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充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化
2016-03-14
选取合理的充填配比和采场结构参数是采用阶段空场嗣后充填采矿法矿山实现安全回采 和提高生产 效率的有效措施。根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近的原则,确定了符合中关铁矿 的最佳充填配比为 1 ∶ 6。在此充填配比下,针对中关铁矿的开采技术条件,对影响采场稳定性的矿房长度、矿房跨 度和顶板厚度这3 个 因素进行了3 因素3 水平的正交试验设计,得到9 种试验方案。运用FLAC3D 对9 种不同方案的采 场结构参数进行模 拟计算,分析对比了各方案矿房回采充填后采场顶板和充填体矿柱的应力及位移分布情况,研究了 各因素对采场稳 定性的影响顺序,进而对采场结构参数进行了优选。计算结果表明...
Series No. 477ꢀ Marchꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 477期 METAL MINE 2016 年第 3 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ · 采矿工程· 充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化 杨ꢀ 蕾ꢀ 邱景平ꢀ 邢ꢀ 军ꢀ 孙晓刚 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819) ( 摘ꢀ 要ꢀ 选取合理的充填配比和采场结构参数是采用阶段空场嗣后充填采矿法矿山实现安全回采和提高生产 效率的有效措施。 根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近的原则,确定了符合中关铁矿的最佳充填配比为 1 ∶ 6。 在此充填配比下,针对中关铁矿的开采技术条件,对影响采场稳定性的矿房长度、矿房跨度和顶板厚度这 3 个 3 D 因素进行了 3 因素 3 水平的正交试验设计,得到 9 种试验方案。 运用 FLAC 对 9 种不同方案的采场结构参数进行模 拟计算,分析对比了各方案矿房回采充填后采场顶板和充填体矿柱的应力及位移分布情况,研究了各因素对采场稳 定性的影响顺序,进而对采场结构参数进行了优选。 计算结果表明:矿房长度和矿房跨度是影响采场稳定性的重要 因素,最优的结构参数为矿房长度 50 m、矿房跨度 18 m、顶板厚度 8 m,该结构参数下能够保证采场的稳定性且能有 效提高矿山生产能力。 关键词ꢀ 阶段空场嗣后充填采矿法ꢀ 强度匹配ꢀ 数值模拟ꢀ 正交试验ꢀ 采场结构参数 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD853ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-03-010-05 Optimization of Stope Structure Parameters based on Strength Match between Backfill and Rock Mass Yang Leiꢀ Qiu Jingpingꢀ Xing Junꢀ Sun Xiaogang ( College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ For mines that adopt stage open stoping with subsequent filling,reasonable selection of cement-tailing ratio and stope structure parameters plays a key role in realizing safe mining and improving production efficiency. According to the principle that peak deformation energy of backfill should be corresponded to releasing energy from excavated rock mass,the op- timum backfill ratio of Zhongguan Iron Mine was determined to be 1 ∶ 6. Under this ratio,and