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胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究
2012-05-09
结合金川二矿区的充填采矿工艺,采用现场观测方法及三维有限元分析方法研究了机械化下向分层 水平进路胶结充填和无底柱大面积连续开采的充填机理和稳定性,研究表明充填体承受采场地压和变形,盘区间 以不留矿柱为宜,推荐采用交错布置的回采与充填方式。
Series No. 328  金 属 矿 山 总 第 328 期   2003年 第 10 期 October 2003 METAL MINE 胶 结 充 填 采 矿 法 充 填 作 用 机 理 与 稳 定 性 研 究 王 正 辉 金 川 镍 钴 设 计 研 究 院 ) 高谦   (北 京 科 技 大 学 ) ( 摘 要 结 合 金 川 二 矿 区 的 充 填 采 矿 工 艺 ,采 用 现 场 观 测 方 法 及 三 维 有 限 元 分 析 方 法 研 究 了 机 械 化 下 向 分 层 水 平 进 路 胶 结 充 填 和 无 底 柱 大 面 积 连 续 开 采 的 充 填 机 理 和 稳 定 性 ,研 究 表 明 充 填 体 承 受 采 场 地 压 和 变 形 ,盘 区 间 以 不 留 矿 柱 为 宜 ,推 荐 采 用 交 错 布 置 的 回 采 与 充 填 方 式 。 关 键 词 采 矿 方 法 胶 结 充 填 地 压 矿 柱 回 采 Study on Mechanism and Stability of Filling in Stoping2cemented Fill Method Wang Zhenghui Jinchuan Institute of Nickel2cobalt Designing Research) Gao Qian ( University of Science and Technology Beijing)   ( Abstract   The mechanism and stability of filling in mechanized horizontal descending stoping2cemented filling and in large area nonpillar continuous mining were studied by site2observation method and three2dimensional finite element analy2 sis method and in combination with the stoping2filling technology used in Jinchuan No. 2 mining area. The study showed that the filling body had borne the ground pressure and deformation of stope and it was better not to leave interstall pillars. Cross stoping and filling mode was recommended. Keywords   Mining method , Cemented filling , Ground pressure , Ore pillar , Stoping WWW.KY114.CN   充 填 采 矿 法 是 一 种 回 收 率 高 、贫 化 损 失 率 低 和 岩 体 深 部 。 采 矿 成 本 比 较 高 的 采 矿 方 法 ,适 用 于 矿 岩 稳 定 性 差 的 贵 金 属 地 下 矿 床 以 及 有 特 殊 要 求 的 矿 床 开 采 。 