜山铜矿床埋藏深度约为 1 0 0 0 m， 位于青山 背斜轴部， 赋存于石炭系黄龙、 船山组层位中， 矿体 呈似层状缓倾斜产出， 主要由含铜矽卡岩、 含铜黄铁 矿、 含铜磁黄铁矿、 含铜蛇纹岩等构成。矿体底盘直 接围岩为石炭系下统 高丽 山组岩石和石英 闪长岩， 以角岩化粉砂岩为主。矿体直接顶盘岩石为黄龙组 大理岩 ， 上部为栖霞组大理岩等。 该矿矿体厚度变化较大。首采矿段划分为 4个 盘区， 盘区长度为矿体水平宽度 约 1 0 0 m 。盘区 平面尺寸为 1 0 0 m1 5 0 m， 矿房采场长度 8 2 m， 宽 1 8 m， 矿柱采场长度 7 8 m， 宽 1 8 m 。采场沿矿体走 向布置 ， 盘区内采场采用隔一采一的回采顺序 ， 矿房 采场嗣后全尾砂胶结充填 ， 矿柱采场嗣后全尾砂充 填。采用堑沟底部结构 ， 铲运机通过出矿进路出矿。 2 充填体受力状态的理论研究 充填体受力 状态与充填体 自身的物理力学参 数、 充填体几何形状、 充填材料与围岩的相互作用及 采矿作业等众多因素有关。若综合考虑上述各个因 素的作用并真实地模拟实际条件， 将需要进行大量 的综合测试及计算工作， 因而在实际分析中， 必须对 现场条件进行合理假设和简化。 2 ． 1 T e r z a g h i 计算法 T e r z a g h i 在 1 9 4 3年提出了一种用以分析沉陷带 沙土体中应力分布的方法。由于胶结充填材料的物 理力学结构特性非常接近于 固结土， 故常用这种方 法分析充填体的应力分布， 并作为设计采场胶结充 填体所需强度的理论依据。依据该分析方法， 充填 体底板的垂直应力为 ， 等 [ 1 一 e ] 1 A t D 7 一 式中 作用在充填体底部的垂直应力 ， k P a ； 、 分别为充填体长度和宽度， m； 收稿 日期 _, 2 0 0 7 0 4 0 9 基金项 目 “ 十五” 国家科技攻关课题 2 O o 4 B A 6 1 5 A一04 0 1 0 3 ． 作者简介 杨耀亮 1 9 6 3一 ， 男 ， 湖南长沙人 ， 工程师 ， 主要从事采矿工程技术研究 ， E m a i l y a n g 9 0 8 9 1 6 3 ． c o rn。 维普资讯 4 矿 业 研 究 与 开 发 充填体容重 ， k N ／ m ； 充填体高度 ， m； C 充填体内聚力， k N； 充填料 内摩擦角， 。 ； 充填体侧压系数 ， k1 一s i n q 。 2 ． 2 T h o ma s 计算法 T h o m a s 于 1 9 7 9年在论及胶结充填采场底部的 挡墙设计时， 提出应考虑一种成拱作用 ， 这种作用主 要是由于水砂充填材料与围岩壁 间的摩擦力所致 。 因此 ， 考虑到充填体与围岩 问摩擦力所引起 的成拱 作用 ， 利用岩土力学中的极限平衡原理 ， 通过对充填 体的三维契体稳定分析 ， 提 出确定胶结充填体强度 的方法。Tho m a s 计算 法 已被成功地 用于加拿大 以 及南非的一些胶结充填法矿山。由该方法得出的充 填体底板垂直应力为 一 一 垒 ， ， 、 一 1f h ／ L 式中 作用在充填体底部的垂直应力 ， k P a ； 充填体高度， m； y 充填料的单位容重， k N ／ m ； 充填体长度 ， m。 上式的适用范围是充填体的长度不小于充填体 高度的一半。 2 ． 3 充填体受力状态的计算结果 考虑到充填体暴露面积最大的情况， 即一侧 为 胶结充填体 ， 另一侧矿柱已采完 。根据实验室试验 数据 ， 灰砂 比为 18的胶结充填体 ， 其强度参数 C 0 ． 2 MP a 、 容重 y1 ． 9 9 8 t ／ m ， 并取 4 5 。 ， k 0 ． 2， 充填体沿走 向长度 L7 09 0 m， 宽度 B1 8 m。