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黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟
2016-04-14
黄麦岭磷矿露天转地下所面临着怎样选取合理充填材料、充填料配比以及合理选取矿房、矿柱宽度的 问题,为此进行了充填体的配比试验,同时结合得到的充填体物理力学参数,运用FLAC3D 软件对矿块进行了数值模 拟,验证了实际充填体强度要求,判断了不同矿块参数情况下矿房的稳定性和安全性问题。研究表明:黄麦岭尾矿库 尾砂具有良好的充填特性,试验得到的不同配比充填体在28 d 养护临期的强度值在0. 18 ~2. 48 MPa 之间;不同充填 体维持自稳性的极限宽度在18 ~25 m 之间;矿柱采用灰砂比为1 ∶ 6 的全尾砂胶结充填方案,合理宽度为15 m,矿房 采用水砂充填,合理宽度为15 m。
Series No. 478ꢀ Aprilꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 478期 METAL MINE 2016 年第 4 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟 1 1 2 3 4 姜金洁 ꢀ 张建华 ꢀ 尹东升 ꢀ 胡晓倩 ꢀ 周ꢀ 勇 ( 1. 武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2. 大冶有色金属集团控股有限公司,湖北 黄石 435004; 3 . 江西省水电工程局,江西 南昌 330000;4. 五矿二十三冶建设集团,湖南 长沙 410116) 摘ꢀ 要ꢀ 黄麦岭磷矿露天转地下所面临着怎样选取合理充填材料、充填料配比以及合理选取矿房、矿柱宽度的 3 D 问题,为此进行了充填体的配比试验,同时结合得到的充填体物理力学参数,运用 FLAC 软件对矿块进行了数值模 拟,验证了实际充填体强度要求,判断了不同矿块参数情况下矿房的稳定性和安全性问题。 研究表明:黄麦岭尾矿库 尾砂具有良好的充填特性,试验得到的不同配比充填体在 28 d 养护临期的强度值在 0. 18 ~ 2. 48 MPa 之间;不同充填 体维持自稳性的极限宽度在 18 ~ 25 m 之间;矿柱采用灰砂比为 1 ∶ 6 的全尾砂胶结充填方案,合理宽度为 15 m,矿房 采用水砂充填,合理宽度为 15 m。 关键词ꢀ 尾砂胶结充填ꢀ 充填体强度ꢀ 采场参数ꢀ 数值模拟 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD853. 34ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-04-036-06 Numerical Simulation and Proportion Test of the Cemented Filling Mining in Huangmailing Phosphate Mine 1 1 2 3 4 Jiang Jinjie ꢀ Zhang Jianhua ꢀ Yin Dongsheng ꢀ Hu Xiaoqian ꢀ Zhou Yong ( 1. School of Resources and Enviornmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2 . Daye Nonferrous Metals Group Holdings Limited,Huangshi 435004,China;3. Jiangxi Hydropower Engineering Bureau, Nanchang 330000,China;4. The 23th Metallurgical Construction Group Co. ,Ltd. of Minmetals,Changsha 410116,China) Abstractꢀ In transition from open pit to underground mining of Huangmailing Phosphate Mine,such issues as selecting reasonable filling materials,material