深部铜矿高阶段充填体强度设计及稳定性计算

邹南荣，尚振华，秦忠虎

(1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿， 福建 上杭县 364200；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

深部铜矿高阶段充填体强度设计及稳定性计算

邹南荣1，尚振华2，秦忠虎1

(1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿， 福建 上杭县 364200；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

为实现高阶段大体积充填体强度设计的双重目标，即在保障安全生产的前提下，降低充填成本、提高矿山生产效益，结合深部铜矿的实际生产条件及工程地质情况，采用工程经验法和多种理论分析方法设计了高阶段充填体的强度，并结合矿山具体的地应力环境和充填体力学参数，采用FLAC软件模拟和分析了24种分层高度下高阶段充填体的稳定性，模拟结果从力学角度上很好的验证了设计充填强度的结果，并明确了矿房采场的充填分层高度，为保障矿山的安全生产和降低充填成本提供了理论依据。

深部开采；高阶段充填；强度设计；数值模拟

0 引 言

我国矿山多为地下开采，随着矿体资源开采深度的增加，地压显现问题日益突出。充填法作为地下矿山主要的采矿方法之一，可以有效控制地压，尤其是可以明显改善甚至控制高阶段采场的地压问题[1]。设计合理的充填体强度和充填分层高度是保证矿山安全生产的基础，也是降低充填成本的必要手段。通常，矿柱充填体的作用在于充填采空区以及作为工作平台或工作顶板，其强度一般要求较低[2￣3]。矿房充填体将作为矿柱回采时的围岩，其强度关系到矿柱回采的安全和经济效益。从回采安全方案考虑，希望提高充填体的强度，而高强度的充填体必然增加成本，于经济效益不利。因此，存在一个充填体合理强度的问题，即需在安全和经济两方面找到平衡点，在安全的前提下尽可能的提高经济效益[4]。

紫金山金铜矿深部铜矿的埋藏深度较大，约为700 m，矿体赋存于强度较低的中细粒花岗岩和英安玢岩中，矿围岩节理裂隙和地下水较为发育，且存在较大的水平构造应力，约为竖向应力的1.5～1.6倍，加上其方向垂直于采场轴向，造成了开采过程中较为明显的地压问题。另外，采场厚度较大，约为50～75 m，且矿山采用大直径深孔法采矿，其阶段高度为100 m，因此，矿房采场充填体的强度设计对矿柱采场的安全回采至关重要。

为了兼顾安全和经济两个目标，矿房采场必须采用两种或以上强度的充填体分层充填。由于充填体自身受力情况与自身的材料配比、脱水情况、围压、采矿作业环境等多个因素有关。若综合考虑上述各个因素的作用并真实地模拟实际条件，将需要进行大量的综合测试及计算工作，因而在本文分析中，对现场条件进行合理假设和简化，采用工程类比和理论计算两种方法设计充填体强度，并利用数值计算设计最终的分层高度。

1 充填体强度设计

一般设计充填体强度的方法包括工程类比法、理论计算法、数值分析法3种[5]。由于工程类比法和理论计算法使用简便，故广泛使用于现场和科研。而数值分析方法计算过程较为复杂，不易掌握，常应用于科研方面。此处，采用工程类比和理论计算方法设计充填体强度。

1.1 工程类比法确定充填体强度

由于不同矿山的工程地质条件、矿围岩力学性质、原岩应力水平、采矿方法、充填方式等各异，设计的充填体强度也难免与工程实际需要有所差异，所以设计充填体强度需要根据现场实际情况进一步进行试验研究，最终确定满足实际需要的充填体强度。国内外部分矿山高阶段大体积充填体的配比设计及充填体强度见表1。

由于深部铜矿采用大直径深孔嗣后充填采矿法，矿房长×宽×高为(50～75)m×15 m×100 m，采用“隔三采一”的回采顺序，一步骤矿房采场胶结充填体的强度直接影响到二步骤矿柱采场的安全回采。根据表1中国内外部分高阶段大体积充填体强度设计实例，并结合深部铜矿的工程地质条件，初步设计一步骤矿房采场胶结充填强度范围应介于1～4 MPa之间，才能满足深部铜矿的充填体强度要求。