将以上数据代人T e r z a g h i 法和T h o m a s 法计算公 式 ， 可分别得出充填体不 同暴露宽度条件下不 同部 位的应力值 见表 1和表 2 。由表 1 ， 表 2可 以看 出， 由于充填体两端与围岩 的摩擦力使得充填体 自 重的很大部分转移至两帮围岩上， 充填体暴露宽度 越小 ， 这种 自重转移越明显。表 1中数据显示， 在充 填体高度为 8 0 m、 充填体暴露宽度达 7 0 m时， 充填 体内最大应力为 0 ． 9 3 0 1 MP a ， 为充填体 自重应力的 5 7 ． 5 6 ％； 在充填体高度为 1 0 0 m、 充填体暴露宽度 达 9 0 m时 ， 充填体内最大应力为 1 ． 2 7 2 MP a ， 为充 填体 自重应力 的 6 2 ． 9 7 ％ ， 当充填体 的暴露宽度为 7 0 m时 ， 充填体内最大应力为 O ． 8 3 1 8 M P a ， 仅为 自 重应力的4 2 ． 0 2 ％。由于建模方式和假设条件的差 异， 采用以上两种计算方法得出的应力值不同， 但计 算结果的差异不是很大， 因此可以认为两种计算结 果是可靠的。 表 1 不同暴露宽度下充填体所受应力 T e r z a g h i 法 充 填 体 暴 壅 堡 笠至 旦 塑 鏖 垦 堕 露宽度 4 o m 5 O m 6 o m 7 O m 8 O m 9 0 m 1 0 0 m 7 0 m 0． 51 8 O 0 ． 6 3 0 0 0 ． 7 3 5 8 0． 8 3 5 7 0． 9 3 0 1 1 ． 0 1 9 3 1 ． 1 0 3 4 8 0 m 0． 5 5l 1 0 ． 6 7 2 4 0． 7 8 7 9 0 ． 8 9 7 7 1 ． 0 0 2 2 1 ． 1 01 6 1 ． 1 9 6 1 9 0 m 0． 5 7 7 4 0 ． 7 0 6 4 0 ． 8 2 9 8 0． 9 4 78 1 ． 0 6 0 7 1 ． 1 6 8 7 1 ． 2 7 2 O 表2 不同暴露宽度下充填体所受应力 T h o ma s法 充填体暴 充填体不同深度所受应力 MP a 露宽度 ■ _ 7 0 m 0． 51 4 2 0． 5 8 9 2 0 ． 65 2 6 0． 7 0 7 0 0． 75 41 0． 7 9 5 4 0． 8 3 1 8 8 0 m 0 ． 5 3 8 7 0． 6 2 1 5 0． 6 9 2 6 0． 7 5 4 1 0． 8 0 8 0 0． 8 5 5 5 0 ． 8 9 7 8 9 0 m 0 ． 5 5 9 4 0． 64 93 0 ． 7 2 7 2 0． 7 9 5 4 0 ． 8 5 5 5 0． 9 0 9 0 0 ． 9 5 6 8 3 采场稳定性有限元分析 为研究充填体的力学作用 ， 选取具有代表性的 深部高大采场 采场进行二维弹塑性有限元分 析 ， 目的是对采场围岩与充填体的应力状态进行研 究 ， 以便指导充填体的强度设计。 2 采场处 于标高 一 6 8 7 ． 3 5 m一一7 6 5 ． 9 m段 ， 采场高度约 8 3 m， 计算分析模型的各矿岩物理力学 参数取 自参考文献[ 3 ] ， 分 3步进行模拟分析 1 考虑高应力环境下的初始应力场 ； 2 采场一步开采完成 ； 3 采场 内充人适当灰砂 比的充填体。 对模型底部平面上 的所有节点在 x、 Y方向上 固定 ， 即固定铰支座 ， 而模型 的上、 左右边界面上的 所有节点分别在 Y方 向固定 ， 即滑动铰支座 ， 模型 的分析范围为开采区的 3倍以上。模拟分析的结果 见图 1 4 。 图l 矿体开采完成后的 等值线【 l ／I P a 下转第2 O页 维普资讯 2 0 矿 业 研 究 与 开 发 [ 4 ] 谷兆旗 ， 等， 地下洞室工程[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 4 ， [ 5 ] 邓建辉 ， 丰定祥 ， 葛修润 ， 等， 多介质边坡弹性摸量位移反分析 模型与优化算法[ J ] ． 