proportion,and reasonable width of room and pillar should be faced with. For these,the proportion experiments of backfilling were made. Combined with the physical and mechanical parameters of the filling body,the 3 D numerical simulation on ore block was carried out by the FLAC to verify the actual strength of filling body. By this method, the stability and safety problems of ore block with different parameters were estimated. Studies showed:tailings in Huangmeiling tailing dam has good filling property. The 28d strength of filling body in different proportion varies from 0. 18 to 2. 48 MPa;The limited width of different filling body to maintain the stability is between 18 and 25 m;The pillar adopted the full-tailings ce- mented filling with cement-sand ratio of 1 ∶ 6,while the room adopts the water and sand back-fill,and both has the reasonable widths at 15 m. Keywordsꢀ Cemented filling with tailings,Strength of filling,Stope parameters,Numerical simulation ꢀ ꢀ 黄麦岭磷矿矿床赋存条件复杂,矿体倾角变化幅 充填体与岩体的耦合力学作用是一个能量耗散过 [3] 度大,主要为缓倾斜矿体,矿层厚度较大,属于开采条 件困难的缓倾斜厚大矿体,而且开采不允许地表塌 陷。 采用全尾砂胶结充填采矿法对黄麦岭露天转地 下进行开采,能够有效提高矿山资源利用率,有效控 程 ,充填能有效管理地压,控制地表沉降。 而胶结 充填开采过程中,研究合理的充填材料以及配比和合 适矿房、矿柱宽度显得十分必要。 通过对岩体和尾砂胶结体之间作用机理的研究 以及尾砂胶结充填材料配比和矿房结构参数的试验 和数值模拟,可获取最合理的充填材料配比和矿房结 构参数。 [ 1] 制地下围岩变形和地表沉陷 。 同时,充填体能承 受采场地压和变形,且不留矿柱开采有利于采空区支 撑体的连续性,可避免充填体与矿柱的刚度差异过大 [ 2] 而造成的采场局部应力集中 。 从能量角度来看, 收稿日期ꢀ 2015-11-02 作者简介ꢀ 姜金洁(1988—),男,硕士研究生。 · 36· ꢀ ꢀ ꢀ 姜金洁等:黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 [ 6 ] 填高度之间的关系 。 该经验公式可以表示为 2 3 H = k′σc , 1 ꢀ 充填体强度设计模型 托马斯等人提出了充填体和围岩之间会因为摩 (3) 擦效应的存在,二者之间会产生成拱作用。 可以在此 式中,σc 为充填体强度设计值,MPa;k′为经验常数, H≤50 m 时,k′=600,H≥100 m 时,k′=1 000。 而太沙基理论中假设岩体为散粒体,并具有一定 的凝聚力,充填材料则具有相似的物理特性以及强度 [ 4] 基础上,利用极限平衡分析法计算充填体的强度 。 该理论的计算方式可以通过充填体在竖直方向上的 应力分布情况来表示: [ 7 ] γHB 特性 。 