深部铜矿高阶段充填体强度设计及稳定性计算.pdf

ISSN 1671 -2900 CN 4 3 - 134 7/TD 采 矿 技 术 第17卷第6期 Mining Technology, Vol. 1 7 , No.6 2 0 7年1 1月 Nov. 2017 深 部 铜 矿 高 阶 段 充 填 体 强 度 设 计 及 稳 定 性 计 算 邹南荣\ 尚振华2 , 秦忠虎1 1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿， 福 建 上 杭 县 364200; 2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖 南 长 沙 410012 摘要摘要 为实现高阶段大体积充填体强度设计的双重目标， 即 在 保 障 安 全 生 产 的 前 提 下 ， 降低充填成本、 提高矿山生产效益， 结 合 深 部 铜 矿 的实际生产条件及工程地质情况， 采用 工程经验法和多种理论分析方法设计了高阶段充填体的强度， 并结合矿山具体的地应力 环境和充填体力学参数， 采 用 F L A C 软件模拟和分析了 2 4 种分层高度下高阶段充填体 的稳定性， 模拟结果从力学角度上很好的验证了设计充填强度的结果， 并明确了矿房采场 的充填分层高度， 为保障矿山的安全生产和降低充填成本提供了理论依据。 关 键 词关 键 词 深部开采； 高阶段充填； 强度设计； 数值模拟 0引百 我 国 矿 山 多 为 地 下 开 采 ， 随着矿体资源开采深 度 的 增 加 ， 地 压 显 现 问 题 日 益 突 出 。充填法作为地 下矿山主要的采矿方法之一， 可以有效控制地压， 尤 其 是 可 以 明 显 改 善 甚 至 控 制 高 阶 段 采 场 的 地 压 问 题[1]。设计合理的充填体强度和充填分层高度是保 证矿山安全生产的基础， 也是降低充填成本的必要 手 段 。通 常 ， 矿柱充填体的作用在于充填采空区以 及 作 为 工 作 平 台 或 工 作 顶 板 ， 其 强 度 一 般 要 求 较 低[23]。矿房充填体将作为矿柱回采时的围岩， 其强 度关系到矿柱回采的安全和经济效益。从回采安全 方 案 考 虑 ， 希望提高充填体的强度， 而高强度的充填 体必然增加成本， 于经济效益不利。因 此 ， 存在一个 充填体合理强度的问题， 即需在安全和经济两方面 找 到 平 衡 点 ， 在 安 全 的 前 提 下 尽 可 能 的 提 高 经 济 效益[4]。 紫 金 山 金 铜 矿 深 部 铜 矿 的 埋 藏 深 度 较 大 ， 约为 700 m ,矿 体 赋 存 于 强 度较 低 的 中 细 粒 花 岗 岩 和 英 安 玢 岩 中 ， 矿围岩节理裂隙和地下水较为发育， 且存 在 较大的水平构造应力， 约 为 竖 向 应 力 的 1.5〜1.6 倍 ， 加上其方向垂直于采场轴向， 造成了开采过程中 较 为 明 显 的 地 压 问 题 。另 外 ， 采 场 厚 度 较 大 ， 约为 50〜75 m ,且 矿 山 采 用 大 直 径 深 孔 法 采 矿 ， 其阶段 高 度 为 100 m ,因 此 ， 矿房采场充填体的强度设计对 矿柱采场的安全回采至关重要。 为 了 兼 顾 安 全 和 经 济 两 个 目 标 ， 矿房采场必须 采用两种或以上强度的充填体分层充填。由于充填 体 自 身 受 力 情 况 与 自 身 的 材 料 配 比 、 脱 水 情 况 、 围 压 、 采矿作业环 境 等 多 个 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， 因而在本文分析 中 ， 对现场条件进行合理假设和简化， 采用工程类比 和 理 论计算两种方法设计充填体强度， 并利用数值 计算设计最终的分层高度。 