1.2 充填体强度的理论计算

充填体稳定性理论主要假定充填体和围岩的相互作用，进而计算出充填体内部压应力与其暴露参数之间的关系，进而确定出充填体保持稳定所需强度。本文主要采用蔡嗣经公式法[6]、Terzaghi模型法[7]、Thomas计算法、Mitchell 计算法、卢平计算法[8]、南非计算法、弹性力学分析法、岩土力学覆岩承重计算法等分别计算深部铜矿矿房采场胶结充填体的强度。由于篇幅有限，此处仅以Mitchell计算法为例加以说明，其计算公式为：

(1)

根据深部铜矿的实际情况，胶结充填体取不同灰砂比充填体的均值1.8 t/m3，内摩擦角取40°。由于采用100 m的阶段高度，充填体的强度首先需要满足其自立的要求，此时安全系数取值为1.0，此外，目前深部铜矿的矿房尺寸较大(长(50～75)m×宽15 m×高100 m)，且两个分段(分段高度50 m)全部回采完成后一次充填，为了确保矿柱采场的稳定性，考虑到深部铜矿存在较大的水平构造应力，且矿、围岩的岩体质量中等～较差，设计采用1.2倍的安全系数评估50 m分段高度的充填体自稳情况，以及采用1.5倍的安全系数评估100 m阶段高度的充填体自稳情况。充填体内垂直应力与充填高度之间的关系曲线见图1。

图1不同安全系数时不同计算方法的充填体底部压应力计算结果

从图1可以看出：采用100 m的阶段高度，充填体底部的垂直应力较大，约为3.0～3.5 MPa(1.5倍安全系数)，上部分段的垂直应力约为1.0～2.0 MPa、下部分段约为2.0～3.0 MPa。由于阶段底部需要布置11 m高的底部结构，设计在阶段底部充填10～15 m左右的高强度充填体，强度不小于3.0 MPa。

由于采用50 m的分段高度，且分段设有凿岩硐室，设计在分段部位也充填5 m左右的高强度充填体以保证凿岩硐室的稳定性，强度为2.0～3.0 MPa。

此外，由于阶段顶部的凿岩硐室将作为上一阶段的受矿硐室，考虑到大体积充填体的沉降问题，结合国内外类型矿山经验，设计在阶段的顶部凿岩硐室附近也充填5 m左右强度为2.0～3.0 MPa的充填体。

2 充填体分层高度设计

因为充填体不仅受自重的影响，还要受外力的作用，因此，采用数值模拟法计算充填体的合理强度和分层高度。

2.1 数值模拟方案

根据上述理论计算结果，矿房采场的充填体强度应从下到上依此递减，且顶部和中部凿岩硐室适当增加其强度。因此，数值模拟中底部、中部和底部的凿岩硐室位置附近的充填体强度为3.0 MPa，下部和上部分段位置的充填强度分别为2.0 MPa和1.5 MPa。

而分层高度的设计可以根据弹塑性力学中的圣维南原理初步确定。矿、岩体开挖后，只会使开挖面近处产生明显的应力扰动，而一倍开挖孔径以上扰动就会急剧减小，三倍孔径以上区域的应力扰动可以忽略不计。目前深部铜矿采用的出矿进路为3.8 m×3.8 m，而回采矿柱时将在矿房采空区的充填体中施工类似尺寸的进路，因此，矿房采空区底部充填体的分层厚度只需尽量确保矿柱采场的出矿进路安全即可。结合圣维南原理，其开采扰动在矿房采空区充填体3.8 m内产生明显扰动，而超过3.8 m扰动将会急剧减小，同时考虑经济因素和便于数值模拟对比分析，因此确定底部充填高度范围为5，10，15，20 m。采用同样的方法设计中部和顶部凿岩硐室的高强度充填体分层高度分别为0，5，10 m和0，5 m。

最后，采用参数正交设计，根据上述确定的充填体分层高度，确定了如表2所示的模拟方案，共计24个。

表2 充填体强度和分层高度的数值模拟方案

2.2 岩体物理力学参数的选取

根据充填配比试验得到的充填体抗压强度，并参考相关矿山胶结充填体的力学参数，分别采用表3对1.5， 2.0， 3.0 MPa充填体的物理力学参数进行数值计算。

表3 模型材料物理力学参数

2.3 数值模拟结果

为了保证充填体的自立，采用FLAC对各方案进行数值模拟，并提取充填体顶部、上部分段、中部凿岩硐室、下部分段、底部的压应力，并将各部位的应力与充填体强度比较。

本文仅以方案7和9进行说明，二者的垂直方向应力云图见图2。二者在数值上和云图的形状上差别并不大，前者顶部凿岩硐室没有充填高强度充填体，所以其承压能力较弱，上覆岩层的压应力基本由围岩分担，充填体内的压应力基本为0，而采用高强度充填体的方案9，顶部充填体可以承受部分上覆岩层的压应力，内部应力小于2.5 MPa。

