王海昶，閔忠鵬，張 雷，董 峰，鄭 旭

(1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.長春黃金研究院有限公司；3.礦冶科技集團有限公司；4.福建省政和縣源鑫礦業(yè)有限公司)

充填采礦法的出現(xiàn)和發(fā)展為地下采礦解決了諸多的技術(shù)難題，其主要優(yōu)點是適用于各種復(fù)雜多變的礦體賦存條件，采礦回采率較高和礦石貧化率較低，能夠有效控制地壓活動、保障回采安全、保護自然生態(tài)環(huán)境[1-3]。由于銅鎳礦產(chǎn)存在礦體較為破碎的特點，一般采用下向進路充填采礦法開采，其主要存在生產(chǎn)效率低、工序管理復(fù)雜等一系列難題；同時，下向進路充填采礦法對充填質(zhì)量要求高[4]，尤其是充填構(gòu)筑人工假頂，人員需在人工假頂下作業(yè)，從而導(dǎo)致水泥單耗大，充填成本高[5]。新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司(下稱“喀拉通克銅鎳礦”)自建礦以來一直采用下向進路充填采礦法進行礦石回采，為了降低采礦及充填成本，根據(jù)現(xiàn)有的工程地質(zhì)條件，開展了下行式小分段充填采礦法的試驗研究工作。其中，根據(jù)不同規(guī)格尺寸的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定最佳充填體強度是決定下行式小分段充填采礦法能否成功應(yīng)用的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,根據(jù)現(xiàn)場實際情況，開展了下行式小分段采場充填體強度需求計算與設(shè)計，并對其結(jié)果進行現(xiàn)場跟蹤與驗證。

1 工程概況

喀拉通克銅鎳礦2號礦床礦體品位高、厚度中等，礦巖穩(wěn)固性中等，礦體位于19勘探線—51勘探線，產(chǎn)狀為月牙狀，走向310°，傾向SW，傾角30°～60°。上部薄，下部厚，平均厚度30～40 m。走向長度100～400 m。礦體賦存標(biāo)高為260～450 m，主要礦體賦存在260～350 m標(biāo)高。礦體類型以浸染型為主，劃分為銅鎳礦混合體、銅礦體和低品位銅礦體。2號 礦床東段礦體Cu平均品位1.08 %，Ni平均品位 0.5 %。南東端(43勘探線—51勘探線)傾角為40°～50°，北西端漸變?yōu)?0°～80°。開采范圍內(nèi)各分區(qū)巖組節(jié)理裂隙發(fā)育程度差異性較大，上盤圍巖完整性好，礦體完整程度為較破碎，圍巖為Ⅱ級巖體，巖體質(zhì)量較好；下盤圍巖完整程度為破碎，圍巖為Ⅳ級巖體，巖體質(zhì)量最差，礦層巖組為Ⅲ級巖體，屬中等質(zhì)量巖體。

為提高回采效率，喀拉通克銅鎳礦2號礦床擬采用下行式小分段采礦法開采，采場寬度設(shè)計為8 m，采場高度為12 m，采場長度為30 m。采場內(nèi)布置鑿巖巷道，端部布置切割橫巷與切割天井，采用平底底部結(jié)構(gòu)出礦，礦石通過2 m3遙控鏟運機裝運，并通過分段溜井下放至中段運輸巷道。采場采用“隔三采一”回采方式，階段內(nèi)回采順序為從上至下，上分段回采完畢后轉(zhuǎn)為下分段。一步驟采空區(qū)采用膠結(jié)充填，二步驟采空區(qū)上部采用非膠結(jié)充填，底部采用膠結(jié)充填。一步驟膠結(jié)充填體穩(wěn)定性直接關(guān)系著二步驟礦柱是否能夠安全回采，因此礦山亟需確定膠結(jié)充填體合理強度，在保證回采安全條件下，盡可能降低充填成本。

2 礦巖-充填體力學(xué)參數(shù)測定

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場對喀拉通克銅鎳礦首采區(qū)的頂、底板圍巖和礦體取巖心，然后開展巖石力學(xué)試驗，獲得了3種礦巖的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