1充 填 体 强 度 设 计 一 般 设 计 充 填 体 强 度 的 方 法 包 括 工 程 类 比 法 、 理论计算法、 数 值 分 析 法 3 种[5]。由于工程类比法 和理论计算法使用简便， 故广泛使用于现场和科研。 而数值分析方法计算过程较为复杂， 不 易 掌 握 ， 常应 用于科研方面。此 处 ， 采用工程类比和理论计算方 法设计充填体强度。 1 . 1 工程类比法确定充填体强度1 . 1 工程类比法确定充填体强度 由 于 不 同 矿山的工程地质条件、 矿围岩力学性 质 、 原岩应力水平、 采 矿 方 法 、 充填方式等各异， 设计 的 充填体强度也难免与工程实际需要有所差异， 所 以设计充填体强度需要根据现场实际情况进一步进 行试验研究， 最终确定满足实际需要的充填体强度。 国内外部分矿山高阶段大体积充填体的配比设计及 充 填 体 强 度 见 表 1。 由 于 深 部 铜 矿 采 用 大 直 径 深 孔 嗣 后 充 填 采 矿 法 ， 矿房长X 宽 X 高为（ 50〜75 mX 1 5 mX 1 00 m ， 采用“ 隔三采一” 的 回 采 顺 序 ， 一步骤矿房采场胶结 邹 南 荣 ， 等 深 部 铜 矿 高 阶 段 充 填 体 强 度 设 计 及 稳 定 性 计 算 31 充填体的强度直接影响到二步骤矿柱米场的安全回 设 计 一 步 骤 矿 房米场胶结充填强度范围应介于1〜 采 。根 据 表 1 中国内外部分高阶段大体积充填体强 4 M P a之 间 ， 才 能 满 足 深 部 铜 矿 的 充 填 体 强 度 度设计实例， 并结合深部铜矿的工程地质条件， 初步 要 求 。 表 1国 内外 部分 矿山高 大采场 充填体配比 设计表 1国 内外 部分 矿山高 大采场 充填体配比 设计 矿山名称采矿方法 采场尺寸（ 长 X 宽 X 高）暴露面积/m2 充填材料及配比充填体强度/MPa 芒特艾萨矿 澳大利亚） 深孔空场 30X 40X 100 〜140 最 高 210 1200C顶板 9600C侧帮 块石胶结充填 尾砂胶结充填 2.3块石） 1.1水砂） 新布罗肯希尔矿 澳大利亚） 大直径深孔 10X 6.1X 913600C侧帮 尾砂胶结充填 1 16〜1 20 0.78 斯特拉斯康纳矿 加拿大） V C R 法60X 7X 15 732顶板 2715C侧帮） 尾砂胶结充填 1 8〜1 32 1 30 0.35 〜0.40 塔拉铅锌矿 爱尔兰） 深孔崩矿 20 〜60X 12.5X 80 750顶板 1800C侧帮 尾砂胶结充填 1 6〜1 16 1〜4 凡口铅锌矿 中国） V C R 法35X 7 〜10X 101100C侧帮 尾砂， 棒磨砂胶结 1 8〜1 10 2.5 大冶铜绿山矿 中国） V C R 法-2520C侧帮） 水泥尾砂炉渣胶结 17 1.9 大厂铜坑锡矿 中国） 分段空场嗣后充填60 〜100X 15 〜18X 35 〜60 1500C顶板 5000C侧帮） 棒磨砂胶结 1 5〜1 8 1.48 1 . 2 充填体强度的理论计算 充填体稳定性理论主要假定充填体和围岩的相 互 作 用 ， 进而计算出充填体内部压应力与其暴露参 数之间的关系， 进而确定出充填体保持稳定所需强 度 。本文 主 要 采 用 蔡 嗣 经 公 式 法 [6]、T ezaghi模型 fe[7、Thomas计 算 法、Mitchell计 算 法、卢平计算 法[8、 南 非 计 算 法 、 弹 性 力 学 分 析 法 、 岩土力学覆岩 承重计算法等分别计算深部铜矿矿房采场胶结充填 体 的 强 度 。