based on the mine's mining con- dition,three-level and three-factor orthogonal experiment was designed to research how the room length,room width and top pil- 3 D lar height affecting stope stability. FLAC software was used to simulate the 9 different structure parameters,and the changes of stress and deformation of top pillar and backfill pillar after backfill were analyzed. The influence sequence of three factors in af- fecting stope stability was studied,and then the structure parameters were optimized. The calculation results showed that room length and width were important influence factors of stope stability,the optimal room length,room width,and top pillar height were determined as 50 m,18 m,8 m respectively. The mine could ensure stope stability and improve its production capacity ef- fectively under these structure parameters. Keywordsꢀ Stage open stoping with subsequent filling,Strength match,Numerical simulation,Orthogonal experiment, Stope structure parameters [ 1] 。 ꢀ ꢀ 阶段空场嗣后充填采矿法具有回采强度大、劳动 损失、贫化 效率高的优点,且能满足“三下”矿体的开采需求,正 逐渐成为国内外矿山开采倾斜和急倾斜极厚矿体的 重要方法之一。 但是该方法矿房跨度大、阶段高度 高、单次爆破量大、充填体质量要求高,因而有必要选 择合理的采场结构参数以实现安全、高效开采,基于 此,需合理匹配充填体和岩体强度,以保证在回采过 程中不因充填体塌落而影响顶板稳定性及造成矿石 本研究以河北钢铁集团矿业公司中关铁矿为工 程背景,根据岩体开挖释放能量与充填体积蓄应变能 [ 2] 相近的匹配原则 ,确定了符合该矿的最佳充填体 3 D 强度及配比。 在此充填体配比下,利用 FLAC 三维 有限差分软件比较了不同采场参数下阶段空场嗣后 充填采矿法采场围岩的应力分布状态及变形情况,以 选出最优的采场结构参数。 收稿日期ꢀ 2015-12-14 基金项目ꢀ “十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2011BAB07B02,2012BAJ17B01,2012BAJ17B02)。 作者简介ꢀ 杨ꢀ 蕾(1992—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 邱景平(1975—),男,副教授,博士。 · 10· ꢀ ꢀ ꢀ 杨ꢀ 蕾等:充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 3 期 1 2 ꢀ 矿床开采技术条件 中关铁矿南区内矿体走向长 1 072 m,分布于 1ꢁ ꢀ ꢀ 经岩石力学分析得知,中关铁矿南区矿体最大垂 直地应力为 17. 269 MPa,顶板结晶灰岩弹性模量为 9. 0 GPa。 将表 1 中的力学参数代入式(1)可得不同 线 ~ ꢁ6ꢁ7 线之间。 该矿以厚大矿体为主,平均倾 角为 45°,平均厚度 64. 67 m,属于倾斜极厚矿体。 矿 体埋藏于地表 300 m 以下,赋存标高ꢁ100 m 以下,上 盘围岩主要是结晶灰岩,底板岩石主要为大理岩,围 岩稳固性较好。 矿床水文地质条件复杂,地表有农 田。 产能 260 t/ a,设计采用阶段空场嗣后充填采矿 法进行开采。 配比充填体与岩体的匹配结果,如表 2 所示。 