若考虑研究范围内水平侧压系数和充填体 σy = (B + H). (1) 高度无相关性(即边界条件 y = 0,σy = 0),当竖直方 在这个基础上,卢平通过研究提出了托马斯模型的修 向为充填体高度时,即可求得应用该模型所得充填体 [ 5 ] 正模型 ,该模型可以表示为 强度: γHBC ü σy(y) = mn (1 - e ), -ny σy = (1 - k) (BCtanα + 2HC1 sinα) (4) k = 1 - sinφ ý, (2) n = 2k(L + B)tanφ, LB φ α = 45° + 2 þ m = γ - 2C1(L + B), 式中,σy 为充填体在竖直方向的应力,MPa;γ 为充填 LB 3 体容重,kN/ m ;H 为充填体充填高度,m;B 为充填体 式中,L 为充填体充填跨度,m。 充填宽度,m;k 为充填体侧压系数;φ 为充填体内摩 擦角,(°);C 为岩体内聚力,MPa;C1 为充填体内聚 力,MPa;α 为充填体剪切角,(°)。 2ꢀ 充填试验材料 试验充填材料矿石尾砂取自黄麦岭磷矿腾冲二 期尾矿库,磷石膏尾砂取自黄麦岭西露天矿坑的磷石 膏堆排场地。 其主要物理性质测定结果见表 1,粒级 组成见表 2,主要化学成分组成见表 3。 蔡嗣经教授在总结国内外大量矿山充填体强度 设计的基础上,通过归纳分析法得到充填体强度和充 表 1ꢀ 充填材料物理力学性能 Table 1ꢀ Physical-mechanical properties of the filling material 水ꢀ 上 休止角 水ꢀ 下 休止角 / (°) 充填料 名ꢀ 称 密ꢀ 度 / (g/ cm ) 松散密度 松散干密度 渗透系数 压缩系数 压缩模量 中值粒径 有效粒径 不均匀 系ꢀ 数 3 3 3 ꢁ1 / MPa / (g/ cm ) / (g/ cm ) / (cm/ s) / MPa d 50 / mm d 10 / mm / (°) ꢁ ꢁ 3 4 矿石尾砂 2. 78 2. 5 1. 52 1. 1 1. 28 0. 85 4×10 2×10 0. 35 0. 32 2. 63 6. 85 0. 134 0. 035 0. 013 0. 016 10. 6 2. 24 38. 6 46. 5 31. 7 22 磷石膏尾砂 表 2ꢀ 充填材料粒级组成 磷石膏尾砂粒级相对较细,0. 25 mm 以下颗粒占近 7% ,中值粒径 0. 035 mm,渗透系数小,不便于充填 Table 2ꢀ Grain size fraction of filling material % 9 各粒级含量 体脱水和快速硬化,必然会影响到胶结充填体强度。 同时磷石膏尾矿不均匀系数低,属均匀的黏土类,制 浆时容易混合,有利于管道输送,充入采场后,可以降 低水泥的离析。 磷石膏尾矿 CaO 含量较高,能够提 高充填体的活化性能。 样ꢀ 品 2 ~ <0. 005 0. 5 ~ 0. 25 ~ 0. 075 ~ 0. 05 ~ 0 . 5 mm 0. 25 mm 0. 075 mm 0. 05 mm 0. 005 mm mm 矿石尾砂 1. 5 0 24. 2 3. 2 41. 2 24. 2 11. 6 14. 3 18. 5 53. 8 3 磷石膏尾砂 4. 5 表 3ꢀ 充填材料主要化学成分组成 Table 3ꢀ The main chemical constituents % 综上所述,在黄麦岭尾砂充填材料的选择上,矿 石尾砂是相对理想的骨料,而磷石膏尾砂具有较多的 缺点,不适合作为主要充填材料,但有一定的特殊作 用,可以作为组合料使用。 成分含量 样ꢀ 品 SiO2 Fe2 O3 1. 93 Al2 O3 CaO+MgO P2 O5 SO3 +S 2. 25 矿石 尾砂 4 7 4. 2 . 23 8. 46 0. 56 17. 55 24. 43 0. 67 1. 48 磷石膏 尾砂 3ꢀ 磷矿尾砂配比试验 0. 62 42. 81 试验水泥采用普通 325 复合硅酸盐水泥,水为自 来水,选择充填骨料种类、水泥配比作为变量,测定其 7、14、28 d 龄期的充填体单轴抗压强度及 28 d 抗拉 强度。 类比国内同类型矿山,充填料质量浓度选择 75% 作为定量。 试验设计方案选取水泥、磷石膏尾 ꢀ ꢀ 矿石尾砂的不均匀系数大于 10,说明其透水性 能良好,能够加强充填体的前期强度,具有较好的脱 水性 能; 尾 砂 中 SiO2 的 含 量 髙 达 44. 2% , Al2 O3 、 CaO、MgO 含量也较高,能够具有一定的散体强度。 · 37· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 砂、选厂尾砂比分别为 1 ∶ 0 ∶ 4、1 ∶ 1 ∶ 4、1 ∶ 0 ∶ 6、1 2 ∶ 6、1 ∶ 4 ∶ 6、1 ∶ 0 ∶ 8、1 ∶ 2 ∶ 8、1 ∶ 0 ∶ 10、全尾 砂、0 ∶ 1 ∶ 8,各配比在试验中对应的试件编号为 A1 A10,共 10 组。 养护后测试试样龄期 7、14 d 时的 单轴抗压强度,28 d 时的单轴抗压强度、抗拉强度。 试块养护条件设置为温度 20 ℃、湿度 95% 。 3. 1ꢀ 试验数据收集和处理 ∶ 根据试验方案,测定不同龄期时不同材料,不同 配比充填体试件的 7、14、28 d 单轴抗压强度及抗压 强度,不同参数及测定结果见表 4。 ~ 表 4ꢀ 不同配比充填体物理力学性质测试结果 Table 4ꢀ Results of physical-mechanical properties of filling material with different proportion 水泥、 石膏、 尾砂配比 岩石抗压抗拉强度/ MPa 试件 编号 胶结体密度 / (kg/ m ) 弹性模量 / MPa 黏聚力 / MPa 内摩擦角 / (°) 剪切破坏角 α/ (°) 3 7 d 抗压 14 d 抗压 28 d 抗压 28 d 抗拉 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 1 ∶ 0 ∶ 4 1 ∶ 1 ∶ 4 1 ∶ 0 ∶ 6 1 ∶ 2 ∶ 6 1 ∶ 4 ∶ 6 1 ∶ 0 ∶ 8 1 ∶ 2 ∶ 8 1 ∶ 0 ∶ 10 全尾砂 2 270 2 238 2 200 2 154 2 023 2 178 2 060 2 100 1 860 1 800 0. 95 0. 57 0. 53 0. 25 0. 06 0. 33 0. 1 1. 38 0. 81 0. 85 0. 59 0. 20 0. 72 0. 26 0. 47 0. 15 0. 07 2. 48 1. 65 1. 57 1. 27 0. 63 1. 34 0. 67 0. 75 0. 2 0. 41 0. 33 0. 28 0. 18 0. 09 0. 21 0. 11 0. 12 0. 03 0. 03 224. 64 178. 2 140. 68 103. 5 48. 82 118. 2 62. 83 76. 31 10. 85 8. 52 0. 50 0. 37 0. 33 0. 24 0. 12 0. 27 0. 14 0. 15 0. 04 0. 04 45. 75 41. 81 44. 21 48. 74 48. 59 46. 81 45. 89 46. 40 47. 66 45. 58 67. 87 65. 91 67. 11 69. 37 69. 30 68. 40 67. 94 68. 20 68. 83 67. 79 0. 13 0. 04 0. 02 0 ∶ 1 ∶ 8 0. 18 ꢀ ꢀ 由表 4 试验结果可知,充填体的强度在 0. 02 ~ . 48 MPa 之间,变化范围比较明显,其中胶结充填体 为宜;无水泥状态下选卢平修正模型为宜。 因此在后 续数值模拟分析过程中,针对不同灰砂比选择对应模 型进行分析。 2 的强度明显大于全尾砂非胶结充填体的强度,试样组 成成分和配比不同,不同龄期测得的抗压强度也都有 所变化。 对比 4 个模型,灰砂比为 1 ∶ 4 时,充填体强度设 计值为 0. 32 ~ 1. 57 MPa,而试验测得充填体强度值 为 2. 48 MPa;灰砂比为 1 ∶ 6 时,充填体强度设计值 为 0. 31 ~ 1. 57 MPa,而试验测得充填体强度值为 3 . 2ꢀ 充填体强度设计 根据式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的各种数学模 型,代入试验中获得的参数,可以计算出不同模型设 计的充填体数值。 充填体高度为矿房高度 50 m。 为 方便计算,设矿体厚度为 20 m。 获得了不同配比条 件下充填体的设计强度。 具体计算结果如表 5 所示。 表 5ꢀ 不同模型不同配比条件下充填体强度设计值 Table 5ꢀ Strength value of the filling material in different models and proportions 1 . 