由 于篇幅有限， 此 处 仅 以 Mitchell计算 法为例加以说明， 其计算公式为 7 H tan/3 Xk1 式 中 ， Y 为 充 填 体 密 度 ； H 为胶结充填体的暴露高 度;L 为 胶 结 充 填 体 的 暴 露 长 度 ； 为 滑 移 角 ， 45 4k为安全系数。 根 据 深 部 铜 矿 的 实 际 情 况 ， 胶结充填体取不同 灰砂 比 充 填 体 的 均 值 1.8 t/m3，内摩擦角取40。由 于 采 用 100 m 的 阶段高度， 充填体的强度首先需要 满足其自立的要求， 此时安全系数取值为1.0， 此 外 ， 目前深部铜矿的矿房尺寸较大（ 长 （0 〜75 m X 宽 15 m X 高 100 m，且 两 个 分 段 （ 分 段 高 度 50 m全 部回采完成后一次充填， 为了确保矿柱采场的稳定 性 ， 考 虑 到 深 部 铜 矿 存 在 较 大 的 水 平 构 造 应 力 ， 且 矿 、 围岩的岩体质量中等〜较差， 设 计 采 用 1.2倍的 安 全 系 数 评 估 50 m 分 段 高 度 的 充 填 体 自 稳 情 况 ， 以 及 采 用 1.5倍 的 安 全 系 数 评 估 100 m 阶段高度的 充填体自稳情况。充填体内垂直应力与充填高度之 间的关系曲 线 见 图 1。 ddM/ -R 田话蜓造驊枳 图 1不 同 安全 系 数时 不同 计 算方 法 的充 填 体底 部压 应 力计 算结 果图 1不 同 安全 系 数时 不同 计 算方 法 的充 填 体底 部压 应 力计 算结 果 32 采矿技术2017,176 从 图 1 可以看出 采 用 100 m 的阶段高度， 充填 体底部的垂直应力较大， 约 为 3.0〜3.5 MPa1.5 倍 安全系数）上部分段的垂直应力约为1.0〜2.0 MPa、 下部分段约为2.0〜3.0 MPa. 由于阶段底部需要布 置 11 m 高的底部结构， 设计在阶段底部充填10〜15 m 左右的高强度充填体， 强度不小于3.0 MPa. 由 于 采 用 50 m 的 分 段 高 度 ， 且 分 段 设 有 凿 岩 硐 室 ， 设计在分段部位也充填5 m 左右的高强度充填 体以保证凿岩硐室的稳定性， 强 度 为 2.0〜3.0 MPa. 此 外 ， 由于阶段顶部的凿岩硐室将作为上一阶 段的受矿硐室， 考虑到大体积充填体的沉降问题， 结 合国内外类型矿山经验， 设计在阶段的顶部凿岩硐 室 附 近 也 充 填 5 m 左 右 强 度 为 2.0〜3.0 M P a的充 填 体 。 2 4 个 。 表 2充填体强度和分 层高度的数 值模拟方案表 2充填体强度和分 层高度的数 值模拟方案 方 案 编 号 底 部 分层高度/m 中部凿岩顶部凿岩 硐室 硐室 方案 编号 底部 分层高度/m 中部凿岩顶部凿岩 硐室 硐室 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 2充 填 体 分 层 高 度 设 计 因 为 充 填 体 不 仅 受 自 重 的 影 响 ， 还要受外力的 作 用 ， 因 此 ， 采用数值模拟法计算充填体的合理强度 和分层高度。 2.1数值模拟方案 根 据 上 述 理 论 计 算 结 果 ， 矿房采场的充填体强 度应从下到上依此递减， 且顶部和中部凿岩硐室适 当增加其强度。因 此 ， 数值模拟中底部、 中部和底部 的 凿 岩 硐 室 位 置 附 近 的 充 填 体 强 度 为 3.0 MPa,下 部 和 上 部 分 段 位 置 的 充 填 强 度 分 别 为 2.0 M P a和 1.5 MPa. 而分层高度的设计可以根据弹塑性力学中的圣 维南原理初步确定。矿 、 岩体开挖后， 只会使开挖面 近处产生明显的应力扰动， 而一倍开挖孔径以上扰 动就会急剧减小， 三倍孔径以上区域的应力扰动可 以忽略不计。 