表 2ꢀ 不同配比充填体与岩体匹配结果 Table 2ꢀ Match results between the filling body with different cement-tailing ratios and the rock mass 匹配系数 E0 / GPa σ0 / MPa 充填配比 是否匹配 K 1 ∶ 4 1 ∶ 6 ∶ 8 3. 19 是 是 否 矿体划分为盘区进行开采,盘区长 114 m,盘区 之间留永久矿柱。 阶段空场嗣后充填采矿法矿房垂 直走向布置,回采分两步骤进行,一步采和二步采矿 房尺寸相同,间隔布置,阶段高度 60 m。 以切割槽和 拉底层为自由面倒梯段侧向崩矿, 爆下的矿石用 LH409E 型电动铲运机出矿。 一步采矿房出矿完毕 后立即用尾砂胶结充填、养护,然后回采二步采矿房。 9. 0 17. 269 1. 69 0. 46 1 ꢀ ꢀ 由表 2 可知,充填配比为 1 ∶ 4 和 1 ∶ 6 时能够满 足中关铁矿地下安全开采的需求,而 1 ∶ 8 的充填配 比是不可行的。 为保证回采过程中不会发生能量失 稳及有效降低充填成本,矿山可采用 1 ∶ 6 的最佳充 填配比进行充填,充填体强度为 1. 86 MPa。 2 ꢀ 充填体与岩体强度的合理匹配 3ꢀ 采场结构参数的优化研究 在地下开采前,矿岩在地应力的作用下处于应力 随着计算机科学技术及矿山岩石力学理论的发 3 D 平衡状态。 随着开挖的进行,岩体卸载释放能量。 采 空区充填后,围岩变形压缩充填体,充填体抑制围岩 展,以 FLAC 为代表的三维数值模拟软件在矿山中 的应用越来越广泛,已成为采场结构参数优化的有效 [ 3] [6] 变形产生反抗力的同时体内积蓄应变能 。 因此, 方法之一 。 这些三维数值模拟软件可模拟回采过 [ 3] [4] [5] 刘志祥 、杜坤 、刘玉龙等 从能量的角度,基于 矿岩开挖释放能量与充填体峰值变形能近于相等的 原则,建立了充填体变形能 Up 与岩体释放比能 Ur 比 值 K(匹配系数) 的表达式,以判定充填体是否与岩 体匹配。 匹配系数 K 的表达式为 程中采场围岩的应力、位移分布情况,分析它们在回 采过程中的动态变化,从而判断开采过程中采场围岩 [ 7-8] 的稳定性 。 3. 1ꢀ 三维模型的建立 以中关铁矿ꢁ230 m 水平中部的 1 个盘区作为计 算区域。 考虑采场开挖对围岩变形的影响范围为开 挖尺寸的 3 ~ 5 倍,建立的三维模型尺寸如下:垂直矿 体走向为 X 轴,取 400 m;垂直方向为 Y 轴,从ꢁ350 m 水平取至ꢁ50 m 水平,计 300 m;沿矿体走向为 Z 轴, 取 330 m。 矿体倾角取 45°,平均厚度 64. 67 m。 模型 边界采用位移ꢁ应力混合约束,模型上部边界施加 2 n+2 K = U Ur = EE0 (n + 2) εP - 2EE0 mεP p , (1) 2 (n + 2) σ 0 式中,E 为充填体弹性模量;E0 为岩体弹性模量;σ0 为岩体开挖前最大压应力;m、n 为损伤参数;εp 为充 填体峰值应变。 K>1 时,充填体强度能与岩体良好匹配;K <1 时,充填体会发生能量失稳而导致不能与岩体匹配。 在前期研究的基础上,对取自中关的全尾砂及普 通硅酸盐水泥进行了料浆浓度为 71% 、配比分别为 7 . 22 MPa 的上覆岩体自重应力,侧部边界固定水平 位移,下部边界为固定约束。 矿区岩体以弹塑性岩体 为主,适用于 MohrꢁCoulomb 屈服准则。 根据现场资 料和力学试验结果,模拟选取的岩石力学参数如表 3 1 ∶ 4、1 ∶ 6 和 1 ∶ 8 的充填体力学试验,得到其相关 所示,计算模型如图 1 所示。 的力学参数如表 1。 表 3ꢀ 岩体物理力学参数 表 1ꢀ 不同配比下充填体力学参数 Table 3ꢀ Physical and mechanical parameters of rock mass Table 1ꢀ Mechanics parameters of filling body with different cement-tailing ratios 体积 剪切 模量 模量 / GPa / GPa 内摩 抗压 抗拉 擦角 强度 / (°) / MPa 黏聚力 / MPa 容重 3 矿岩类型 大理岩 /强M度Pa / (kN/ m ) 损伤参数 充填 抗压强度 峰值应变 弹性模量 组号 配比 σ p / MPa ε p E / MPa m n 6. 92 3. 19 11. 44 45. 26 73. 5 3. 24 10. 56 46. 37 73. 0 3. 32 2 800 3. 20 2 690 结晶灰岩 5. 96 铁矿石 5. 56 充填体(1 ∶ 6) 0. 59 1 2 3 1 ∶ 4 1 ∶ 6 1 ∶ 8 2. 25 1. 