鄭桂春，王學(xué)梁，張 龍，胡建華，鄭明華，趙 磊

(1.湖北三寧礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌 443100； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 430081)

1 前言

礦山充填開采已經(jīng)成為地下資源開發(fā)利用的重要途徑，合理確定充填體的強(qiáng)度參數(shù)事關(guān)安全和經(jīng)濟(jì)效益的平衡，是采礦參數(shù)中重要的指標(biāo)之一[1]。利用數(shù)值分析的方法可以對不同條件下的充填體強(qiáng)度進(jìn)行分析，獲取合理的嗣后充填強(qiáng)度控制指標(biāo)[2～5]。利用超前分析合理確定充填體的力學(xué)強(qiáng)度控制指標(biāo)，已經(jīng)成為礦山嗣后充填的關(guān)鍵途徑。以湖北三寧礦業(yè)挑水河磷礦為對象，在不同配比的充填體力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用數(shù)值反演分析確定充填體的強(qiáng)度控制指標(biāo)，是保障礦山安全高效開發(fā)利用的重要依據(jù)之一。

2 工程概況

挑水河磷礦位于宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)，礦區(qū)面積約23.42km2，礦區(qū)以F4斷層分為東部礦區(qū)和西部礦區(qū)。目前挑水河磷礦保有貯量約為2億t，礦區(qū)礦體為緩傾斜薄到中厚礦體，平均厚度4m。礦區(qū)工業(yè)磷礦層均埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，其埋深81.67～614.75m，平均254.27m，采用地下開采。礦山采用盤區(qū)全厚度條帶式開采，隔一采一回采順序，廢石與尾砂膠結(jié)復(fù)合充填方法。

《挑水河磷礦膠結(jié)充填材料性能與配比優(yōu)化研究報(bào)告》中測定物理力學(xué)參數(shù)的有4種不同配比的充填體：ADII- 32.5、ADIII- 42.5、ADP- 32.5和ADP- 42.5，其養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，養(yǎng)護(hù)齡期均為28d，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 四種不同配比的充填體力學(xué)參數(shù)

3 模型構(gòu)建與分析

在礦山地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了全區(qū)域的礦體三維模型，以首采礦段的采場為研究對象，建立三維力學(xué)模型。在DIMINE軟件中截取符合設(shè)計(jì)開采方法的礦體，要求礦體平均厚度4m，適合礦山設(shè)計(jì)的全厚度開采方案。建立條帶寬度7m的三維網(wǎng)格模型，如圖1所示，帶入上面4種充填體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算步驟為隔一采一，按照采—充—采的工藝進(jìn)行模擬。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

運(yùn)用DIMINE- MIDAS/GTS- FLAC3D耦合技術(shù)對以上方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算獲得了采充過程的最大和最小主應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)分布圖，見圖2、圖3。

圖2 充填體塑性區(qū)狀態(tài)云圖

圖3 充填體拉應(yīng)力狀態(tài)云圖

對上述試驗(yàn)的4種充填配比材料，分析其產(chǎn)生的塑性區(qū)體積、最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)計(jì)算后的結(jié)果如表2所示。

通過對比以上4種充填體計(jì)算后的剪切破壞塑性區(qū)、最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力可知，ADIII- 42.5這種強(qiáng)度的充填體力學(xué)性質(zhì)最好，二步回采后的采場穩(wěn)定性最高。為節(jié)省充填成本，將對這種充填體進(jìn)行優(yōu)化反演，計(jì)算出采場穩(wěn)定的邊界強(qiáng)度。

表2 四種充填體計(jì)算后的應(yīng)力及塑性區(qū)

4 正交實(shí)驗(yàn)反演分析

以彈性模量、內(nèi)摩察角、內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比。繼續(xù)運(yùn)用有限元分析的手段進(jìn)行試驗(yàn)，比較各種強(qiáng)度充填體的剪切破壞塑性區(qū)、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，結(jié)果見表3。

利用極差分析方法對以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出充填體力學(xué)參數(shù)最優(yōu)值，由于井下環(huán)境變化的復(fù)雜性，充填體強(qiáng)度也要適應(yīng)不同的應(yīng)力環(huán)境，根據(jù)相應(yīng)的地應(yīng)力值，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的充填體應(yīng)力范圍，見表4。

5 結(jié)論

(1)以三寧礦業(yè)挑水河磷礦條帶寬度7m為基礎(chǔ)，在礦山實(shí)驗(yàn)配制的4種充填體材料基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值分析的方法分析了4種充填體二步回采之后的采場穩(wěn)定性，提出了嗣后充填開采穩(wěn)定性最好的充填配比參數(shù)為ADIII- 42.5。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 充填體力學(xué)參數(shù)最優(yōu)值及合理范圍

(2)基于AD III- 42.5配比，設(shè)計(jì)了充填體強(qiáng)度參數(shù)反演的正交實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算獲得了二步回采后采場穩(wěn)定的充填體邊界強(qiáng)度，提出了該礦地應(yīng)力環(huán)境下充填體的合理強(qiáng)度參數(shù)范圍，可用于指導(dǎo)挑水河磷礦生產(chǎn)。