采 用 充 填 采 矿 法 的 矿 山 ,其 采 场 地 应 力 的 分 布 与 围 岩 的 稳 定 状 态 ,不 仅 依 赖 于 矿 区 的 地 质 构 造 、原 岩 应 力 、矿 岩 质 量 等 ,而 且 还 与 充 填 体 的 强 度 、充 填 体 的 整 体 性 和 充 填 工 艺 等 密 切 相 关 。 充 填 体 与 围 岩 的 应 力 分 布 、以 及 其 最 终 稳 定 的 状 态 取 决 于 充 填 体 与 围 岩 的 相 互 作 用 以 及 相 互 作 用 的 结 果 。 金 川 二 矿 区 采 用 下 向 分 层 机 械 化 盘 区 水 平 进 路 胶 结 充 填 采 矿 法 开 采 。 盘 区 垂 直 矿 体 走 向 布 置 ,宽 100 m ,长 为 富 矿 加 下 盘 贫 矿 厚 度 ,盘 区 间 不 留 间 柱 ,连 续 回 采 。 中 段 高 100 m(1 150 中 段 ) 。 采 准 系 统 布 置 在 上 盘 脉 外 。 在 距 离 矿 体 上 盘 100 m 左 右 处 布 置 分 段 道 ,每 分 段 高 度 20 m ,服 务 5 个 分 层 ,分 层 高 4 m。 在 分 段 道 上 盘 布 置 盘 区 溜 井 ,分 段 道 与 矿 体 通 过 分 层 联 络 道 相 接 。 充 分 研 究 和 揭 示 充 填 体 的 力 学 特 性 及 充 填 体 与 围 岩 之 间 的 相 互 作 用 机 理 ,并 寻 找 合 理 的 评 价 方 法 , 是 优 化 采 矿 工 艺 和 降 低 充 填 采 矿 成 本 的 重 要 基 础 。 本 文 结 合 金 川 二 矿 区 的 充 填 采 矿 工 艺 详 细 论 述 了 胶 结 充 填 采 矿 法 的 充 填 作 用 机 理 与 稳 定 性 研 究 。 盘 区 上 、下 分 层 进 路 垂 直 交 错 布 置 ,分 层 断 面 规 格 宽 总 高 = 4 m 总 4 m ,进 路 断 面 规 格 宽 总 高 = 5 m 总 4 m ,原 则 上 进 路 长 度 不 超 过 50 m。 回 采 顺 序 为 先 上 盘 、后 下 盘 ,先 两 翼 后 中 间 ,后 退 式 回 采 。 回 采 方 式 为 隔 一 采 一 。 见 图 1。 [ 1 ] 1 金 川 二 矿 区 的 充 填 采 矿 方 法 金 川 二 矿 区 铜 镍 矿 床 属 超 基 性 硫 化 铜 镍 矿 床 , 盘 区 坚 持 强 采 强 充 的 开 采 方 针 ,正 常 情 况 下 盘 区 内 只 有 2~ 3 条 进 路 同 时 回 采 ,进 路 回 采 结 束 后 , 立 即 准 备 充 填 。 充 填 前 用 <6. 5 mm 的 钢 筋 敷 设 底 赋 存 于 海 西 期 含 矿 超 基 性 岩 体 中 。 矿 体 呈 似 层 状 , 走 向 N50°W ,全 长 1 600 m ,平 均 厚 度 98 m ,其 中 富 矿 长 1 300 m ,厚 69 m ;倾 向 SW ,倾 角 65°~ 75° ,西 部 较 陡 ,东 部 较 缓 ,矿 体 形 态 比 较 规 则 ,矿 体 顶 底 盘 围 岩 均 以 二 辉 橄 榄 岩 为 主 。 产 于 4 行 至 28 行 间 的 法 18 法 王 正 辉 ,金 川 镍 钴 设 计 研 究 院 ,高 级 工 程 师 ,737100 甘 肃 省 金 昌 市 。 高 谦 ,北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ,博 士 ,教 授 ,博 士 生 导 师 ,100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 30 号 。   