2.2 充填體力學(xué)參數(shù)

考慮礦山實際充填工況，配制了戈壁集料-冶煉渣(戈壁集料與冶煉渣的質(zhì)量比為7∶3)圓柱形充填體試樣，充填料漿濃度為80 %，灰砂比分別為1∶4，1∶6，1∶8和1∶10，測試獲得了充填體在實驗室養(yǎng)護下28 d齡期的容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 充填體力學(xué)參數(shù)

3 充填體強度模擬計算

3.1 強度計算方法選擇

依據(jù)設(shè)計的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)(進路長30 m，寬8 m，高12 m)，以采場充填體結(jié)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)，采用Flac3D軟件構(gòu)建采場充填體與圍巖的三維數(shù)值模型，研究不同強度參數(shù)充填體下向揭露時的穩(wěn)定性，進而確定安全回采最低強度需求的數(shù)值解，實現(xiàn)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與充填體強度參數(shù)的協(xié)調(diào)匹配。

3.2 充填體強度計算參數(shù)選取

1)充填體內(nèi)摩擦角、滑移角、充填體內(nèi)聚力與單軸抗壓強度比值。根據(jù)表2的充填體力學(xué)測試結(jié)果，不同灰砂比的充填體內(nèi)摩擦角平均值約為30°，內(nèi)聚力約為600 kPa。

2)充填體-后壁圍巖接觸面的內(nèi)聚力與充填體內(nèi)聚力的比值為ra，充填體-側(cè)壁圍巖接觸面的內(nèi)聚力與充填體內(nèi)聚力的比值為rs，充填體-側(cè)壁圍巖接觸面的摩擦角為δs。參照國內(nèi)外已有文獻數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗：ra=0.2，rs=0.5，δs=26°。

3)膠結(jié)充填體容重和非膠結(jié)充填體容重。膠結(jié)充填體平均容重為20.4 kN/m3，非膠結(jié)充填體容重為20.9 kN/m3。

3.3 三維采場模型的建立

根據(jù)采礦設(shè)計方案，在盤區(qū)中同一分段高度垂直礦體走向布置了15個采場，采場寬度和高度分別為8 m、12 m，上下相鄰分層進路間豎向交錯布置(即錯開進路寬度的一半)，采場分兩步驟回采，隔一采一，一步驟采場膠結(jié)充填(6 m高配比充填+6 m低配比充填)，二步驟采場底部6 m采用高配比充填，頂部6 m 采用非膠結(jié)充填。據(jù)此，以盤區(qū)中2個分層進路為主要研究對象，具體構(gòu)建的數(shù)值模型范圍見圖1。

圖1 基于Flac3D軟件構(gòu)建的礦巖三維數(shù)值模型

沿著礦體走向方向(即沿著采場寬度方向)，布置15個采場，每個采場寬度為8 m。此外，為充分模擬初始地應(yīng)力作用，避免巖體采充過程中受邊界條件影響，提高計算效率，沿走向方向，從兩礦體邊界處分別向外擴展360 m圍巖區(qū)域。因此，該方向上模型的尺寸為840 m。

垂直礦體走向方向(即沿著進路軸向方向)，擴展12 m厚度的巖體。豎直方向，采場模型總高度為24 m。此外，為充分模擬初始地應(yīng)力作用，避免巖體采充過程中受邊界條件影響，提高計算效率，沿豎直方向，從采場模型上、下邊界分別向外擴展300 m圍巖區(qū)域。因此，該方向上模型的尺寸為624 m。

3.4 充填體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

基于既定的礦巖采充順序，進行了數(shù)值模擬計算，當(dāng)最下一分層二步驟采場回采時，其上部充填體頂板將處于下向揭露狀態(tài)，此時主要由一步驟采場膠結(jié)充填體人工礦柱支撐充填體頂板，以維護采空區(qū)的穩(wěn)定性(見圖2)。從圖2可以看出：此時充填體頂板在充填體人工礦柱的支撐作用下，最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，是最危險的開采步驟。故分析研究開采時充填體頂板的穩(wěn)定性及其強度需求具有重要意義[6]。因此，在后續(xù)的數(shù)值模擬結(jié)果分析過程中，主要展示此步驟下充填體及圍巖的豎向位移、塑性區(qū)、最大和最小主應(yīng)力、等效安全系數(shù)等分布特征，據(jù)此確定充填體頂板的最低強度需求。

