中關鐵礦嗣后充填體強度優化及地表沉降研究

劉 鑫，李富平，裴 博， 韓耀東，馬 寧

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司，河北 沙河 054100）

由于中關鐵礦為大水礦山，礦體形態復雜，圍巖穩定性差。為保證帷幕帶的穩定，設計采用嗣后充填采礦法來控制巖體變形。系統地研究充填材料之間的合理配比，確定合理的充填體強度，使地表沉降得到有效控制。

1 開采參數設定及回采順序優化

為確定合理的采場結構參數，建立了2個模型。模型l：礦房跨度25m，間柱寬8m。模型2：礦房跨度35m，間柱寬10m。通過模擬得到礦體關鍵部位的應力、位移值見表1。

表1 開采結束后的采場應力，位移結果

根據分析可知，模型1的穩定性好，因此建議采用模型1的結構參數。

根據礦體實際情況，此次模擬了兩種回采方案：①采用從北向南的前進式回采，每次開采兩個礦塊；②從礦體兩側向中間回采，每次同樣開采兩個礦塊。

兩種不同的回采順序都采用四個步驟的開采方式進行模擬，每一步開采后得到的數值進行模擬計算后可以得到對應的主應力分布圖。通過模擬分析開采過程中最小、最大主應力分布情況，可得出方案1和方案2都會出現應力集中現象，但方案2的應力重分布使得下盤巖體起到支撐作用且相比較方案1其最低主應力在上下盤都有緩和。最終可得出方案2更利于采場穩定。

2 充填體配比研究

根據3因素3水平正交組合試驗設計（A為料漿質量濃度、B為灰砂比、C為摻灰量），實驗得泌水率、7d和28d抗壓強度試驗結果見表2。

表2 試驗結果

由上表試驗結果可知，試驗方案所有分組的充填料漿的泌水率范圍均在2.77%～16.63%。其中第1、2和3組的泌水率均大于15.52%。影響泌水率大小的順序為：C＜B＜A，即主要由含水量決定。

3 強度試驗結果分析

3.1 7d強度試驗結果分析

由圖1（充填體7d抗壓強度效應曲線）可知：抗壓強度值隨著灰砂比的減小和粉煤灰摻量的增加而逐漸降低；抗壓強度值隨著料漿質量濃度的增加而逐漸增大。

圖1 7d抗壓強度隨三因素變化曲線

圖2 28d抗壓強度隨三因素變化曲線

3.2 28d強度試驗結果分析

如圖2所示為充填材料在28d實驗條件下，材料所具備的抗壓程度和三點因素之間的變化規律曲線圖，28d抗壓強度的最佳組合為A3B1C1，影響大小順序為A＞C＞B。

3.3 試驗結果討論

通過試驗可優選出最佳配比方案為A3B1C1的全尾砂充填材料，即摻灰量為10%，灰砂比為1：4，料漿質量濃度為74%。

充填體在該配比下的泌水率小，且充填體強度符合實際需求，同時充填成本具有很好的經濟性。

4 結論

通過上述模擬分析得到中關鐵礦最佳采礦結構參數為：礦房間柱8m，跨度25m。通過模型比對，為更好地保持采場的穩定性、改善應力分布狀態，可選擇從礦體兩側向中央回采。由模型分析可知，在實際生產過程中應有重視礦房和上盤巖體的隅角，因為此處區域最不穩定，會有應力集中現象。