王 正 辉 等 :胶 结 充 填 采 矿 法 充 填 作 用 机 理 与 稳 定 性 研 究 2003 年 第 10 期 筋 ,敷 设 网 度 400 mm 总 400 mm ;顶 底 板 间 吊 挂 <6. 5 mm 竖 筋 ,吊 挂 网 度 1 200 mm 总 1 200 mm ;顶 板 打 锚 杆 固 定 <100 mm 塑 料 充 填 管 路 。 之 后 在 进 路 口 用 粉 煤 灰 空 心 砖 封 口 ,并 喷 射 30~ 50 mm 厚 的 混 凝 土 。 见 图 2。 应 力 、变 形 监 测 和 有 限 元 数 值 模 拟 计 算 为 主 的 研 究 方 法 ,获 得 的 研 究 结 果 如 下 。 211 以 现 场 应 力 和 变 形 监 测 为 主 的 研 究 结 果 (1) 充 填 体 所 承 受 的 顶 板 压 力 为 3. 26~ 4. 6 MPa ,最 大 为 6. 2 MPa ,最 大 压 力 的 位 置 出 现 在 17 行 的 分 层 道 和 16 行 的 15 川 。 这 表 明 16~ 17 行 的 充 填 体 所 承 受 的 压 力 比 其 它 地 方 较 为 显 著 。 ( 2) 在 17 行 1 292~ 1 290 m 水 平 的 上 盘 充 填 体 的 压 力 为 2. 6 MPa ,充 填 体 的 抗 力 为 2. 2 MPa。 由 此 说 明 ,充 填 体 对 上 盘 围 岩 的 支 护 力 不 足 以 保 持 围 岩 与 充 填 体 的 平 衡 ,必 然 导 致 围 岩 在 围 岩 压 力 的 作 用 下 向 采 场 内 移 动 。 根 据 应 变 计 监 测 到 的 结 果 , 显 示 了 上 、下 盘 围 岩 向 充 填 体 内 移 动 约 14. 2 mm。 1 300 m 中 段 在 15~ 16 川 岔 口 处 巷 道 顶 板 在 1. 5 个 月 下 沉 12~ 14 mm 而 趋 于 稳 定 ;17 行 分 层 道 顶 板 下 沉 19 mm 接 顶 后 才 稳 定 。 图 1 二 矿 区 下 向 分 层 机 械 化 水 平 进 路 胶 结 充 填 采 矿 法 示 意 1 5 - 分 段 联 络 巷 ;2 - 分 段 道 ;3 - 溜 井 ;4 - 中 段 运 输 巷 ; - 分 层 联 络 巷 ;6 - 分 层 道 ;7 - 进 路 ;8 - 回 风 充 填 井 ; 9 - 中 段 运 输 巷 ;10 - 沿 脉 平 巷 ;11 - 沿 脉 回 风 道 ( 3) 充 填 体 内 钢 筋 纵 筋 的 拉 力 约 2. 75 MPa ;但 在 16 行 15 川 内 沿 进 路 轴 向 处 的 纵 筋 受 拉 力 达 17. MPa ;吊 筋 的 拉 力 为 6. 0~ 10. 2 MPa。 由 此 表 明 , 3 进 路 和 分 层 道 充 填 体 内 的 钢 筋 不 同 程 度 地 承 受 拉 应 力 ,以 致 维 护 充 填 顶 板 的 稳 定 性 。 但 不 同 位 置 的 充 填 体 钢 筋 承 受 不 同 的 拉 力 。 钢 筋 最 大 受 拉 巷 道 仍 处 WWW.KY114.CN 于 16 行 附 近 ,再 一 次 揭 示 了 该 位 置 的 采 场 围 岩 及 充 填 体 承 受 比 其 它 地 段 较 剧 烈 的 地 压 和 变 形 。 图 2 进 路 充 填 准 备 工 作 示 意 1 - 底 筋 (焊 网 ) ;2 - 吊 筋 ;3 - 锚 杆 ;4 - 空 心 砖 板 墙 ;5 - 充 填 2 12   有 限 元 数 值 分 析 方 法 的 结 果 采 用 高 浓 度 管 道 自 流 输 送 充 填 工 艺 或 泵 送 膏 体 为 了 进 行 充 填 机 理 和 稳 定 性 评 价 ,采 用 了 有 限 充 填 工 艺 ,充 填 骨 料 有 - 3 mm 棒 磨 砂 和 选 矿 尾 砂 , 元 数 值 分 析 方 法 ,分 别 对 17 行 横 剖 面 (垂 直 于 走 向 ) 及 14~ 22 行 纵 剖 面 (沿 走 向 ) ,针 对 不 同 的 回 采 方 案 进 行 了 有 限 元 数 值 模 拟 和 综 合 分 析 ,由 此 获 得 以 下 几 点 结 论 : # 胶 结 材 料 为 425 散 装 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ,辅 助 添 加 材 料 有 干 粉 煤 灰 。 