窄长采场胶结充填体强度要求及结构设计

1、窄长采场胶结充填体强度要求及结构设计 于永纯1,2，罗正良1,2 ，孙长坤1,2，魏晓明3（1云南黄金矿业股份有限公司，昆明 650200；2保山金厂河矿业有限公司，保山 678300；3矿冶科技集团有限公司，北京 100160）摘 要：为了解决金厂河多金属矿空场嗣后充填法窄长采场胶结充填体强度要求优化设计问题，以该矿矿岩-充填体力学参数为基础，利用优选3种理论方法，进行了强度要求解析计算。通过构建矿山典型开采区域的三维数值模型，采用FLAC3D软件开展了两步骤采充时序的数值模拟计算，搜索得出了一步骤窄长采场胶结充填体极限稳定状态下的强度数值解，进而对比分析了充填体强度要求数值解与理论解，确定

2、了一步骤窄长采场胶结充填体的所需强度和结构设计，可为同类矿山胶结充填体强度要求优化设计提供参考。关键词：胶结充填体；强度需求；结构设计；数值模拟Strength requirement and structure design of cemented backfill in narrow - long stope YU Yongchun1,2，LUO Zhengliang1,2，SUN Changkun1,2，WEI Xiaoming3(1. Yunnan Gold Mining Group Co., Ltd., Kunming 650200, China；2. Baoshan Jinchan

3、ghe Mining Co., Ltd., Baoshan 678300, China；3. BGRIMM Technology Group，Beijing 100160，China)Abstract: In order to optimize the strength design of the cemented backfill in long-narrow stopes of Jinchanghe polymetallic mine, the analysis of the strength requirements was carried out with the mechanical

4、 parameters of rock-backfill and three theoretical methods. Then, based on the construction of three-dimensional numerical model of typical mining area, the numerical simulation calculation of two-step mining and filling sequence was analyzed by FLAC3D software. Furthermore, the strength numerical s

5、olution of narrow-long cemented backfill in one step stope was obtained by searching. The numerical solution and theoretical solution of strength requirement of cemented backfill were compared and analyzed, and the required strength and structure design of narrow-long cemented backfill in one step s

6、tope was determined. It can provide a reference for the optimization calculation of the backfill strength requirements of similar mines.Key words: cemented backfill; strength requirement; structure design; numerical simulation引言阶段空场嗣后充填采矿法是采用空场法回采后对采空区进行嗣后充填处理，在金属矿山的应用日益广泛1。该采矿法一般沿着（或垂直）矿体走向两步骤回采，其中

7、一步骤矿房开采后胶结充填，二步骤矿柱开采后非胶结充填2。由于一步骤胶结充填体添加水泥成本约占充填总成本的70%80%以上，不同矿山选择的充填配比带有较大的主观成分，难以科学的确定胶结充填体强度，造成灰砂比偏大，耗费大量不必要的水泥，加大企业的充填成本3。目前国内外胶结充填体强度的设计方法可分为三类，即经验法、力学模型法及数值分析法4。为了使胶结充填体安全可靠，经济合理，需要确定合理的充填体强度。本文以金厂河多金属矿为工程依托，利用该矿的窄长采场尺寸（长宽比大于5）和矿岩-充填体力学参数5，开展胶结充填体强度要求理论计算和数值模拟分析，通过对比充填体强度要求数值解与两种解析解，确定矿山一步骤窄长

8、采场胶结充填体的所需强度和结构设计，为类似矿山胶结充填体要求优化设计提供参考。1 工程概括保山金厂河铅锌铜多金属矿床属新开矿床，矿体顶底板以大理岩、大理岩化灰岩为主，矿层底板岩性以矽卡岩、矽卡岩化大理岩为主。矿山采用大直径深孔侧向崩矿阶段空场嗣后充填法，矿体分为矿房和矿柱，采场垂直矿体走向布置，阶段高50 m，矿房和矿柱宽15m，长为矿体水平厚度，平均为120m，采场之间中间不留间柱，分两步骤连续回采。根据矿山初设要求，一步骤矿房采用全尾砂胶结充填，二步骤矿柱采用非胶结充填，由于一步骤胶结充填体稳定性直接关系着二步骤矿柱是否能够顺利回采，因此矿山亟需确定一步骤胶结充填体合理强度，在保证安全回采