目 前 深 部 铜 矿 采 用 的 出 矿 进 路 为 3.8 m X 3.8 m,而回米矿柱时将在矿房米空区的充填体 中施工类似尺寸的进路， 因 此 ， 矿房采空区底部充填 体的分层厚度只需尽量确保矿柱采场的出矿进路安 全 即 可 。结 合 圣 维 南 原 理 ， 其开采扰动在矿房采空 区 充 填 体 3.8 m 内 产 生明显扰动， 而 超 过 3.8 m 扰 动将会急剧减小， 同时考虑经济因素和便于数值模 拟对比分析， 因 此 确 定 底 部 充 填 高 度 范 围 为 5,10, 15,2 0 m 。采用同样的方法设计中部和顶部凿岩硐 室的高强度充填体分层高度分别为0,5,10 m 和 0, 5 m。 最 后 ， 采用参数正交设计， 根据上述确定的充填 体分层高度，确 定 了 如 表 2 所 示 的 模 拟 方 案，共计 2 . 2 岩体物理力学参数的选取 根 据 充 填 配 比 试 验 得 到 的 充 填 体 抗 压 强 度 ， 并 参 考 相 关 矿 山 胶结充填体的力学参数， 分别采用表 3 对 1.5, 2.0, 3.0 M Pa充填体的物理力学参数进行 数值计算。 表 3模型材料物理 力学参数表 3模型材料物理 力学参数 容重 弹 性 模 泊 松 内 聚 力 内 摩 擦 抗 拉 强 抗 压 强 . kN/m3 量/GPa 比 /MPa 角 ,.。 ）度/MPa 度/MPa 矿岩 275828.860.24 二 步 骤 1200 尾砂 0.020.45 15 M Pa , 充填体 150 0.200.30 2.0 M Pa 充填体 160 0.300.25 3 充填体1 18〇 0 充填体 0.45 0.25 2.1536.260.96 9.22 0 20.0 0 0.25 0.1525.00 0.05 150 0.2027.50 0.10 2.00 0.3028.000.203.00 2 . 3 数值模拟结果 为了保证充填体的自立， 采 用 F L A C 对各方案 进行数值模拟， 并 提 取 充 填 体 顶 部 、 上 部 分 段 、 中部 凿岩硐室、 下 部 分 段 、 底 部 的 压 应 力 ， 并将各部位的 应力与充填体强度比较。 本 文 仅 以 方 案 7 和 9 进 行 说 明 ， 二者的垂直方 向应力云图见图2 。二者在数值上和云图的形状上 差别并不大， 前者顶部凿岩硐室没有充填高强度充 填 体 ， 所以其承压能力较弱， 上覆岩层的压应力基本 由围岩分担， 充 填 体 内 的 压 应 力 基 本 为 0,而采用高 强 度 充 填 体 的 方 案 9,顶部充填体可以承受部分上 覆岩层的压应力， 内 部 应力小于2.5 MPa。 邹 南 荣 ， 等 深 部 铜 矿 高 阶 段 充 填 体 强 度 设 计 及 稳 定 性 计 算 33 图 4中部凿岩硐室和上 部分段的充 填体压应力图 4中部凿岩硐室和上 部分段的充 填体压应力 图 5顶部凿岩硐室的充填体压应力图 5顶部凿岩硐室的充填体压应力 结论 依据国内外矿山工程实例中高阶段大体积 充填体的强度， 结合深部铜矿高阶段、 大尺寸采场回 采 现 状 ， 并根据深部铜矿现场条件， 得出一步骤矿柱 的 采 空区顶部和底部均应采用高强度的充填体， 强 度为 3.0〜4.0 MPa. 