院 雷 王 維 李敏智

(湖北三鑫金銅股份有限公司)

雞冠嘴金礦充填體強度數(shù)值分析

院 雷 王 維 李敏智

(湖北三鑫金銅股份有限公司)

雞冠嘴金礦采場、空區(qū)均需膠結(jié)充填，充填體強度能夠滿足回采安全需要。但對充填體與圍巖的相互作用機理認(rèn)識較少，而充填體與圍巖之間的相互作用機理與優(yōu)化采礦工藝和降低充填采礦成本密切相關(guān)。采用數(shù)值計算方法，分析了采場與充填體相互影響程度，結(jié)合生產(chǎn)實際，得出采場合理充填體強度。

膠結(jié)充填 作用機理 合理強度

雞冠嘴金礦于1988年建礦，后更名為湖北三鑫金銅股份有限公司，是中國黃金集團控股的大型黃金礦山企業(yè)，位于大冶市城西3.5 km處。目前生產(chǎn)規(guī)模3 000 t/d,年采選礦石100萬t，年產(chǎn)金1 300 kg,產(chǎn)銅1.2萬t。礦床成因類型屬于高～中溫?zé)嵋何◣r型礦床，傾角32°～88°，一般70°～80°，為中厚～厚大礦體。礦塊分兩步驟回采，60%以上礦塊采用中深孔分段鑿巖階段落礦嗣后充填采礦法，配合使用上向水平分層充填采礦法和淺孔留礦嗣后充填采礦法。

礦區(qū)范圍內(nèi)地表為圍墾區(qū)，排灌溝渠縱橫交錯，地表不允許陷落，所有采空區(qū)均進(jìn)行膠結(jié)充填。所用充填膠固材料為工業(yè)廢渣生產(chǎn)的新材料，具有“凝固快、強度高、成本低”的優(yōu)點，充填體強度能夠滿足回采安全需要[1]。但對充填體與圍巖的相互作用機理認(rèn)識較少，而膠結(jié)充填體—礦體—巖體之間的相互作用機理是優(yōu)化采礦工藝和降低充填采礦成本的重要基礎(chǔ)。為此，本文采用目前采礦行業(yè)應(yīng)用廣泛的FLAC3D軟件，根據(jù)礦區(qū)礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果，建立數(shù)值模擬分析模型[2]，計算分析一、二步驟開采采場、充填體相互影響程度，并得出一、二步驟回采合理充填體強度。

1 計算模型及力學(xué)參數(shù)

以計算分析開采時充填體與礦柱相互作用機理及一、二步驟開采充填體強度為目標(biāo)，選取某礦柱與兩翼采場為研究區(qū)域，重點研究二步驟礦柱回采時兩翼充填體受力變形情況，以及二步驟開采形成的空區(qū)圍巖受力變形情況。整體模型見圖1，單個采場內(nèi)選取階段礦房法和上向水平分層進(jìn)行回采模擬，采場細(xì)部情況見圖2。巖石及充填體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 計算結(jié)果分析

2.1 二步驟回采對一步驟采場充填體強度要求

設(shè)置監(jiān)測點1為一步驟充填體與二步驟采場接觸區(qū)域，監(jiān)測點2為一步驟充填體中心，通過監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比，分析不同采礦方法對充填體的影響。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

圖1 充填體強度計算力學(xué)模型

圖2 采礦與充填方法力學(xué)模型

表1 巖石及充填體物理力學(xué)參數(shù)[3]

表2 監(jiān)測點位移、應(yīng)力對比

從表2可以看出，二步驟采用上向分層充填法回采對兩翼充填體強度要求最小，階段礦房嗣后充填回采圍巖兩翼充填體強度要求最大，兩種采礦方法充填體水平位移均大于充填體垂直位移，兩采場充填體接觸區(qū)域壓應(yīng)力最小，此區(qū)域內(nèi)充填體主要受拉應(yīng)力變形破壞，最大拉應(yīng)力不超過0.4 MPa。

充填體底部中心位置受壓應(yīng)力最大，階段礦房嗣后充填最大應(yīng)力達(dá)到3.5 MPa，上向分層充填法最大應(yīng)力為3.0 MPa。

因此，對于二步驟回采采用上向分層充填法，其一步驟兩翼充填體需保證底部5 m充填體強度達(dá)到2～3 MPa，上部充填體僅需要保證其充填體自立和完整，其強度參數(shù)達(dá)到1.5 MPa。對于二步驟回采采用階段礦房嗣后充填法，其一步驟兩翼充填體需保證底部10 m充填體強度達(dá)到3～3.5 MPa，上部充填體僅需要保證其充填體自立和完整，其強度參數(shù)達(dá)到1.5 MPa。