86 1. 12 0. 004 398 5. 452 381 0. 370 642 1 890 3. 66 0. 36 4. 03 47. 25 113. 5 3. 50 3 940 0. 53 31. 0 1. 86 0. 22 1 830 0. 007 050 5. 743 307 0. 424 289 0. 009 780 5. 940 730 0. 468 023 889 356 · 11· 总第 477 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 3 期 表 6ꢀ 正交试验极差分析结果 Table 6ꢀ Results of range analysis of orthogonal test 各水平下指标平均值 水平 1 水平 2 水平 3 较优 水平 因素 指标 极ꢀ 差 σmin 1. 982 44 2. 044 66 2. 163 98 0. 181 54 0. 205 84 0. 221 07 0. 244 11 0. 038 27 70. 741 13 75. 339 10 80. 063 46 9. 322 33 1. 952 81 2. 076 11 2. 162 27 0. 209 46 0. 218 81 0. 220 05 0. 231 25 0. 012 44 71. 975 06 77. 464 80 76. 703 83 5. 489 74 2. 069 17 2. 104 63 2. 017 29 0. 087 34 0. 224 42 0. 222 58 0. 223 11 0. 001 84 76. 040 50 75. 424 40 74. 678 80 1. 361 70 3 3 3 3 3 2 2 1 1 A B C σ′min D σmin σ′min 图 1ꢀ 数值计算模型 D Fig. 1ꢀ Numerical calculation model σmin σ′min 3 . 2ꢀ 优化方案设计 正交试验设计利用标准化正交表来合理安排试 D 验方案,能够减少试验次数,又便于对试验结果进行 分析,是一种高效处理多因素优化问题的科学方 [ 9] 法 。 矿房回采稳定性是由多因素多水平决定的, 根据矿山实际情况,选取矿房长度、矿房跨度和顶板 厚度为考察因素。 各个因素分别选 3 水平进行正交 试验,如表 4 所示。 表 4ꢀ 正交试验因素及水平 Table 4ꢀ Factors and level of orthogonal test 因素取值/ m 水ꢀ 平 图 2ꢀ 盘区顶板水平剖面拉应力 A(矿房长度) B(矿房跨度) C(顶板厚度) Fig. 2ꢀ Tensile stress of horizontal section of panel roof 1 2 3 44 50 56 16 18 22 4 6 8 3 . 3ꢀ 模拟结果分析 本次模拟是在盘区内一步采、二步采矿房均回采 充填结束之后,分析其顶板和充填体矿柱内应力及位 移分布情况。 各模拟方案试验结果的顶板最小主应 力 σmin 、顶板垂直位移 D 和充填体矿柱内最小主应力 σ′min 见表 5,极差分析结果见表 6。 表 5ꢀ 正交试验结果 图 3ꢀ 盘区顶板水平剖面垂直位移 Fig. 3ꢀ Vertical displacement of horizontal section of panel roof Table 5ꢀ Results of Orthogonal test 各因素水平 试验结果 试验 序号 A B C σ min / MPa D/ mm σ′min / MPa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 1. 911 45 2. 031 07 2. 004 81 1. 945 01 2. 045 08 2. 143 89 2. 001 97 2. 152 17 2. 337 81 68. 136 8 72. 804 8 71. 281 8 71. 896 6 76. 862 8 77. 257 9 75. 891 8 82. 726 8 81. 571 8 0. 201 01 0. 202 39 0. 214 11 0. 215 48 0. 215 28 0. 229 75 0. 239 95 0. 242 49 0. 249 88 2 3 2 3 1 3 1 2 图 4ꢀ 充填体矿柱拉应力 Fig. 4ꢀ Tensile stress of pillar filling body 从图 2 可以看出,矿房开挖后盘区顶板出现了拉 应力区。 从表 5 中可以看出方案 9 的顶板拉应力值 最大,达到 2. 