当 采 用 高 浓 度 管 道 自 流 输 送 充 填 工 艺 时 ,充 填 骨 料 主 要 是 - 3 mm 棒 磨 砂 ,单 条 进 路 的 充 填 分 两 步 完 成 ,即 打 底 充 填 和 接 顶 充 填 。 打 底 充 填 砂 浆 重 量 浓 度 77 %~ 79 % ,灰 砂 比 1∶4 ,充 填 平 均 高 度 为 2. 0 m ,充 填 体 强 度 R28 ≥ 5 MPa ;接 顶 充 填 砂 浆 重 量 浓 度 77 %~ 79 % ,灰 砂 比 1∶6 ,充 填 体 强 度 R28 < 5 MPa。 当 采 用 泵 送 膏 体 充 填 时 ,充 填 骨 料 是 - 3 mm 棒 磨 砂 和 选 矿 尾 砂 ,添 加 材 料 是 粉 煤 灰 。 单 条 进 路 的 充 填 按 同 一 配 合 比 进 行 ,形 成 的 充 填 体 的 整 体 性 好 、基 本 不 分 层 , R28 ≥ 5 MPa。 ( 1) 在 沿 走 向 不 留 间 隔 矿 柱 (即 不 采 取 沿 走 向 每 隔 80 m 或 50 m 留 20 m 宽 垂 直 于 走 向 的 间 隔 矿 柱 ) 情 况 下 ,岩 体 (围 岩 、贫 矿 和 富 矿 ) 内 应 力 集 中 虽 然 局 部 相 当 大 (为 97. 99~ 326. 47 MPa) ,但 主 要 应 力 都 转 嫁 到 上 、下 盘 围 岩 内 ,也 就 是 高 应 力 区 都 集 中 在 靠 近 矿 体 和 充 填 体 接 触 带 的 围 岩 内 ,并 且 由 于 充 填 体 的 作 用 ,1 300 m 中 段 以 上 覆 盖 岩 层 的 下 沉 位 移 很 小 ,为 18~ 70 mm ,即 使 取 岩 矿 体 的 最 小 弹 性 模 量 ,这 个 下 沉 位 移 最 大 值 也 只 有 340~ 350 mm , 即 1 300 中 段 以 上 覆 盖 岩 层 的 最 大 沉 降 小 于 500 mm。“ 直 接 顶 板 ” (包 括 富 矿 护 顶 层 和 贫 矿 ) 的 下 沉 位 移 为 60~ 90 mm ,即 直 接 顶 板 的 沉 降 小 于 500 mm ,上 下 盘 闭 合 位 移 约 12 mm ,取 下 限 弹 性 模 量 , 法 19 法 2 机 械 化 下 向 分 层 水 平 进 路 胶 结 充 填 机 理 与 稳 定 性 研 究 为 了 揭 示 机 械 化 盘 区 下 向 分 层 水 平 进 路 胶 结 充 填 采 矿 法 开 采 时 ,充 填 体 的 作 用 机 理 和 矿 岩 的 稳 定 性 ,金 川 公 司 与 长 沙 矿 山 研 究 院 合 作 ,采 取 了 以 现 场 总 第 328 期 金 属 矿 山 2003 年 第 10 期 # 达 到 50~ 60 mm 左 右 。 1 矿 体 的 东 西 两 端 的 进 路 采 空 区 帮 壁 向 空 区 内 的 闭 合 水 平 向 为 90 ~ 110 mm ,取 下 限 弹 模 则 为 400~ 500 mm ,最 大 底 鼓 为 围 岩 中 的 最 大 主 应 力 和 位 移 量 增 大 ,塑 性 区 范 围 扩 大 ,但 在 充 填 体 较 为 均 匀 ,力 学 性 质 稳 定 时 ,对 采 场 整 体 稳 定 性 影 响 不 大 ; ④ 上 、下 中 段 同 时 回 采 ,存 在 两 中 段 交 界 部 位 的 应 力 集 中 现 象 。 