57 MPa。 二者试验测得数据都明显超过了设计 值,说明二者灰砂比比例偏大。 灰砂比为 1 ∶ 8 时,充 填体强度设计值为 0. 67 ~ 1. 57 MPa,而试验测得充 填体强度值为 1. 34 MPa,灰砂比比较合适,可能会出 现偏小,还需进行进一步研究进行确认;灰砂比为 1 ∶ 10 时,充填体强度设计值为 0. 56 ~ 1. 57 MPa,而试 验测得充填体强度值为 0. 75 MPa,这时试验测试数 据小于设计值,说明灰砂比比例相对偏小,充填体强 度可能无法满足要求。 充填体强度/ MPa 试件编号 卢平修正 模型 蔡嗣经 经验公式 太沙基 模型 托马斯模型 A1 A2 A3 0. 32 0. 31 0. 31 0. 30 0. 28 0. 30 0. 29 0. 29 0. 26 0. 25 0. 79 0. 81 0. 74 0. 62 0. 48 0. 67 0. 53 0. 56 0. 25 0. 24 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 1. 57 0. 76 0. 74 0. 73 0. 75 0. 70 0. 74 0. 69 0. 71 0. 64 0. 60 综合分析,适合黄麦岭全尾砂胶结充填开采的合 理配比为(1 ∶ 6) ~ (1 ∶ 10)。 由于充填体在采空区 中所起力学作用不同,还需通过数值模拟分析对充填 采场进行力学分析,在保证回采和地表安全条件下, 选择最佳强度设计值以及充填材料最佳配比。 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 4ꢀ 数值模拟 目前,在岩土力学分析方面用于数值模拟的软件 种类较多,其中 FLAC 是一种专门应用岩体工程力学 的数值模拟软件,可以模拟各种复杂的工程力学行 为,特别适合分析巷道变形、顶板和围岩移动及破坏、 ꢀ ꢀ 通过表 5,比较 4 个模型可发现:在灰砂比为 1 ∶ 4) ~ (1 ∶ 8)选用蔡嗣经经验公式比较符合试验 ( [ 8-9] 数值;而在灰砂比为 1 ∶ 8 和 1 ∶ 10 选用太沙基模型 应力场变化以及岩体结构的屈服和破坏 。 · 38· ꢀ ꢀ ꢀ 姜金洁等:黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 4 . 1ꢀ 建立分析模型 4. 2ꢀ 数值模拟结果及分析 根据湖北省鄂东北地质大队对黄麦岭矿区的详细 4. 2. 1ꢀ 灰砂比 1 ∶ 6 的模拟结果 地质报告以及中南大学做的岩样静态力学性质测试结 充填体灰砂比为 1 ∶ 6 条件下,模型 1 采场参数 矿柱宽度为 15 m,矿房宽度为 20 m 时,矿柱采用全 尾砂胶结充填,本构模型采用蔡嗣经经验公式,矿房 采用全尾砂非胶结充填,采用卢平修正模型(下同)。 回采充填结束后,模拟矿房和围岩的稳定性。 分析矿 柱的受力分布、破坏情况及地表沉降、顶板应力分布 情况,结果如图 3 ~ 图 6 所示。 果,得到矿区矿体及围岩的物理力学参数见表 6。 表 6ꢀ 矿体和围岩物理力学参数 Table 6ꢀ Physical-mechanical properties of the ore body and wall rock 弹性 体积 剪切 抗压 抗拉 模量 模量 模量 强度 强度 黏结 内摩 力 泊松 比 密ꢀ 度 3 岩性 擦角 / (g/ cm ) / MPa / (°) / GPa / GPa / GPa / MPa / MPa 矿ꢀ 石 8. 21 7. 82 3. 10 52. 59 3. 06 0. 325 8. 04 48. 33 2. 83 下盘围岩 5. 47 7. 86 1. 98 68. 82 4. 58 0. 384 12. 19 48. 81 2. 67 上盘岩石 1. 87 1. 16 0. 76 11. 21 2. 10 0. 231 6. 23 54. 96 2. 75 ꢀ ꢀ 模型尺寸采用 660 m×100 m×170 m,单元尺寸 2 6 0 m×10 m×10 m,整个模型由 14 971 个节点和 12 50 个单元组成。 模型如图 1 所示。 