33 MPa,但未超过顶板岩石的抗拉强 度。 但由于岩石具有抗压不抗拉的特性,所以采场的 拉应力对其稳定性有较大影响。 各方案采场结构参 数不同,所产生的顶板最大拉应力也不同。 从表 6 的 ꢀ ꢀ 鉴于篇幅的原因,本研究仅给出方案 5(矿房长 度 50 m,矿房跨度 18 m,顶板厚度 8 m,盘区间永久 矿柱 6 m) 盘区水平剖面顶板及充填体矿柱计算结 果,如图 2 ~ 图 5 所示。 · 12· ꢀ ꢀ ꢀ 杨ꢀ 蕾等:充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 3 期 利于采场的稳定。 从表 5 各方案的计算结果可以看 出:部分方案由于矿房结构参数选取过大,造成充填 体矿柱内出现了较大拉应力,超过其抗拉强度,产生 拉破坏;有些方案虽然采场围岩和充填体矿柱内应力 状态较好,变形量也较小,但是矿房的参数过小容易 造成矿石损失贫化。 故确定方案 5 为最优采场结构 参数,即矿房长度 50 m,矿房跨度 18 m,顶板厚度 8 m,盘区间永久矿柱 6 m。 图 5ꢀ 充填体矿柱位移 Fig. 5ꢀ Displacement of pillar filling body 4ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形 顶板最小主应力的极差分析结果可知,各因素对顶板 拉应力的影响重要性顺序分别为 B>A>C,即矿房跨 度对顶板稳定性的影响最为显著,而顶板厚度对采场 稳定性的影响最小。 这是因为顶板厚度对顶板暴露 面积并没有作用,所以其影响必然是最小的。 能相近的原则,得出了符合中关铁矿最佳的充填体强 度为 1. 86 MPa,充填体配比为 1 ∶ 6。 该配比下的充 填体能够符合该矿山地下安全开采的需求,在回采过 程中不会发生能量失稳。 在围岩位移状态中,垂直位移较水平位移重要, 因为过量的垂直位移容易导致顶板冒落和地表沉 (2)在充填配比为 1 ∶ 6 的基础上,针对影响采 场稳定性的矿房长度、矿房跨度和顶板厚度 3 个因 素,基于正交试验设计了 3 因素 3 水平 9 种不同的采 场结构参数方案进行数值模拟计算。 根据计算结果, 分别从采场最小主应力、顶板垂直位移及充填体矿柱 内最小主应力等角度进行了比较分析。 在保证采场 稳定的前提下,为提高矿山生产能力,初步得出了矿 房长度 50 m、矿房跨度 18 m、顶板厚度 8 m、盘区间 永久矿柱 6 m 的结构参数方案为中关铁矿阶段空场 嗣后充填采矿法的较优参数。 [ 10] 。 从图 3 可以看出,矿房开挖后围岩受到应力 降 的作用均向采空区方向移动,造成了顶板沉降,沉降 量最大的位置出现在盘区中央。 盘区中部采场的垂 直位移明显大于盘区端部采场的位移,这是因为端部 围岩抗压强度较充填体大,在较大应力场下不会产生 大位移,而充填体在较大应力场下会出现较大位移。 从表 5 可以看出方案 8 的顶板沉降量最大, 达到 8 3 2. 7 mm,方案 1 最小为 68. 1 mm。 影响顶板沉降量 种因素平均值极差分别为 9. 3、5. 5 和 1. 4 mm,即 (3)模拟计算结果表明:矿房回采过程中顶板易 出现拉应力,虽未超过其抗拉强度,但也是影响采场 不稳定的重要因素,故在开采设计中应适当减小矿房 跨度,减少拉应力的产生;充填体矿柱不仅能有效地 抑制围岩变形,还能很好地稳定采场,但在边角处容 易因应力过大而导致破坏区的产生,在实际生产中应 适当进行局部支护。 矿房长度对采场顶板垂直位移的影响最为显著。 从图 4 中可以看出,二步采矿房回采充填结束 后,充填体矿柱内出现了拉应力,主要分布在与上下 盘围岩接触处。 二步采矿房的充填体矿柱拉应力要 明显大于一步采矿房的充填体矿柱,盘区间的永久矿 柱侧壁也出现了较小的拉应力。 从表 5 中可知方案 6 、7、8、9 充填体矿柱内的最大拉应力均超过其抗拉 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 强度,将会导致充填体矿柱出现拉破坏,存在安全隐 患。 通过表 6 极差分析可知:各因素对充填体矿柱内 拉应力大小的影响顺序为矿房长度、矿房跨度、顶板 厚度。 从图 5 中可以看出充填体矿柱的变形情况与 上下盘围岩一致。 位于上盘的充填体以沉降为主,靠 近下盘的充填体以底鼓为主。 说明了充填体对采场 位移的限制作用,可见充填体矿柱除了起支撑作用 [ 1]ꢀ 余海华,宋卫东,唐亚男,等. 阶段空场嗣后充填法采场结构参 数及充填配比优化[J]. 矿业研究与开发,2012,32(6):10-14. 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