图2垂直方向压应力云图

将各方案充填体不同部位的压应力结果汇总，得到图3～图5，从图中可以看出：

(1) 无论层高多少，底部充填体的压应力较大，但整体上不超过2.5 MPa，考虑到阶段底部需要布置11 m的底部结构，因此设计底部高强度充填体高度为15 m；下部分段充填体内部压应力随着底部高强度充填体分层高度的增加而减小，底部分层为15 m时，下部分段充填体内部压应力约为1.5 MPa左右，而设计的该部分充填体强度为2.0 MPa，可以满足安全需求。

(2) 中部凿岩硐室充填一定高度的高强度充填体可以显著的改善该区域附近的充填体稳定性，充填体强度与下部分段相同时，该部位的压应力约为1.75 MPa，其安全系数约为1.1左右，而充填高强度充填体后，该部位的压应力约为2.0 MPa，其安全系数约为1.5左右。所以，设计中部凿岩硐室充填5～10 m的高强度充填体；在以上前提下，上部分段充填体内的压应力约为1.2～1.3 MPa，小于设计的充填体强度值1.5 MPa，可以满足安全需求。

(3) 不同方案时，顶部凿岩硐室内部的压应力存在明显差别。在以上充填分层的基础上，顶部充填高强度充填体时，其压应力约为1.2 MPa，安全系数可以达到2以上，而充填与上部分段强度相同的充填体时，其内部压应力略小，约为1.1 MPa，但安全系数只有1.4左右，所以，设计顶部也充填5 m左右的高强度充填体。

图3 底部和下部分段的充填体压应力

图4 中部凿岩硐室和上部分段的充填体压应力

图5 顶部凿岩硐室的充填体压应力

3 结 论

(1) 依据国内外矿山工程实例中高阶段大体积充填体的强度，结合深部铜矿高阶段、大尺寸采场回采现状，并根据深部铜矿现场条件，得出一步骤矿柱的采空区顶部和底部均应采用高强度的充填体，强度为3.0～4.0 MPa。

(2) 综合运用蔡嗣经公式法等6种充填体强度理论计算方法分析了不同高度下充填体内的压应力分布情况，认为充填体底部的垂直应力约为3.0 MPa，下部和上部分段的垂直应力分别为2.0～3.0 MPa和1.0～2.0 MPa。

(3) 采用FLAC软件模拟分析了24种不同分层厚度下矿房采场胶结充填体的稳定性，得出了高强度充填体的分层高度，分别为底部充填高度15 m左右，中部凿岩硐室充填高度5～10 m，顶部凿岩硐室充填高度5 m左右。

(4) 通过运用工程类比法、理论分析和数值计算3种方法设计、分析并得到了深部铜矿高阶段充填体的强度参数和分层厚度，降低了矿山的充填成本，并为矿山的安全生产提供了理论依据。

[1]郭利杰,杨小聪.深部采场胶结充填体力学稳定性研究[J].矿冶,2008,17(3):10￣13.

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[3]朱志彬,刘成平.充填体强度计算及稳定性分析[J].采矿技术,2008,8(3):15￣17.

[4]杨耀亮,邓代强,惠 林,等.深部高大采场全尾砂胶结充填理论分析[J].矿业研究与开发,2007,27(4):3￣4.

[5]曾照凯,张义平,吴 刚,等.基于正交优化的胶结充填体强度试验研究[J].有色金属(矿山部分),2010,62(3):6￣8.

[6]曾照凯,张义平,王永明.高阶段采场充填体强度及稳定性研究[J].金属矿山,2010,39(1):31￣34.

[7]蔡嗣经.胶结充填材料的强度特性与强度设计(Ⅰ)—胶结充填体的强度设计[J].江西理工大学学报,1985(3):44￣51.

2017￣08￣28)

邹南荣(1974-)，男，福建上杭人，采矿工程师，主要从事采矿技术方面的研究，Email：zounanrong.zjky@163.com。