综合运 用 蔡 嗣 经 公 式 法 等 6 种充填体强度 理论计算方法分析了不同高度下充填体内的压应力 分 布 情 况 ， 认 为 充 填 体 底 部 的 垂 直 应 力 约 为 3.0 MPa,下 部 和 上 部 分 段 的 垂 直 应 力 分 别 为 2.0〜3.0 MPa 和 1.0〜2.0 MPa. 3 采 用 F L A C 软件模拟分析了 2 4 种不同分 层 厚 度 下 矿房采场胶结充填体的稳定性， 得出了高 强度充填体的分层高度， 分 别 为 底 部 充 填 高 度 15 m 左 右 ， 中部凿岩硐室充填高度5〜10 m ,顶部凿岩硐 下 转 第 3 9 页 ） 将 各 方 案 充 填 体 不 同 部 位 的 压 应 力 结 果 汇 总 ， 得 到 图 3〜 图 5,从图中可以看出 1 无论层高多少， 底 部 充 填 体 的压应力较大， 但 整 体 上 不 超 过 2.5 MPa,考 虑 到 阶 段 底 部 需 要 布 置 11 m 的 底 部 结 构 ， 因 此 设 计 底 部 高 强 度 充 填 体 高 度 为 15 m ;下部分段充填体内部压应力随着底部 高 强度充填体分层高度的增加而减小， 底部分层为 15 m 时 ， 下部分 段 充 填 体 内 部 压 应 力 约 为 1.5 MPa 左 右 ， 而设计的该部分充填体强度为2.0 MPa,可以 满足安全需求。 2 中部凿岩硐室充填一定高度的高强度充填 体可以显著的 改 善 该 区 域 附 近 的 充 填 体 稳 定 性 ， 充 填体强度与下部分段相同时， 该部位的压应力约为 1.75 MPa,其 安 全 系 数 约 为 1.1左 右 ， 而充填高强度 充 填 体 后 ， 该 部 位 的 压 应 力 约 为 2.0 MPa,其安全系 数 约 为 1.5左 右 。所 以 ， 设计中部凿岩硐室充填5〜 10 m 的高强度充填体； 在 以 上 前 提 下 ， 上部分段充 填体内的 压 应 力 约 为 1.2〜1.3 MPa,小于设计的充 填 体 强 度 值 1.5 MPa,可以满足安全需求。 3 不 同 方 案 时 ， 顶 部 凿 岩 硐室内部的压应力 存在明显差别。在 以 上 充 填 分 层 的 基 础 上 ， 顶部充 填高强度充填体时， 其 压 应 力 约 为 1.2 MPa,安全系 数 可 以 达 到 2 以上， 而充填与上部分段强度相同的 充 填 体 时 ， 其 内 部 压 应 力 略 小 ， 约 为 1.1 MPa,但安 全 系 数 只 有 1.4左 右 ， 所 以 ， 设 计 顶 部 也 充 填 5 m 左 右的高强度充填体。 2 . 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1〇 1112 13 1415 16 17 1 8 19 2 0 21 2223 24 方案方案 图 3底部和下部 分段的 充填体 压应 力图 3底部和下部 分段的 充填体 压应 力 图 2垂直方向压应力云图图 2垂直方向压应力云图 .1 1 力段 部部 1國 c j 唐磊， 等 贵 州 某 水 库 坝 址 工 程 地 质 选 择 39 二迭系下统茅口组白云质灰岩， 灰 白 色 ， 中厚层块状 结 构 ， 岩 石 新鲜完整， 岩 性 坚 硬 ， 为地方已开采的石 料 场 。石料场断裂构造不发育， 边坡整体稳定。 从 多 组 取 样 进 行 的 物 理 力 学 特 性 试 验 成 果 看 岩石饱和抗压强度为81.6〜84.6 MPa,抗拉强度为 5〜7 MPa,弹 性 模 量 为 30〜45 GPa,泊松比为0.25, 岩 块 纵 波 速 为 5000〜6000 m/s。岩 石 强 度 高 、 刚度 大 ， 质 量 好 ， 满 足 混 凝 土 人 工 骨 料 和 砌 石 堆 石 料 要 求 。经取样检测， 做为人工骨料的白云质灰岩不具 有潜在碱活性成分。 3 . 2 围堰土料 下 坝 址 右 岸 有 残 坡 积 粘 土 ， 稍 湿 〜 湿 ， 可 塑 ， 含 少量碎石（ 约 10 下 伏 基 岩 为 强 风 化 泥 岩 ， 可碾 碎呈粉砂状， 开 采 储 量 约 5 万 m3,可满足围堰用料 要 求 。