厚大矿体充填法开采的全尾砂胶结充填体强度设计

盛 佳,汪 洋,孟艳平,周益龙,李向东

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012;2.山东黄金集团盛大矿业有限公司,山东莱州市 261439;3.崇礼紫金矿业有限责任公司, 河北崇礼县 076350)

厚大矿体充填法开采的全尾砂胶结充填体强度设计

盛 佳1,汪 洋2,孟艳平3,周益龙1,李向东1

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012;2.山东黄金集团盛大矿业有限公司,山东莱州市 261439;3.崇礼紫金矿业有限责任公司, 河北崇礼县 076350)

针对崇礼紫金矿业东坪矿区70号脉厚大矿段采用的两步骤分段空场回采嗣后充填采矿法,通过经验类比和理论分析,设计了一步骤全尾砂胶结充填体强度。为验证所设计的充填强度是否合理,进行了采场充填体强度检验。

胶结充填;强度设计;钻孔取样;强度检验

崇礼紫金矿业东坪金矿矿体赋存在蚀变的二长岩、石英岩中,含金石英脉侧为硅钾化蚀变岩型矿石。矿体为缓倾斜至倾斜厚大矿体,主要矿脉有1, 2,22,27,70号矿脉。对70号矿脉1224～1304水平11～27线之间的厚大矿段,采用两步骤分段空场回采嗣后充填采矿法开采,沿矿体走向100 m划分为一个盘区,一步骤采场10 m,全尾砂胶结充填;二步骤采场20 m,分段中深孔回采嗣后非胶结充填。二步骤回采时,两侧均为胶结充填体,每侧充填体侧向暴露面积达3000～4000 m2。

1 胶结充填体强度设计

胶结充填体的强度设计因矿山而异,一方面取决于矿山开采技术条件、充填技术水平以及充填材料的强度特性等技术因素,另一方面取决于矿山开采成本与效益等经济因素。崇礼紫金矿业东坪矿区矿床开采过程中,其一步骤采场回采后充填形成的胶结充填体强度大小及稳定性对二步骤回采及顶底柱的回收至关重要,设计合理的充填体强度需要从技术、经济等方面考虑。确定胶结充填体所需强度的方法很多,本文通过国内外经验类比和理论分析进行其强度设计。

1.1 类比法

通过对国内外类似开采技术条件的部分矿山采场充填体强度调研,类比分析崇礼紫金东坪矿区厚大矿体一步骤采场回采充填后形成的胶结充填体设计强度达2 MPa以上,即充填灰砂比为1∶6～1∶8,能够满足矿山采矿方法的要求。

1.2 理论分析计算

根据充填体现场调查和强度试验结果,主要分析测试配比为1∶8的充填体稳定性。东坪金矿厚大矿体平均真厚度为40 m,水平厚度平均为54 m,二步骤回采采场揭露的充填体暴露的最大铅垂高度为54 m,灰砂比为1∶8的充填体强度参数c为0.15 MPa,φ为40°,v为0.25,充填体容重γ为2.2 t/m3,充填体与围岩间的内聚力与摩擦角计算时与充填体的值相同,充填体沿走向长度即矿房宽度b为10 m。

本文采用经验公式、Terzaghi模型法和卢平计算等方法分析不同结构参数条件下充填体的受力状况。

1.2.1 蔡嗣经经验公式方法

蔡嗣经教授对国内外矿山实际的充填资料进行分析,回归出经验公式,得出胶结充填体的强度与充填体的高度的关系曲线是半立方抛物线,见图1。

图1 胶结充填体强度设计的经验曲线

式中:y——胶结充填体矿柱之高度,m;

a——系数,取600;

x——胶结充填体之强度,MPa。

东坪矿区缓倾厚大矿体,矿体水平厚度60～100 m左右,铅垂高度60 m以上,采用胶结充填法二步骤回采时暴露的充填体铅垂高度在60 m以上,考虑安全系数,设计充填体强度要达2 MPa。

1.2.2 Terzaghi模型方法

根据假定,在距充填体顶部为H处,垂直应力分量σV与水平应力分量σH均为常量,其模型为:

式中:σV——充填体所受的垂直应力分量,MPa;

γ——充填体容重,g/cm3;

C——充填材料的内聚力,MPa;

L,B——充填体长度和宽度,m;

H——距充填体顶部的距离,m;