9、情况下，尽可能降低充填成本。2 矿岩-充填体力学参数测定2.1 岩石力学参数通过现场对金厂河多金属矿首采区的顶、底板大理岩和矿体进行取芯，然后开展岩石力学试验，获得了三种岩石的力学参数，见表2-1。表1 岩石力学参数Table 1 The mechanical parameters of rock岩石名称密度/g/cm3抗拉强度/MPa抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/顶板岩石2.588.59127.134.60.2425.4546.00矿体3.3213.12215.244.80.2236.8549.17底板岩石2.604.607424.90.2620.0735.3

10、22.2 充填体力学参数考虑矿山实际充填工况，配置了全尾砂圆柱形充填体试样，全尾砂充填体料浆浓度为70%，灰砂比分别为1:4、1:8、1:10和1:15，测试获得了充填体在实验室养护下28d龄期的容重、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等力学参数，见表2为开展采场充填体强度需求的解析计算和数值模拟分析奠定了基础。表2 充填体力学参数Table 2 The mechanical parameters of cemented backfill灰砂比弹性模量/GPa粘聚力/MPa内摩擦角/泊松比抗压强度/MPa容重/(KN/m3)1:4 0.840.4345.140.302.5218.81:8 0.

11、610.4023.740.310.9119.21:10 0.520.2428.810.320.7719.01:150.350.1035.740.330.5619.33 窄长采场充填体强度理论计算3.1 强度计算方法选择金厂河多金属矿单个采场体积达到9万m3，开采工程规模较大，胶结充填体的强度直接关系到矿山开采的安全和经济效益，事关重大，必须科学合理。因此，为了快速评估空场嗣后充填法中一步骤采场充填体在揭露后的稳定性，通常选取矿冶集团公式、Mitchell公式，安庆公式三种方法6-7，计算获取窄长采场充填体的强度要求。3.2 充填体强度计算参数选取（1）充填体内摩擦角、滑移角、充填体粘聚力与单轴

12、抗压强度比值M根据表2的充填体力学测试结果，不同灰砂比的充填体内摩擦角平均值为33，滑移角平均值为61.5，M平均值为0.35。（2）充填体-后壁围岩接触面的粘聚力与充填体粘聚力的比值ra，充填体-侧壁围岩接触面的粘聚力与充填体粘聚力的比值rs，充填体-侧壁围岩接触面的摩擦角s参照国内外已有文献数据8，ra=0.2，rs=0.5，s=26。（3）胶结充填体容重和非胶结充填体u胶结充填体平均容重为19.6kN/m3，非胶结充填体容重为18.3kN/m3。3.3 窄长采场充填体强度计算矿山采场结构参数长度为120m，宽度为15m，高度为50m，由于无法掌握现场的充填生产数据以及井下原位充填体质量情

13、况，根据以往的安庆铜矿、草楼铁矿等工程经验，安全系数一般选取范围在2.02.5之间。结合金厂河尾砂偏细，固结强度偏低，故本次安全系数FS选取为2.5，三种理论公式计算结果见表3。由表3可知，窄长胶结充填体所需强度取相对保守值为2.13MPa。表3 采场充填体所需强度Table 3 The strength requirement of cemented backfill矿冶集团公式Mitchell公式安庆公式FS=1.0FS=2.5FS=1.0FS=2.5FS=1.0FS=2.50.942.130.691.201.461.464 窄长采场充填体稳定性数值模拟分析4.1 三维采场模型的建立利用F

