厚大礦體充填法開采的全尾砂膠結充填體強度設計

盛 佳,汪 洋,孟艷平,周益龍,李向東

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012;2.山東黃金集團盛大礦業有限公司,山東萊州市 261439;3.崇禮紫金礦業有限責任公司, 河北崇禮縣 076350)

厚大礦體充填法開采的全尾砂膠結充填體強度設計

盛 佳1,汪 洋2,孟艷平3,周益龍1,李向東1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012;2.山東黃金集團盛大礦業有限公司,山東萊州市 261439;3.崇禮紫金礦業有限責任公司, 河北崇禮縣 076350)

針對崇禮紫金礦業東坪礦區70號脈厚大礦段采用的兩步驟分段空場回采嗣后充填采礦法,通過經驗類比和理論分析,設計了一步驟全尾砂膠結充填體強度。為驗證所設計的充填強度是否合理,進行了采場充填體強度檢驗。

膠結充填;強度設計;鉆孔取樣;強度檢驗

崇禮紫金礦業東坪金礦礦體賦存在蝕變的二長巖、石英巖中,含金石英脈側為硅鉀化蝕變巖型礦石。礦體為緩傾斜至傾斜厚大礦體,主要礦脈有1, 2,22,27,70號礦脈。對70號礦脈1224～1304水平11～27線之間的厚大礦段,采用兩步驟分段空場回采嗣后充填采礦法開采,沿礦體走向100 m劃分為一個盤區,一步驟采場10 m,全尾砂膠結充填;二步驟采場20 m,分段中深孔回采嗣后非膠結充填。二步驟回采時,兩側均為膠結充填體,每側充填體側向暴露面積達3000～4000 m2。

1 膠結充填體強度設計

膠結充填體的強度設計因礦山而異,一方面取決于礦山開采技術條件、充填技術水平以及充填材料的強度特性等技術因素,另一方面取決于礦山開采成本與效益等經濟因素。崇禮紫金礦業東坪礦區礦床開采過程中,其一步驟采場回采后充填形成的膠結充填體強度大小及穩定性對二步驟回采及頂底柱的回收至關重要,設計合理的充填體強度需要從技術、經濟等方面考慮。確定膠結充填體所需強度的方法很多,本文通過國內外經驗類比和理論分析進行其強度設計。

1.1 類比法

通過對國內外類似開采技術條件的部分礦山采場充填體強度調研,類比分析崇禮紫金東坪礦區厚大礦體一步驟采場回采充填后形成的膠結充填體設計強度達2 MPa以上,即充填灰砂比為1∶6～1∶8,能夠滿足礦山采礦方法的要求。

1.2 理論分析計算

根據充填體現場調查和強度試驗結果,主要分析測試配比為1∶8的充填體穩定性。東坪金礦厚大礦體平均真厚度為40 m,水平厚度平均為54 m,二步驟回采采場揭露的充填體暴露的最大鉛垂高度為54 m,灰砂比為1∶8的充填體強度參數c為0.15 MPa,φ為40°,v為0.25,充填體容重γ為2.2 t/m3,充填體與圍巖間的內聚力與摩擦角計算時與充填體的值相同,充填體沿走向長度即礦房寬度b為10 m。

本文采用經驗公式、Terzaghi模型法和盧平計算等方法分析不同結構參數條件下充填體的受力狀況。

1.2.1 蔡嗣經經驗公式方法

蔡嗣經教授對國內外礦山實際的充填資料進行分析,回歸出經驗公式,得出膠結充填體的強度與充填體的高度的關系曲線是半立方拋物線,見圖1。

圖1 膠結充填體強度設計的經驗曲線

式中:y——膠結充填體礦柱之高度,m;

a——系數,取600;

x——膠結充填體之強度,MPa。

東坪礦區緩傾厚大礦體,礦體水平厚度60～100 m左右,鉛垂高度60 m以上,采用膠結充填法二步驟回采時暴露的充填體鉛垂高度在60 m以上,考慮安全系數,設計充填體強度要達2 MPa。

1.2.2 Terzaghi模型方法

根據假定,在距充填體頂部為H處,垂直應力分量σV與水平應力分量σH均為常量,其模型為:

式中:σV——充填體所受的垂直應力分量,MPa;

γ——充填體容重,g/cm3;

C——充填材料的內聚力,MPa;

L,B——充填體長度和寬度,m;

H——距充填體頂部的距離,m;

φ——充填材料的內摩擦角,°;

k——充填體側壓系數。

充填體不同暴露寬度和高度條件下的應力計算結果見表1。不同暴露寬度下充填體內應力變化曲線如圖2所示。

表1 充填體不同暴露寬度和高度條件下的應力計算結果

根據采礦方法回采工藝和回采參數,表2中第4列第5行至第8列第11行的部分數值為礦山回采時需要的充填體強度值(0.425～0.658 MPa),為了保證二步驟采場回采時充填體的穩定,考慮安全系數,Terzaghi模型方法充填體強度設計值為0.85～1.136 MPa。