圖2 下向開采充填體結(jié)構(gòu)布置

值得說明的是，在Flac3D軟件中，等效安全系數(shù)(FS)定義見式(1)，σ1、σ3分別表示在當(dāng)前計算步驟下單元體的最大、最小主應(yīng)力，σ1′則是在此狀態(tài)下通過摩爾-庫侖本構(gòu)模型計算獲得的單元體剛好發(fā)生剪切破壞的最大主應(yīng)力，三者之間的關(guān)系見圖3。需要說明的是，其上限值一般設(shè)定為10，而且當(dāng)單元體處于拉伸失穩(wěn)破壞時，等效安全系數(shù)為0。此外，由分析得知：當(dāng)?shù)刃О踩禂?shù)等于1時，單元體剛好發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞；當(dāng)?shù)刃О踩禂?shù)小于1時，單元體則已經(jīng)處于剪切失穩(wěn)狀態(tài)，具體原理見圖3。不同剪切強度參數(shù)(內(nèi)聚力不同)條件下，充填體和礦巖的豎向位移、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和等效安全系數(shù)分布云圖分別見圖4、圖5。

圖3 等效安全系數(shù)原理圖

圖4 充填體頂板內(nèi)聚力為800 kPa

圖5 充填體頂板內(nèi)聚力為600 kPa

(1)

從圖4、圖5可以看出：當(dāng)充填體內(nèi)聚力從800 kPa逐漸降低至600 kPa時，最大豎向位移總是發(fā)生在二步驟非膠結(jié)充填體上表面；隨著充填體內(nèi)聚力降低，最大豎向位移從8.3 cm逐漸增加至9.2 cm左右，變形量較小，充填體結(jié)構(gòu)整體上處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。從塑性區(qū)分布云圖可以看出，當(dāng)充填體內(nèi)聚力大于等于600 kPa時，下向揭露的充填體頂板中只存在零星正在剪切或正在拉伸塑性破壞區(qū)，充填體礦柱中未見顯著的塑性破壞區(qū)[7]，說明充填體頂板處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。從最大和最小主應(yīng)力分布云圖中可以看出，由于充填體與圍巖的剛度差異較大，應(yīng)力無法在充填體與圍巖接觸面實現(xiàn)同等水平應(yīng)力的傳遞[8]，導(dǎo)致充填體中的應(yīng)力水平始終遠低于圍巖，實現(xiàn)了下向開采充填體的應(yīng)力隔離作用，在一定程度上有利于維護采空區(qū)的穩(wěn)定性。同時，結(jié)合等效安全系數(shù)分布云圖可以看出，充填體墊層及充填體礦柱的安全系數(shù)始終大于1，進一步說明了此強度參數(shù)范圍內(nèi)，采空區(qū)周邊充填體可以保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

同時，當(dāng)充填體內(nèi)聚力從600 kPa逐漸降低至400 kPa時，充填體最大豎向位移從 9.2 cm 增至0.86 m，位移量呈現(xiàn)出跳躍式激增現(xiàn)象；且隨著內(nèi)聚力繼續(xù)減少，最大豎向位移量還將不斷增加，說明當(dāng)充填體內(nèi)聚力為400 kPa時，充填體頂板下向揭露后將處于失穩(wěn)狀態(tài)。而且，當(dāng)充填體內(nèi)聚力小于600 kPa時，下向揭露的充填體頂板中存在大量正在拉伸塑性破壞區(qū)且貫通整個充填體墊層，同時支撐頂板的人工充填體礦柱也產(chǎn)生了大量正在剪切塑性破壞區(qū)，導(dǎo)致其支撐作用進一步劣化，加劇了采空區(qū)充填體結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定向失穩(wěn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外，結(jié)合等效安全系數(shù)分布云圖可以看出，充填體礦柱的安全系數(shù)小于等于1，進而印證了上述充填體結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞的結(jié)論。

