吳大瑋（哈密和鑫礦業(yè)有限公司　哈密 839000）

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圖拉爾根銅鎳礦充填體合理強(qiáng)度確定

吳大瑋
（哈密和鑫礦業(yè)有限公司哈密 839000）

摘要以圖拉爾根銅鎳礦試驗(yàn)采場為研究對象，對1 200 m中段的337、339、341采場開展數(shù)值模擬，主要研究在隔一采一的回采順序下，不同強(qiáng)度的充填體在各步驟回采過程中的受力及破壞情況是否滿足采礦要求。采用的3個(gè)充填體強(qiáng)度方案，均基于類比法和理論計(jì)算法的基礎(chǔ)上確定，經(jīng)過FLAC 3D軟件所得結(jié)論分析最終確定方案3為最佳方案，即距離采場頂?shù)装甯?0 m內(nèi)充填體強(qiáng)度1.5 MPa，而中部為1.0 MPa，該方案具備充填體穩(wěn)定，破壞最小，且經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞地下開采充填體合理強(qiáng)度數(shù)值模擬隔一采一

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.01.005

1　前言

哈密和鑫礦業(yè)有限公司哈密市圖拉爾根銅鎳礦是新疆有色公司與西部稀貴礦業(yè)公司合資的股份制企業(yè)。礦山生產(chǎn)規(guī)模為2 000 t/d，于2007年開工建設(shè)，2010年建成投產(chǎn)。針對圖拉爾根銅鎳礦開采技術(shù)條件，確定采用大直徑深孔階段空場嗣后崩落法進(jìn)行回采。確定滿足采礦要求且經(jīng)濟(jì)上最合理的充填體強(qiáng)度，對于保證礦山安全生產(chǎn)，充分發(fā)揮充填采礦法優(yōu)勢，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。由于礦山開采技術(shù)條件各不相同、所用的充填材料、充填工藝各不相同，因此目前尚未有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外大采場充填體合理強(qiáng)度研究主要采用工程類比法、理論分析法、數(shù)值模擬法等，并對各種研究方法所得結(jié)論進(jìn)行綜合分析最終確定技術(shù)上能滿足要求，經(jīng)濟(jì)上合理的充填體強(qiáng)度。

2　三維有限元數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬方案

本次數(shù)值模擬針對1 200中段的337、339、341采場開展數(shù)值模擬，由于該3個(gè)采場位于全礦礦體最厚大處，采場長度較大，充填體暴露面積較大，對充填的要求較高，因此選擇該3采場作為模擬對象具有較好代表性。為便于數(shù)值模擬將采場長度統(tǒng)一取70 m，采場高度為50 m，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為一礦塊25 m分一二步驟回采，一步驟為10 m，采用深孔回采；二步驟為15 m，采用中深孔回采。

數(shù)值模擬主要研究目的是模擬隔一采一的回采順序下，不同強(qiáng)度的充填體在各步驟回采過程中的受力及破壞情況是否滿足采礦要求。本數(shù)值模擬所采用的充填體強(qiáng)度方案，在前兩章工程類比法和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上確定。采用三個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，見表1。

表1　一步驟充填的三種方案

2.2數(shù)值模擬方法及步驟

采用三維快速拉格朗日法（FLAC 3D）進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

模型參數(shù)：采場長度取70 m，采場高度為50 m，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為一礦塊25 m分一二步驟回采，一步驟為10 m，采用深孔回采；二步驟為15 m，采用中深孔回采。三維數(shù)值模擬分為4個(gè)步驟，其順序?yàn)椋?/p>

一步驟礦房回采→一步驟礦房充填→二步驟礦柱回采→二步驟礦柱充填。

三維模擬開采時(shí)計(jì)算模型見圖1。

圖1　三維數(shù)值模擬計(jì)算模型

本文三維數(shù)值模擬的本構(gòu)模型選擇為Mohr～Coulomb本構(gòu)模型，該模型的破壞包絡(luò)線由Mohr～Coulomb準(zhǔn)則確定。模型尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)如下：X方向270，Y方向180，Z方向?yàn)?70。

根據(jù)本礦實(shí)際情況，該試驗(yàn)中段高為50 m，底板標(biāo)高為1 200 m，地表標(biāo)高為1 370 m，將充填體在垂直方向分為5個(gè)階段，每個(gè)階段設(shè)計(jì)為不同的強(qiáng)度，二步驟充填方案參照一步驟方案而定，下部10 m高度充填體灰砂比大致相同，10 m高度以上為灰砂比略為偏小。