圖2 不同暴露寬度情況下充填體內應力隨高度變化曲線

1.2.3 盧平計算方法

由于Thomas算式模型中只考慮了充填體的幾何尺寸和充填體的容重,而對于充填材料的強度特性沒有加以考慮。盧平在Thomas算式的基礎上,提出了修正模型。

式中:k——側壓力系數;

C1——充填體與圍巖間的內聚力,MPa;

φ1——充填體與圍巖間的摩擦角,°;

C——充填體的內聚力,MPa;

φ——充填體的內摩擦角,°。

根據上式計算得充填體不同暴露寬度和高度條件下的應力計算結果見表2。不同暴露高度下充填體內應力變化曲線如圖3所示。

表2 充填體不同暴露寬度和高度條件下的應力計算結果

根據回采工藝及參數,并參照表2,礦山回采時需要的充填體強度值范圍為0.388～0.564 MPa,考慮安全系數,盧平計算方法得出的充填體強度設計值為0.776～1.128 MPa。

圖3 不同暴露寬度條件下充填體內應力隨高度變化曲線

綜合上述計算,充填體的強度設計值為0.776～1.136 MPa,從安全角度考慮,按類比法取其設計強度為2.0 MPa是合理的。

2 現場充填工藝試驗

2.1 主要充填工藝試驗

崇禮紫金礦業東坪礦區全尾砂膠結充填系統于2010年6月建成并調試進行生產。現場充填工藝試驗采場安排在1224中段15線附近,分段空場回采一步驟采場出礦完畢后,進行一步驟15N17、15S13兩個采場全尾砂膠結充填,首先用擋墻封密一步驟采場受礦塹溝和各裝礦進路出口及分段出礦巷的出口,并安裝采場脫水管到上一中段。為了兼顧充填成本和回采二步驟采場時充填體的穩固性,兩采場底部結構采用1∶4的灰砂比進行膠結充填,從底部結構往上至1264水平采用1∶6的灰砂比膠結充填,采場中上部采用1∶8的灰砂比進行充填,充填到1264水平以上10 m高,其上部空間至1304水平采用1∶10的灰砂比進行充填。15N17、15S13兩采空區于2010年底全部充填。

2.2 充填體鉆孔取樣強度檢測

為了驗證不同的灰砂比條件下充填體強度,全尾砂膠結充填后1個月進行采場充填體抗壓強度試驗,檢驗其強度是否達到設計標準和滿足采礦方法的要求。在1224中段15N17采場的底部結構及第一、二、三分段出礦進路中進行1∶4及1∶6灰砂比的充填體取樣。在1264中段穿脈巷道中進行1∶8灰砂比的充填體取樣。充填體取樣采用的鉆頭直徑為90 mm,鉆桿長度為900 mm,取得的樣芯經過加工進行抗壓強度試驗,試驗取樣樣芯單軸抗壓強度見表3。

3 結 論

(1)東坪金礦兩步驟分段空場嗣后充填采礦法采場,一、二步驟采場底部采用1∶4的灰砂比,充填高度為12 m(從中段巷道底板標高算起);一步驟采場中下部采用1∶6的灰砂比,充填高度為28 m;采場中上部采用1∶8的灰砂比,充填高度為10 m。設計充填體28 d強度達2 MPa,充填體強度能夠滿足采礦方法的要求。

表3 充填體取樣樣芯強度參數

(2)Terzaghi模型方法計算充填體高度為35～70 m、暴露寬度為40～60 m時,充填體底部應力為0.428～0.658 MPa;盧平修正Thomas公式計算充填體高度為35～70 m、暴露寬度為40～60 m時,充填體底部應力為0.338～0.564 MPa。理論方法計算表明,回采時充填體受力沒有超過充填體設計強度,充填體在回采過程中基本處于穩定狀態。

(3)通過現場充填體鉆孔取樣強度檢測可知,一步驟膠結充填體能達到強度設計要求,能滿足采礦生產工藝要求。

[1]朱志彬,劉成平.充填體強度計算及穩定性分析[J].采礦技術,2008,8(3):16-17.

[2]張世超,姚中亮.安慶銅礦特大型采場充填體穩定性分析[J].礦業研究與開發,2001,21(4):12-15.

[3]楊耀亮,鄧代強,惠 林,等.深部高大采場全尾砂膠結充填理論分析[J].礦業研究與開發,2007,27(4):3-4.

[4]方志甫,唐紹輝.安慶銅礦深部特大型采場充填體穩定性研究[J].礦業研究與開發,2007,27(3):1-2,27.

2012-06-07)

盛 佳(1982-),男,湖南長沙人,碩士,工程師,主要從事采礦技術研究工作。