2 6. 4~ 33 mm ,即 30 mm 左 右 。 若 取 下 限 弹 模 ,则 底 鼓 量 可 达 150 mm。 进 路 充 填 体 顶 板 的 沉 降 为 12 15 mm ,充 填 体 内 的 最 大 主 应 力 多 为 近 似 垂 直 顶 板 方 向 ,为 压 应 力 ,其 值 为 1. 8~ 7. 89 MPa。 2) 沿 走 向 留 间 隔 矿 柱 的 分 析 结 果 表 明 ,间 柱 (3) 三 维 离 散 元 分 析 结 果 表 明 : ① 对 于 有 矿 柱 回 采 方 案 ,充 填 体 似 乎 在 分 段 回 采 和 充 填 前 后 ,都 要 经 历 一 个 从 塑 性 屈 服 到 弹 性 卸 载 的 循 环 。 由 于 充 填 进 路 之 间 过 高 的 剪 切 力 ,会 使 某 些 地 方 产 生 局 部 破 坏 ,但 不 影 响 充 填 进 路 的 整 体 稳 定 性 ; ② 对 于 无 矿 柱 回 采 方 案 ,充 填 采 场 有 较 严 重 的 破 坏 发 生 ,破 坏 区 范 ~ ( 内 的 应 力 集 中 增 大 ,最 大 主 应 力 (压 ) 值 达 447. 94 MPa ,间 柱 内 基 本 上 都 处 于 高 应 力 区 及 塑 性 破 坏 区 。 # 2 13   实 测 数 据 与 有 限 元 分 析 结 果 的 比 较 表 1 现 场 监 测 数 据 与 有 限 元 分 析 结 果 比 较 围 大 致 为 :在 18 勘 探 线 附 近 沿 走 向 200~ 300 m , 延 深 大 约 75 m ,涉 及 1 225~ 1 150 m 水 平 。 破 坏 的 原 因 是 充 填 体 的 弯 曲 变 形 和 贫 矿 及 充 填 体 之 间 接 触 应 力 过 高 ,要 确 保 无 矿 柱 连 续 开 采 的 整 体 稳 定 性 , 需 要 采 取 一 些 特 殊 维 护 措 施 。 内 容 实 测 值 计 算 值 上 、下 盘 闭 合 位 移 最 大 底 鼓 位 移 值 9~ 14 mm 31 mm 12~ 50 mm 26~ 33 mm 进 路 充 填 体 顶 板 沉 降 量 19 mm 12~ 15 mm 充 填 体 内 垂 直 顶 板 方 向 的 压 应 力 5. 3 MPa 1. 8~ 7. 89 MPa 4   结 语   由 表 1 可 以 看 出 ,实 测 值 小 于 计 算 值 。 计 算 结 针 对 金 川 公 司 二 矿 区 的 下 向 机 械 化 盘 区 分 层 胶 结 充 填 采 矿 方 法 ,通 过 以 上 研 究 得 到 如 下 几 点 认 识 : (1) 由 于 充 填 体 的 刚 度 比 围 岩 和 贫 矿 小 很 多 , 充 填 体 将 被 充 填 体 与 周 围 岩 体 接 触 面 上 的 剪 应 力 所 支 撑 ;对 于 整 个 盘 区 或 单 一 分 层 的 开 采 顺 序 ,采 用 先 两 翼 后 中 间 的 后 退 式 回 采 顺 序 有 利 维 护 采 场 的 稳 定 性 ,减 少 片 帮 冒 顶 事 故 。 果 还 表 明 ,沿 走 向 不 留 间 隔 矿 柱 进 行 大 面 积 下 向 胶 结 充 填 ,在 稳 定 性 方 面 是 合 理 可 行 的 ;实 测 结 果 也 显 示 ,沿 走 向 不 留 间 隔 矿 柱 进 行 大 面 积 下 向 胶 结 充 填 是 稳 定 的 ,因 此 ,可 以 得 出 总 的 结 论 是 :沿 走 向 不 留 间 隔 矿 柱 进 行 大 面 积 连 续 下 向 胶 结 充 填 法 采 矿 ,有 WWW.KY114.CN 利 于 围 岩 自 承 能 力 的 持 续 稳 定 ,可 增 强 围 岩 的 自 承 能 力 ,改 善 围 岩 的 支 承 状 况 ,抑 制 上 覆 岩 层 的 沉 降 , 克 服 底 鼓 不 利 ,从 而 有 利 于 回 采 作 业 安 全 。 (2) 充 填 体 对 顶 部 贫 矿 顶 板 或 上 一 分 层 充 填 体 的 垂 直 阻 力 很 重 要 ,依 据 中 南 大 学 的 研 究 ,当 充 填 体 的 刚 度 与 贫 矿 的 刚 度 比 例 达 到 5 %时 ,即 使 原 岩 水 平 应 力 是 垂 直 应 力 的 2 倍 ,充 填 体 仍 能 有 效 地 控 制 顶 板 贫 矿 的 下 沉 和 破 坏 。 因 此 ,保 证 充 填 体 的 刚 度 和 均 匀 性 很 重 要 ,对 于 单 条 进 路 的 充 填 ,采 用 相 同 的 配 合 比 (自 流 充 填 ) 或 膏 体 充 填 有 利 于 保 证 充 填 体 的 整 体 稳 定 性 和 接 顶 率 ,提 高 充 填 体 对 顶 板 的 支 撑 能 力 。 3 二 期 无 矿 柱 大 面 积 连 续 开 采 稳 定 性 研 究 在 确 定 了 无 矿 柱 大 面 积 连 续 开 采 方 案 并 在 金 川 二 矿 区 一 期 工 程 得 以 顺 利 实 施 后 ,二 期 工 程 能 否 继 续 采 用 ,成 为 金 川 公 司 所 关 注 的 问 题 。 在 此 情 况 下 , 金 川 公 司 和 北 京 科 技 大 学 联 合 开 展 了 二 矿 区 二 期 工 程 的 无 矿 柱 大 面 积 连 续 开 采 的 稳 定 性 研 究 。 此 次 不 仅 对 深 部 的 工 程 地 质 条 件 进 行 了 现 场 的 位 移 监 测 ,而 且 首 次 采 用 了 三 维 有 限 元 和 三 维 离 散 元 进 行 数 值 分 析 和 稳 定 性 评 价 ,获 得 以 下 主 要 结 论 。 ( 3) 盘 区 间 不 留 矿 柱 开 采 (全 部 是 充 填 体 ) ,有 利 于 采 空 区 支 撑 体 的 连 续 性 ,避 免 了 因 为 有 矿 柱 (矿 体 ) 存 在 ,充 填 体 与 矿 柱 的 刚 度 差 异 过 大 而 造 成 的 采 场 局 部 应 力 集 中 。 ( 1) 深 部 岩 体 的 工 程 地 质 调 查 研 究 结 果 表 明 , 随 着 开 采 深 度 的 增 加 ,其 岩 性 状 况 没 有 发 生 明 显 变 ( 4) 采 用 上 下 分 层 交 错 布 置 的 回 采 方 式 和 充 填 # 化 ,只 是 在 1 矿 体 上 盘 的 大 理 岩 有 变 差 的 趋 势 。 工 艺 ,有 利 于 弥 补 自 流 充 填 时 打 底 充 填 和 接 顶 充 填 形 成 的 充 填 体 强 度 不 同 而 导 致 的 充 填 体 整 体 性 差 的 弊 病 。 ( 2) 基 于 三 维 有 限 元 分 析 结 果 表 明 : ① 采 用 沿 走 向 由 中 央 向 两 侧 推 进 的 回 采 顺 序 ,对 有 矿 柱 和 无 矿 柱 的 采 矿 方 案 ,比 较 采 场 围 岩 中 的 最 大 和 最 小 主 应 力 、塑 性 区 分 布 区 域 以 及 位 移 量 值 ,留 矿 柱 比 不 留 矿 柱 没 有 明 显 的 差 异 ; ② 充 填 体 在 整 体 上 是 稳 定 的 , 但 存 在 局 部 区 域 的 不 稳 定 现 象 ; ③ 充 填 不 接 顶 会 使 法 20 法 参 考 文 献 1 刘 同 有 ,等 编 著 . 充 填 采 矿 技 术 与 应 用 . 北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 , 2001 (收 稿 日 期 2003205207)
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