图 3ꢀ 矿房和围岩垂直方向应力云图 Fig. 3ꢀ Vertical stress of ore body and wall rock 图 1ꢀ 模ꢀ 型 Fig. 1ꢀ The illustration of model 为了更加直接地了解矿体模型里面采场内部和 围岩的变化特征,选取采场的剖面进行计算分析,如 图 2 所示。 图 4ꢀ 矿房和围岩垂直方向位移云图 Fig. 4ꢀ Vertical displacement of the body and wall rock 图 2ꢀ 矿块模拟剖面图 Fig. 2ꢀ The section plan of the ore block simulation 根据矿段中矿块的布置,模拟 3 个矿柱开采充填 后,矿房采用非胶结充填时的情况。 模拟矿柱和矿房 宽度在不同参数下,不同配比充填体充填结束后,矿 体和周围围岩的应力、应变以及破坏情况及地表的沉 降情况。 为了验证和获得最优解,采用如表 7 所示数 值模拟尺寸进行模拟计算。 图 5ꢀ 矿房和围岩塑性区分布 Fig. 5ꢀ Plastic zone of ore body and wall rock 表 7ꢀ 采场数值模拟几何参数 Table 7ꢀ The parameters of the stope simulation m 图 6ꢀ 矿房顶板应力分布云图 模型 序号 矿柱尺寸(胶结充填体) 高度 Z 长度 Y 宽度 X 矿房尺寸(非胶结充填体) Fig. 6ꢀ Stress at the top of ore body 高度 Z 50 长度 Y 20 宽度 X 20 1 2 3 4 5 50 50 50 50 50 20 20 20 20 20 15 20 20 20 20 按同样方法以及过程分别对模型 2、模型 3、模型 50 20 15 4 、模型 5 的模拟矿块和围岩应力应变及破坏情况进 50 20 20 行模拟。 当采场矿柱采用灰砂比 1 ∶ 6 的胶结体,矿 3D 房采用全尾砂进行充填时,通过 FLAC 模拟的结果 50 20 25 50 20 30 · 39· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 如表 8 所示。 模型里矿块内出现了大面积的塑性屈服单元,顶板也 大面积出现拉伸屈服单元,模型 2 的上覆岩层已经发 生了拉伸破坏。 说明充填体灰砂比 1 ∶ 10 的条件下, 上述模型参数都已经无法维持采场和围岩的稳定性。 表 10ꢀ 灰砂比 1 ∶ 10 条件下不同模型模拟结果 表 8ꢀ 灰砂比 1 ∶ 6 条件下不同模型模拟结果 Table 8ꢀ Simulation results of different models at cement-sand ratio 1 ∶ 6 围岩最 矿柱最 矿房最 地表 矿房 顶板最 大应力 大应力 大应力 沉降量 沉降量 沉降量 大拉应 矿柱 模型 序号 Table 10ꢀ Simulation results of different / MPa / MPa 1. 50 1. 42 1. 75 1. 80 1. 83 / MPa 0. 62 0. 51 0. 63 0. 67 0. 78 / cm 5. 14 5. 17 5. 17 5. 17 5. 17 / cm 5. 5 5. 7 6. 0 6. 6 6. 8 / cm 力/ MPa 1 2 3 4 5 4. 67 4. 66 4. 83 5. 47 7. 60 13. 4 11. 3 14. 1 15. 8 20. 3 2. 65 2. 41 2. 97 2. 83 4. 15 models at cement-sand ratio 1 ∶ 10 围岩最 矿柱最 矿房最 地表 矿房 顶板最 大应力 大应力 大应力 沉降量 沉降量 沉降量 大拉应 矿柱 模型 序号 / MPa / MPa 1. 25 1. 34 / MPa 0. 65 0. 56 / cm 5. 12 5. 17 / cm 7. 0 7. 2 / cm 力/ MPa 1 2 4. 85 4. 92 14. 2 12. 5 2. 73 2. 87 ꢀ ꢀ 分析表 8 结果可以看到,模型 4 和模型 5 的模拟 4. 2. 3ꢀ 数值模拟结果分析 结果里面,矿柱垂直方向所受应力已经超过了试验中 测得的胶结体强度,胶结体发生破坏,矿块内出现了 大面积的塑性屈服单元,顶板也已经出现拉伸屈服单 元。 从模型 5 中可以看到,矿房沉降量比较大,上覆 岩层的垂直位移比矿块里充填体的垂直位移还大,说 明上覆岩层已经发生了沉降,出现了破坏,除此之外, 顶板的最大应力为 4. 