2.3巖體力學(xué)參數(shù)及其破壞準(zhǔn)則的選取

參與計(jì)算的巖體有橄欖巖、富礦和頂柱上的廢石，其中圍巖全部取為橄欖巖。其強(qiáng)度是對圖拉爾根礦巖石力學(xué)參數(shù)折減而得，參考N Mohammand在大量試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上得出的巖石與巖體力學(xué)參數(shù)擬合關(guān)系。參與計(jì)算的巖體力學(xué)參數(shù)（表2），以及充填體的力學(xué)參數(shù)根據(jù)前面已獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定（表3）。

表2　巖體力學(xué)參數(shù)表

表3　充填體的力學(xué)參數(shù)表

模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。底部所有節(jié)點(diǎn)取X、Y、Z三個(gè)方向上的約束；對Y方向上取Y方向的約束，X、Z方向自由；對X方向取X方向約束，Y、Z方向自由。即模型的左右邊界、前后邊界和底部邊界均施加位移約束條件，上邊界（Z方向）為自由邊界。上部取該處相對應(yīng)的地應(yīng)力。

3　計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù)模擬的結(jié)果可以看出，在第一步驟模擬過程中，礦柱最大主應(yīng)力為9.49 MPa，礦柱拉應(yīng)力0.3 MPa，頂板拉應(yīng)力0.607 MPa，底板拉應(yīng)力0.6 MPa，而且在這一過程中未出現(xiàn)塑性區(qū)，參照新疆該銅鎳礦礦巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果，從力學(xué)角度上來看，第一步驟回采是安全的。

3種方案在一步驟充填和二步驟回采過程中，充填體在垂直高度上的受力情況（正拉負(fù)壓）見表4、表5、表6。

表4　方案1充填體在垂直高度上的受力情況　105Pa

表5　方案2充填體在垂直高度上的受力情況　105Pa

表6　方案3充填體在垂直高度上的受力情況表

充填體在最大拉應(yīng)力上，方案2充填體1、3、5所受拉應(yīng)力最大，分別為2.23×105Pa、2.20×105Pa、1.98×105Pa，明顯比其他兩個(gè)方案要大。再對方案2進(jìn)一步分析，從表2～表5可知，方案2在標(biāo)高1 230 m 和1 240 m處的受力為-1.0×106Pa和2.23×105Pa，而在此兩個(gè)標(biāo)高的充填體強(qiáng)度為0.5 MPa和1 MPa，對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為1.0×105Pa和1.9×105Pa，所以對于方案2在這兩個(gè)標(biāo)高處充填體會(huì)發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

在這4個(gè)步驟中最容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞是二步驟回采這一過程，參照實(shí)驗(yàn)室獲得的不同灰砂配比下充填體的單軸抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，再根據(jù)表2～表4，可以看出方案1在標(biāo)高1 230 m處充填體受力為1.8×105Pa，而此處灰砂配比為1/8的充填體試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度僅為1.6×105Pa，故充填體在1 230 m處易發(fā)生拉應(yīng)力破壞，導(dǎo)致充填體失穩(wěn)。

根據(jù)表6，充填體在垂直高度上的5個(gè)階段的強(qiáng)度均達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室抗拉和抗壓試驗(yàn)結(jié)果，故方案3是較為合理的。

4　結(jié)論

（1）圖拉爾根銅鎳礦采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，兩步驟回采礦塊，頂?shù)字换厥眨虼顺涮铙w合理強(qiáng)度研究的重點(diǎn)在一步驟充填體，而二步驟充填體對后續(xù)采礦影響較小，僅需確保充填體凝固不成流態(tài)化即可確保安全，故不作為研究重點(diǎn)。因而本文借鑒類似條件礦山經(jīng)驗(yàn)，建議采用灰砂比1∶15作為二步驟充填參數(shù)，其相應(yīng)強(qiáng)度在0.2～0.5 MPa。

（2）收集類似條件礦山一步驟充填體情況，類比各礦山初步確定的充填體局部強(qiáng)度最大值≤1.5 MPa，而最小局部強(qiáng)度在0.3～1.0 MPa。強(qiáng)度分布規(guī)律為充填體頂?shù)撞繌?qiáng)度偏高，而中部偏低。

（3）經(jīng)理論分析計(jì)算，所得合理強(qiáng)度結(jié)論與工程經(jīng)驗(yàn)基本相符合，最大強(qiáng)度值在0.75～1.5 MPa，最小強(qiáng)度值在0.26～0.9 MPa。

（4）基于類比法和理論計(jì)算所得的從體強(qiáng)度和分布規(guī)律，確定了數(shù)值模擬的方案，通過模擬采場的采礦充填過程充填體的受力和位移情況。確定了滿足回采技術(shù)要求，且經(jīng)濟(jì)合理的方案，即一步驟充填要求距離采場頂?shù)装甯?0 m高差內(nèi)的充填體強(qiáng)度需達(dá)到1.5 MPa，而中部30 m高度的充填體強(qiáng)度需達(dá)到1.0 MPa。

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收稿：2015-12-10