綜合上述分析可知，當(dāng)進路結(jié)構(gòu)尺寸寬8 m、高12 m時，厚度為6 m的充填體底部(下分段開采的頂板)最低強度參數(shù)為：內(nèi)聚力600 kPa、內(nèi)摩擦角30°，采用摩爾-庫侖強度準則換算可得到其單軸抗壓強度約為2.1 MPa(FS=1)。然而，此強度參數(shù)計算忽略了諸多實際生產(chǎn)過程中的影響因素，因此還需結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選取合理的浮動安全系數(shù)，以保證礦巖安全、經(jīng)濟和高效回采。

4 充填體強度結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，當(dāng)?shù)刃О踩禂?shù)FS=1時，采場底部充填體強度須達到2.1 MPa。同時礦山進行充填技改工程后，充填質(zhì)量得到大幅度提高，充填體均質(zhì)性較好，充填體強度分布均勻。因此，綜合考慮礦山以往生產(chǎn)經(jīng)驗、相關(guān)試驗研究結(jié)論、新技術(shù)的應(yīng)用及充填體質(zhì)量的提高等因素，選取等效安全系數(shù)為FS=1.5，即設(shè)計底部6 m充填體強度不低于3.1 MPa。根據(jù)充填強度配比試驗及充填體原位取樣結(jié)果，最終設(shè)計采用戈壁集料與冶煉渣多元骨料充填工藝進行充填，冶煉渣添加量占總骨料的30 %，充填濃度78 %～80 %，一步驟底部6 m采用灰砂比為1∶6充填，6 m以上區(qū)域采用1∶10充填；二步驟底部6 m采用灰砂比為1∶6充填，6 m以上區(qū)域采用非膠結(jié)充填。

采場充填體配比設(shè)計見圖6。按照設(shè)計的充填工藝參數(shù)進行進路充填作業(yè)，共計充填10條進路，各進路充填體養(yǎng)護28 d后進行原位取樣，并測試單軸抗壓強度，其結(jié)果表明充填體強度均在2 MPa以上，充填體強度分布均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。從下層的進路回采情況來看，未出現(xiàn)掉層、垮塌等現(xiàn)象，人員在充填體下作業(yè)安全性較高，表明設(shè)計的充填體結(jié)構(gòu)參數(shù)較為合理。

圖6 采場充填體配比設(shè)計示意圖

5 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬分析可知，當(dāng)充填體內(nèi)聚力從800 kPa逐漸降低至600 kPa時，最大豎向位移總是發(fā)生在二步驟非膠結(jié)充填體上表面；隨著充填體內(nèi)聚力降低，變形量較小，充填體結(jié)構(gòu)整體上處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)充填體內(nèi)聚力從600 kPa逐漸降低至400 kPa時，充填體最大豎向位移出現(xiàn)跳躍式激增現(xiàn)象，說明充填體頂板下向揭露后將處于失穩(wěn)狀態(tài)。同時當(dāng)充填體內(nèi)聚力小于600 kPa時，支撐頂板的人工充填體礦柱也產(chǎn)生了大量正在剪切塑性破壞區(qū)，加劇了采空區(qū)充填體結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定向失穩(wěn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

2)通過對喀拉通克銅鎳礦下行式小分段采場充填體強度要求的理論計算和采充時序的數(shù)值模擬研究，同時綜合考慮礦山以往生產(chǎn)經(jīng)驗、相關(guān)試驗研究結(jié)論、新技術(shù)的應(yīng)用及充填體質(zhì)量的提高等因素，選取等效安全系數(shù)為FS=1.5，確定設(shè)計底部6 m充填體強度不低于3.1 MPa。

3)采用戈壁集料與冶煉渣多元骨料充填工藝進行充填，冶煉渣與戈壁集料的質(zhì)量比為3∶7，充填濃度78 %～80 %，一步驟底部6 m采用灰砂比為1∶6充填，6 m以上區(qū)域采用1∶10充填；二步驟底部6 m采用灰砂比為1∶6充填，6 m以上區(qū)域采用非膠結(jié)充填。