15 MPa,已经超过了顶板岩石 的抗拉强度 3 MPa,所以上覆岩层出现了破坏单元。 充填体在灰砂比 1 ∶ 6、1 ∶ 8、1 ∶ 10 时,模型 3、 、5 所代表的矿块参数由于矿柱的最大压应力超过 4 了矿柱的极限抗压强度,顶板最大拉应力也接近或者 超过矿体顶板的极限抗拉强度,故不作考虑。 灰砂比 1 ∶ 10 时,模型 1、2 的模拟结果显示采场出现大面积 破坏,所以,灰砂比为 1 ∶ 10 也不作考虑。 对比灰砂比 1 ∶ 6 条件下为模型 1 和灰砂比 1 ∶ 8 条件下的模型 2,可知,前者采场模型具有更好的安 4 . 2. 2ꢀ 灰砂比 1 ∶ 8 以及 1 ∶ 10 的模拟结果 同样的,当采场矿柱采用灰砂比 1 ∶ 8 以及 1 ∶ 0 的胶结体时,本构模型采用太沙基模型。 矿房采 全稳定性,而且前者具有更少的水泥单耗,所以选择 灰砂比为 1 ∶ 6 条件下的模型 1 作为最终方案,即采 矿矿柱宽度 15 m,矿房宽度 20 m。 1 用全尾砂进行充填时的模拟结果分别如表 9、表 10 所示。 5 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)以黄麦岭磷矿露天转地下开采作为研究背 表 9ꢀ 灰砂比 1 ∶ 8 条件下不同模型模拟结果 Table 9ꢀ Simulation results of different models at cement-sand ratio 1 ∶ 8 景,在黄麦岭磷矿初步确定的全尾砂非胶结充填开采 方案上进行进一步的相关对比研究和试验工作,包括 充填体受力本构模型、充填体物理特性室内试验及采 场参数的数值模拟。 室内尾砂胶结体试验中,充填体 单轴抗压强度在 0. 18 ~ 2. 48 MPa 之间。 其中相同灰 砂比条件下,添加磷石膏尾矿的充填体早期强度不如 全尾砂充填体,黄麦岭胶结充填充填料采用全尾砂比 较合理。 围岩最 矿柱最 矿房最 地表 矿房 顶板最 大应力 大应力 大应力 沉降量 沉降量 沉降量 大拉应 矿柱 模型 序号 / MPa / MPa 1. 41 1. 32 1. 78 1. 80 / MPa 0. 63 0. 53 0. 64 0. 73 / cm 5. 13 5. 17 5. 17 5. 17 / cm 6. 2 6. 0 6. 4 6. 7 / cm 力/ MPa 1 2 3 4 4. 73 4. 73 4. 90 5. 78 13. 5 11. 6 14. 3 15. 9 2. 70 2. 70 2. 95 3. 04 ꢀ ꢀ 分析表 9 结果可以看到,模型 3 和模型 4 的模拟 ( 2)充填体对采场的支护是多种作用的共同结 结果里面,矿柱垂直方向所受应力已经超过了试验中 测得的胶结体强度,胶结体会发生破坏。 而且 4 个模 型里矿块内出现了大面积的塑性屈服单元,顶板也都 已出现拉伸屈服单元。 模型 4 顶板的最大应力达到 了 3. 04 MPa, 已经超过了顶板岩石的抗拉强度 3 MPa,所以上覆岩层顶板会发生破坏。 说明充填体灰 砂比 1 ∶ 8 的条件下,模型 3 和模型 4 所代表的采场 参数无法维持采场开采充填的安全稳定。 果,采场内充填体主要受剪切破坏,分析受力模型的 计算结果表明,充填体维持自稳性的极限宽度为 18 ~ 25 m。 ( 3)数值模拟结果表明,在保证采矿和充填体安 全稳定的条件下,黄麦岭地下开采最合理的参数是: 矿柱采用灰砂比为 1 ∶ 6 的全尾砂胶结充填方案,合 理宽度为 15 m,矿房采用水砂充填,合理宽度为 15 m。 分析表 10 结果可以看到,模型 1 和模型 2 的模 拟结果里面,矿柱垂直方向所受应力已经超过了试验 中测得的胶结体强度,胶结体会发生破坏。 而且 2 个 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [1]ꢀ 王传君. 尾砂胶结充填体与岩体耦合作用机理研究[ D]. 武汉: · 40· ꢀ ꢀ ꢀ 姜金洁等:黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 武汉理工大学,2013. backfill[J]. 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