岩土工程学报， 1 9 9 7 ， 1 9 3 l 1 ～ 1 5 ， [ 6 ] 杨 志法， 熊顺 成 ， 王 存 玉， 等． 关 于位 移 反分 析 的 某 些考 虑 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 5， 1 4 1 1 ～1 6 ． [ 7 ] 邓建辉， 李焯芬， 葛修润， 岩石边坡松动区与位移反分析[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 1 ， 2 0 2 1 7 1～ 1 7 4 ， 上接第 4页 图 2 矿体开采完成后的 等值线 1 V I P a 图 3矿体开采完成后 位移 等值 线 m 从图 1～ 4的分析结果可知， 采场开采结束后 ， 在采场的周围形成了一个明显的应力降低区， 采场 四周的应力降低幅度较大 ， 特别是在采场 的帮壁和 顶板产生了不 同程度的拉应力 ， 在帮壁 和顶板中间 的张应力值最大 ， 在进行充填体的设计时， 该部位充 填体 的设计强度就应该较大一些。 开采扰动产生的位移指向采空区， 并 以帮壁处 的位移值较大， 这是冬瓜山的原岩构造应力造成的， 冬瓜山矿区水平方向的地质构造应力值比岩体相应 位置的 自重垂直应力要大 ， 开采扰动在采场 的周围 [ 8 ] K a w a m o t o T ，1 9 9 7 ． D e s i g n a p p r o a c h e s f o r l a r g e u n d e r g r o u n d c a v e r a s [ A] ，P mc ，o f 9 t h I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o f t h e A s s o c i a t i o n fo r C o mp u t e r M e t h o d s a n d A d v anc e s i n G e o m e c h ani c s[ c] ． B a l k e ma P u b l i s h e r ． 1 9 9 71 6 1～1 7 0． [ 9] 邹志晖， 汪志林． 对“ 关于锚 固岩体 的几个力学 特性问题的探 讨” 一文的答 复[ J ] ． 岩土工程学报 ， 1 9 9 5， 1 7 3 ． 图 4 矿体开采完成后破坏区域 为剪破坏区 ， o 为张破坏 区 形成了不同程度的破坏区。 4 结 语 冬瓜山铜矿深部覆存矿体距地表约 1 0 0 0 m， 矿 区构造应力复杂 ， 属高地应力分布区域 ， 矿体开采过 程 中， 地 压大， 且具 有岩爆倾 向。用 T e r z a g h i 法 和 T h o m a s 法对其高大采场充填 体受力状况进行理论 计算的结果表明， 采用充填法可 以对控制地压起到 一 定的作用。以 2 采场的横 剖面进行 了二维弹塑 性有限元分析 ， 确定 了开采扰动条件下 的采场与围 岩的地压活动规律， 开采扰动在采场的周围形成了 不同程度的破坏区。对采场应力和位移分布规律的 理论分析结果， 为深部采场胶结充填体强度设计提 供 了理论依据。 参考文献 [ 1 ] 长沙矿山研究院 ， 冬瓜山铜 矿． 深井高浓度全尾砂充填技术研 究 采 场充填工艺技 术 研究 [ R] ． 长沙 长沙 矿 山研 究院 ， 2 o o 6 ． [ 2] 蔡嗣经． 矿 山充填 力 学基 础 [ M] ． 北京 冶金 工业 出版 社 ， 1 9 9 4 ． [ 3 ] 北京有 色冶金设计研究 总院． 铜都铜业股 份有限公司冬瓜 山 铜矿初 步设计 『 R] ． 北 京 中国有色工程设计研 究总院 ， 2 0 0 1 ． 维普资讯