14、LAC3D有限差分软件，以金厂河矿一步骤和二步骤的典型采场为依据，建立了相应的数值模型（长宽高=840m315m350m），见图1。在此典型采场的数值模拟中，建立了3个相邻的一步骤和二步骤采场，如图2所示，并在一步骤采场（1#采场）内布设6个监测截面，分别在采场宽度方向X=150m、157.5m和165m三个监测截面，在采场长度方向Y=390m、420m和450m三个监测截面，通过6个监测截面上的塑性区发展变化分布情况判断1#采场充填体的稳定性。 图1 三维采场模型 图2 一步骤采场充填体监测截面Fig.1 Three-dimensional stope model Fig.2 Monitor

15、ing section of one-step backfill 4.2 窄长采场充填体数值模拟分析1#、2#和3#采场的具体采充顺序为：1#一步骤采场回采和充填2#二步骤采场回采和充填3#二步骤采场回采。（1）1#一步骤采场回采和充填1#采场回采后，围岩位移场和塑性区分布见图3。其中围岩竖向位移最大值为1.38mm，水平X方向位移最大值为1.69cm，水平Y方向位移最大值为1.72mm，围岩位移整体偏移量很小。围岩塑性区分布可以看出，围岩只是在两侧壁表层发生小范围剪切破坏，故了1#采场回采后，围岩整体稳定。首先设定1#采场充填体的粘聚力为200 kPa时，按照公式1将充填体的粘聚力换算成单轴

16、抗压强度为0.571 MPa左右。 （1）式中：M常数，取0.35；c粘聚力，MPa；单轴抗压强度，MPa。 （a）位移场 （b）塑性区图3 围岩的位移场和塑性区Fig.3 Displacement field and plastic zone of surrounding rock（2）2#采场回采和充填2#采场回采后，1#采场充填体前壁揭露，由于篇幅有限，本文展示了采场宽度方向X=157.5m和采场长度方向Y=420m两个监测截面的塑性区，如图4所示。当1#采场充填体粘聚力为200 kPa时，1#采场充填体后壁中上部表层有拉破坏和剪切破坏塑性区，揭露的1#充填体整体处于稳定性状态。考虑到2

17、#采场非胶结充填体会在3#采场回采时对1#采场胶结充填体产生侧向推力作用，影响1#采场充填体再次单侧暴露时的稳定性，从保守的角度考虑，在2#采场充填体中添加少量的水泥提高其自身的强度，初步采用充填体的粘聚力为70kPa、内摩擦角为20（将充填体的粘聚力换算成单轴抗压强度后为0.2 MPa左右）。 2#1# （a）X=157.5m （b）Y=420m图4 前壁揭露1#采场充填体塑性区（c=200kPa）Fig.4 Plastic zone of front wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=200kPa） （3）3#采场回采当3#采场

18、回采后，1#采场的胶结充填体后壁暴露，从图5中可以看出，1#采场胶结充填体在2#低标号充填体（粘聚力为70 kPa）的水平推力作用和围岩变形作用等因素影响下，1#采场充填体底部发生的贯穿1#采场宽度的塑性区，说明在2#采场充填体的作用和影响下，1#采场充填体不再能够保持稳定，因此在设计1#采场充填体所需强度时应进一步提高其设计强度值。3#2#1# （a）X=157.5m （b）Y=420m图5 后壁揭露1#采场充填体塑性区（c=200kPa）Fig.5 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=20

19、0kPa） （4）1#采场充填体的粘聚力提升至300 kPa为了保证在2#采场低标号充填（粘聚力70 kPa）作用下开挖3#采场后仍能保持1#采场充填体后壁暴露的稳定性，将1#采场充填体粘聚力由200 kPa提升至300 kPa（相对应的单轴抗压强度为0.857MPa左右）进行数值模拟分析。采用同样的采充顺序，获得了提高强度后1#采场充填体后壁暴露后的塑性区分布情况。从图6可知，3#采场回采时1#采场充填体内无大型塑性区形成，并且在围岩变形和2#采场充填体作用下保持稳定。但是从充填成本的角度考虑，从200 kPa提升至300 kPa的粘聚力需要增加水泥用量，进而增加了充填成本，为获得相对最优的

