挑水河磷矿两步骤回采充填体力学参数反演

郑桂春，王学梁，张 龙，胡建华，郑明华，赵 磊

(1.湖北三宁矿业有限公司，湖北 宜昌 443100； 2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 430081)

1 前言

矿山充填开采已经成为地下资源开发利用的重要途径，合理确定充填体的强度参数事关安全和经济效益的平衡，是采矿参数中重要的指标之一[1]。利用数值分析的方法可以对不同条件下的充填体强度进行分析，获取合理的嗣后充填强度控制指标[2～5]。利用超前分析合理确定充填体的力学强度控制指标，已经成为矿山嗣后充填的关键途径。以湖北三宁矿业挑水河磷矿为对象，在不同配比的充填体力学参数基础上，利用数值反演分析确定充填体的强度控制指标，是保障矿山安全高效开发利用的重要依据之一。

2 工程概况

挑水河磷矿位于宜昌市夷陵区樟村坪镇，矿区面积约23.42km2，矿区以F4断层分为东部矿区和西部矿区。目前挑水河磷矿保有贮量约为2亿t，矿区矿体为缓倾斜薄到中厚矿体，平均厚度4m。矿区工业磷矿层均埋藏于当地侵蚀基准面以下，其埋深81.67～614.75m，平均254.27m，采用地下开采。矿山采用盘区全厚度条带式开采，隔一采一回采顺序，废石与尾砂胶结复合充填方法。

《挑水河磷矿胶结充填材料性能与配比优化研究报告》中测定物理力学参数的有4种不同配比的充填体：ADII- 32.5、ADIII- 42.5、ADP- 32.5和ADP- 42.5，其养护条件为标准养护条件，养护龄期均为28d，物理力学参数见表1。

表1 四种不同配比的充填体力学参数

3 模型构建与分析

在矿山地质基础数据的基础上，建立了全区域的矿体三维模型，以首采矿段的采场为研究对象，建立三维力学模型。在DIMINE软件中截取符合设计开采方法的矿体，要求矿体平均厚度4m，适合矿山设计的全厚度开采方案。建立条带宽度7m的三维网格模型，如图1所示，带入上面4种充填体力学参数进行数值模拟，计算步骤为隔一采一，按照采—充—采的工艺进行模拟。

图1 计算网格模型

运用DIMINE- MIDAS/GTS- FLAC3D耦合技术对以上方案进行计算，计算获得了采充过程的最大和最小主应力、位移以及塑性区分布图，见图2、图3。

图2 充填体塑性区状态云图

图3 充填体拉应力状态云图

对上述试验的4种充填配比材料，分析其产生的塑性区体积、最大拉应力、最大剪应力和最大压应力，统计计算后的结果如表2所示。

通过对比以上4种充填体计算后的剪切破坏塑性区、最大拉应力、最大压应力和最大剪应力可知，ADIII- 42.5这种强度的充填体力学性质最好，二步回采后的采场稳定性最高。为节省充填成本，将对这种充填体进行优化反演，计算出采场稳定的边界强度。

表2 四种充填体计算后的应力及塑性区

4 正交实验反演分析

以弹性模量、内摩察角、内聚力和抗拉强度，设计四因素三水平的正交实验进行对比。继续运用有限元分析的手段进行试验，比较各种强度充填体的剪切破坏塑性区、拉应力、压应力和剪应力，结果见表3。

利用极差分析方法对以上统计结果进行分析，得出充填体力学参数最优值，由于井下环境变化的复杂性，充填体强度也要适应不同的应力环境，根据相应的地应力值，设计一个合理的充填体应力范围，见表4。

5 结论

(1)以三宁矿业挑水河磷矿条带宽度7m为基础，在矿山实验配制的4种充填体材料基础上，运用数值分析的方法分析了4种充填体二步回采之后的采场稳定性，提出了嗣后充填开采稳定性最好的充填配比参数为ADIII- 42.5。

表3 正交实验方案及结果

表4 充填体力学参数最优值及合理范围

(2)基于AD III- 42.5配比，设计了充填体强度参数反演的正交实验方案，计算获得了二步回采后采场稳定的充填体边界强度，提出了该矿地应力环境下充填体的合理强度参数范围，可用于指导挑水河磷矿生产。