兩種采礦方法的充填體垂直位移云圖見圖3，水平方向位移見圖4，整體位移云圖見圖5，充填體最大主應(yīng)力云圖見圖6。

圖3 充填體垂直方向位移云圖

圖4 充填體水平方向位移云圖

圖5 充填體整體位移云圖

圖6 充填體最大主應(yīng)力云圖

2.2 二步驟采場充填體強度要求

通過以上計算分析，二步驟采用階段礦房嗣后充填采礦法回采時對一步驟采場充填體強度要求最高。為此，模擬一步驟采場采用1∶8充填體計算，分析二步驟待采礦柱位移應(yīng)力變化情況，為二步驟礦柱回采及底柱回采所要求的充填體強度提供依據(jù)。從圖7(a)可以看出，礦柱兩翼充填體頂板位移最大，位移值達(dá)0.5 m，底板位移達(dá)0.2 m，礦柱上部30 m范圍巖體受一步驟開采擾動，巖體位移較大，達(dá)0.1～0.3 m，礦柱下部20 m范圍巖體基本無垂直位移，受開采擾動很?。粡膱D7(b)可以看出，礦柱中間部分巖體水平位移最大，達(dá)0.3～0.5 m，兩翼充填體自身水平方向位移很小，其變形主要受礦柱變形的影響，因此，兩翼充填體基本可以自立，其自立高度達(dá)40 m以上；從圖7(c)、圖7(d)可以看出，礦柱底部受壓應(yīng)力最大，其最大值達(dá)4 MPa，因此，做混凝土假底或高強度(高配比)充填體，假底其強度設(shè)計應(yīng)達(dá)到4 MPa以上[3]，大多區(qū)域充填體受壓應(yīng)力小于1.5～2 MPa；從圖7(e)、圖7(f)可以看出，礦柱受壓變形引起礦柱局部拉剪破壞，是影響二步驟回采的主要因素。

3 結(jié) 論

通過以上回采過程的數(shù)值模擬，對一、二步驟充填體受力變形及與圍巖相互作用機理有了基本的掌握，結(jié)合雞冠嘴金礦生產(chǎn)實際中各種配比充填體使用效果，得出以下結(jié)論：

(1)二步驟回采對兩翼充填體強度參數(shù)要求：采用上向分層充填法，一步驟兩翼充填體需保證底部5 m充填體強度達(dá)到2～3 MPa，上部充填體僅需要保證其充填體自立和完整，其強度參數(shù)達(dá)到1.5 MPa即可；采用階段礦房嗣后充填法，一步驟兩翼充填體需保證底部10 m充填體強度達(dá)到3～3.5 MPa，上部充填體僅需要保證其充填體自立和完整，其強度參數(shù)需達(dá)到1.5 MPa。

(2)二步驟采場高強度充填體假底其強度設(shè)計應(yīng)達(dá)到4 MPa以上，才能保證底柱回采安全。其他區(qū)域充填體受壓應(yīng)力小于1.5～2 MPa。

(3)在采場充填過程中可以使用不同的灰砂比，按回采步驟、分高度按不同的灰砂比充填，達(dá)到既滿足充填強度要求，同時可以大幅降低充填成本。

[1] 孫連忠，梁中揚，劉成平.新型尾砂膠結(jié)材料及其在礦山充填中的應(yīng)用[R].大冶：湖北三鑫金銅股份有限公司，2006.

[2] 馬長年.金川二礦區(qū)下向分層采礦充填體力學(xué)行為及其作用的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011.

[3] 李向東,劉成平.礦區(qū)典型礦巖及充填體物理力學(xué)特性試驗研究[R].長沙：長沙礦山研究院，2012.

Numerical Analysis of the Strength of the Filling Body of Jiguanzui Gold Mine

Yuan Lei Wang Wei Li Minzhi

(Sanxin Gold & Copper Co., Ltd.)

The goafs of Jiguanzui gold mine are need to conduct cemented filling, the strength of filling body can meet the needs of mining safety. However, there is little understanding of the interaction mechanism of filling body and surrounding rock, in fact, the interaction mechanism of filling body and surrounding rock is closely related to optimization of mining technology and reduce the cost of filling mining. The numerical calculation method is adopted to analyze the interaction influence degree of stope and filling body, combing with the actual situations of stope, the strength of filling body is obtained.

Cemented filling, Action mechanism, Reasonable strength

2015-04-22)

院 雷(1982—)，男，工程師，435100 湖北省大冶市。