20、强度参数，需在200300 kPa之间找出相对最优的1#采场充填体粘聚力和单轴抗压强度。3#1#2# （a）X=157.5m （b）Y=420m图6 后壁揭露1#采场充填体塑性区（c=300kPa）Fig.6 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=300kPa）（5）1#采场充填体的粘聚力提升至270 kPa当1#采场充填体的粘聚力为270kPa时（单轴抗压强度为0.771MPa），采用同样的采充顺序，获得了1#采场充填体后壁暴露后的塑性区分布情况。从图7可知，1#采场充填体在3#采场回采后整体

21、保持稳定状态，靠近采场充填体底部的极小部分区域的塑性区开始逐渐开始显现，从而表明此强度条件下，1#采场充填体仍处于稳定状态。因此1#采场的胶结充填体粘聚力最优值为270kPa，换算成单轴抗压强度为0.771 MPa左右，才能保证单侧暴露充填体的临界稳定状态。3#1#2# （a）X=157.5m （b）Y=420m图7 后壁揭露1#采场充填体塑性区（c=270kPa）Fig.7 Plastic zone of back wall exposed of cemented backfill in 1# stope（c=270kPa）4 窄长采场充填体强度结构设计按照两步骤采场回采时序，对一步骤采场胶

22、结充填体所需强度进行了理论计算和数值模拟分析。通过对数值解和理论解（FS=1.0和2.5）对比可知，充填体所需强度数值解分别为0.771MPa和1.93MPa，低于理论解0.94MPa和2.13MPa，因此选取理论计算结果2.13MPa（保守值）作为窄长采场胶结充填体的强度要求。根据矿山采矿设计需要，一步骤胶结充填体内后期需要施工巷道工程，因此一步骤胶结充填体结构分底部和中上部两部分，埑沟出矿底部为9m，中上部高度为41m，其中底部强度为3.0MPa，中上部强度根据理论计算为1.7 MPa，充填体强度结构分布图如图8所示。 图8 充填体强度结构分布图Fig.8 Distribution dia

23、gram of strength structure of backfill5 结论1）通过对金厂河多金属矿空场嗣后充填法中窄长采场充填体强度要求的理论计算和采充时序的数值模拟研究，确定了50m阶段高度窄长采场充填体所需强度为2.13MPa。 2）窄长采场一步骤胶结充填体结构分底部和中上部两部分，埑沟出矿底部为9m，中上部高度为41m，其中底部强度为3.0MPa，中上部强度为1.7 MPa。参考文献1 孙忠铭，刘庆林，余斌. 地下金属矿山大直径深孔采矿技术M. 北京：冶金工业出版社，2014 LIU Zhongming, LIU Qinglin, YU Bin. Long holemining

24、 techniques in underground metal minesM. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2014.2 刘光生，杨小聪，郭利杰. 基于采充时序的空场嗣后充填体强度要求优化研究J. 有色金属工程，2019，9(10)：85-94.LIU Guangsheng, YANG Xiaocong, GUO Lijie. Optimization research on backfill strength requirement of open stoping with subsequent backfill mining based

25、on excavating and filling sequences J. Nonferrous Metals Engineering, 2019, 9(10): 85-94.3 杨小聪，郭立杰. 尾矿和废石综合利用技术M. 北京：化学工业出版社，2018 YANG Xiaocong, GUO Lijie. Comprehensive utilization technology of tailings and waste rockM. Beijing: Chemical Industry Press, 2018.4 魏晓明. 高阶段全尾砂胶结充填体强度特性及充填体配比设计研究D. 北京：北

26、京科技大学，2018. WEI Xiaoming. Study on strength characteristics and ratio design of high stage whole tailing cemented backfillD. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2018. 5 吴爱祥，沈慧明，姜立春，等窄长型充填体的拱架效应及其对目标强度的影响J中国有色金属学报，2016，26(03)：648-654.WU Aixiang, SHEN Huiming, JIANG Lichun, et al. Arc