现 场 碾 压 后 粘 土 渗 透 系 数 小 于 1 X 10 5 cm/s ， 属 微 透 水 ， 满足围堰防渗要求。 3.3 天然砂砾料 坝 址 区 天 然 砂 砾 石 料 分 布 面 积 小 ， 多被耕地覆 盖 ， 成分亦较复杂， 储 量 少 ， 不宜做为天然砂砾料料 源 ， 大坝用料需采用灰岩乳制的人工骨料。 4 结 论 与 建 议 4.1 结 论 1 根据 中 国 地 震 动 参 数 区 划 图 （ GB18306 一200 1 工 程 区 地 震 动 峰 值 加 速 度 为 0.05g ,地震 动 反 应 谱 特 征 周 期 为 0.35 s ,相应地震基本烈度为 可度， 区域构造稳定条件较好。 2 水 库 库 盆 位 于 相 对 隔 水 的 玄 武 岩 上，岩性 单 一 ， 无 大 型 断 裂 通 向 库 外 ， 分 水 岭 宽 厚 ， 地下水补 上 接 第 3 3 页 ） 室 充 填 高 度 5 m 左 右 。 4通 过 运 用 工 程 类 比 法 、 理论分析和数值计 算 3 种方法设计、 分析并得到了深部铜矿高阶段充 填体的强度参数和分层厚度， 降低了矿山的充填成 本 ， 并为矿山的安全生产提供了理论依据。 参 考 文 献 参 考 文 献 [] 郭利杰， 杨小聪.深部采场胶结充填体力学稳定性研究[].矿 冶， 2008， 丄 730-丄 3. [] 邓代强.混凝土充填体强度特性试验研究矿冶工程， 2006,264 丄 0-12. [] 朱志彬， 刘成平.充填体强度计算及稳定性分析采矿技 术， 2008,83 5-丄 7 . 给 河 水 ， 水库不存在渗漏问题， 成库条件好。 3 水库为岩质岸坡， 无 大 的 滑 坡 、 崩塌和泥石 流 ， 库岸整体稳定性较好。 4 库区无可溶岩、 温 泉 出 露 ， 水库蓄水后发生 水库诱发地震的可能性极小。 5 坝址河谷呈“ V ” 型 ， 上 、 下两个坝址坝基持 力层均为坚硬的玄武岩， 依国标规范规定 弱风化的 玄武岩属中硬岩， 岩 体 级 别 为 类 ， 可满足混凝土重 力坝或面板堆石坝趾板地基承载要求。两岸坝肩边 坡整体稳定。 上 、 下 坝 址 均 具 备 建 坝 条 件 。两坝址从汇 水 面 积 、 水 文 地 质 、 岩 体 风 化 、 施工布置等条件考虑， 本阶段推荐下坝址为选定坝址。 7 下 坝 址 突 出 优 点 可利用已建 的 土 石 坝 做 施 工 围 堰 ； 两岸坝肩地下水力坡度稍陡， 防渗帷幕灌 浆工程量小于上坝址。 8 坝 基 和 坝 肩 存 在 渗 漏 问 题 ， 强风化的凝灰 岩是坝肩主要的渗漏途径。须采用防渗帷幕灌浆封 闭处理。 9坝 前 3 k m 的大寨石料场为白云质灰岩， 岩 石强度高,刚度大,质量好,满足混凝土人工骨料和砌 石堆石料要求； 白云质灰岩不具有潜在碱活性成分。 4.2 建 议 下 阶 段 继 续 查 明 两 岸 凝 灰 岩 分 布 厚 度 ， 渗 透 特 性 ， 为坝肩防渗提供可靠地质依据。 防 渗 帷 幕 灌 浆 边 界 长 度 ， 如两端点按正常 蓄水位与地下水位交点偏长， 可考虑端点按正常蓄 水位与弱风化带下限的交点为控制。 收 稿 日 期 2017-09-27 [] 杨耀亮， 邓代强， 惠 林 ， 等.深部高大采场全尾砂胶结充填 理论分析[].矿业研究与开发， 2007,274 3-4. [] 曾照凯， 张义平， 吴 刚 ， 等.基于正交优化的胶结充填体强 度试验研究[].有色金属（ 矿山部分），2010,623 6-8 . [] 曾照凯， 张义平， 王永明.高阶段采场充填体强度及稳定性研 究[].金属矿山， 2010,391 31-34. 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