φ——充填材料的内摩擦角,°;

k——充填体侧压系数。

充填体不同暴露宽度和高度条件下的应力计算结果见表1。不同暴露宽度下充填体内应力变化曲线如图2所示。

表1 充填体不同暴露宽度和高度条件下的应力计算结果

根据采矿方法回采工艺和回采参数,表2中第4列第5行至第8列第11行的部分数值为矿山回采时需要的充填体强度值(0.425～0.658 MPa),为了保证二步骤采场回采时充填体的稳定,考虑安全系数,Terzaghi模型方法充填体强度设计值为0.85～1.136 MPa。

图2 不同暴露宽度情况下充填体内应力随高度变化曲线

1.2.3 卢平计算方法

由于Thomas算式模型中只考虑了充填体的几何尺寸和充填体的容重,而对于充填材料的强度特性没有加以考虑。卢平在Thomas算式的基础上,提出了修正模型。

式中:k——侧压力系数;

C1——充填体与围岩间的内聚力,MPa;

φ1——充填体与围岩间的摩擦角,°;

C——充填体的内聚力,MPa;

φ——充填体的内摩擦角,°。

根据上式计算得充填体不同暴露宽度和高度条件下的应力计算结果见表2。不同暴露高度下充填体内应力变化曲线如图3所示。

表2 充填体不同暴露宽度和高度条件下的应力计算结果

根据回采工艺及参数,并参照表2,矿山回采时需要的充填体强度值范围为0.388～0.564 MPa,考虑安全系数,卢平计算方法得出的充填体强度设计值为0.776～1.128 MPa。

图3 不同暴露宽度条件下充填体内应力随高度变化曲线

综合上述计算,充填体的强度设计值为0.776～1.136 MPa,从安全角度考虑,按类比法取其设计强度为2.0 MPa是合理的。

2 现场充填工艺试验

2.1 主要充填工艺试验

崇礼紫金矿业东坪矿区全尾砂胶结充填系统于2010年6月建成并调试进行生产。现场充填工艺试验采场安排在1224中段15线附近,分段空场回采一步骤采场出矿完毕后,进行一步骤15N17、15S13两个采场全尾砂胶结充填,首先用挡墙封密一步骤采场受矿堑沟和各装矿进路出口及分段出矿巷的出口,并安装采场脱水管到上一中段。为了兼顾充填成本和回采二步骤采场时充填体的稳固性,两采场底部结构采用1∶4的灰砂比进行胶结充填,从底部结构往上至1264水平采用1∶6的灰砂比胶结充填,采场中上部采用1∶8的灰砂比进行充填,充填到1264水平以上10 m高,其上部空间至1304水平采用1∶10的灰砂比进行充填。15N17、15S13两采空区于2010年底全部充填。

2.2 充填体钻孔取样强度检测

为了验证不同的灰砂比条件下充填体强度,全尾砂胶结充填后1个月进行采场充填体抗压强度试验,检验其强度是否达到设计标准和满足采矿方法的要求。在1224中段15N17采场的底部结构及第一、二、三分段出矿进路中进行1∶4及1∶6灰砂比的充填体取样。在1264中段穿脉巷道中进行1∶8灰砂比的充填体取样。充填体取样采用的钻头直径为90 mm,钻杆长度为900 mm,取得的样芯经过加工进行抗压强度试验,试验取样样芯单轴抗压强度见表3。

3 结 论

(1)东坪金矿两步骤分段空场嗣后充填采矿法采场,一、二步骤采场底部采用1∶4的灰砂比,充填高度为12 m(从中段巷道底板标高算起);一步骤采场中下部采用1∶6的灰砂比,充填高度为28 m;采场中上部采用1∶8的灰砂比,充填高度为10 m。设计充填体28 d强度达2 MPa,充填体强度能够满足采矿方法的要求。

表3 充填体取样样芯强度参数

(2)Terzaghi模型方法计算充填体高度为35～70 m、暴露宽度为40～60 m时,充填体底部应力为0.428～0.658 MPa;卢平修正Thomas公式计算充填体高度为35～70 m、暴露宽度为40～60 m时,充填体底部应力为0.338～0.564 MPa。理论方法计算表明,回采时充填体受力没有超过充填体设计强度,充填体在回采过程中基本处于稳定状态。

(3)通过现场充填体钻孔取样强度检测可知,一步骤胶结充填体能达到强度设计要求,能满足采矿生产工艺要求。

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2012-06-07)

盛 佳(1982-),男,湖南长沙人,硕士,工程师,主要从事采矿技术研究工作。