上向进路充填采矿法最佳充填接顶率研究

刘发平 陈宪龙

(马钢(集团)公司姑山矿业有限责任公司)

上向进路充填采矿法最佳充填接顶率研究

刘发平 陈宪龙

(马钢(集团)公司姑山矿业有限责任公司)

为解决白象山铁矿在上向进路充填采矿过程中充填接顶效果不理想的问题，对该矿山的充填接顶率进行了研究。运用MIDAS/GTS有限元软件模拟分析二步进路采场开采时，一步进路采场不同充填接顶率胶结矿柱受力状况，并对胶结矿柱安全稳定性进行评价，对不同充填接顶率进行分析，从而确定最佳充填接顶率。当二步进路采场开采时，一步进路采场80%充填接顶率胶结矿柱抗拉安全系数为2.03，抗压安全系数为1.28，综合安全系数为1.6，为该矿上向进路充填法的最佳充填接顶率。该研究为其他矿山科学提高充填接顶率提供了一种全新的指导方向。

充填 最优充填接顶率 有限元分析 综合安全系数

白象山铁矿由于地质条件复杂，因而采用了灵活性大和安全性好的上向进路充填采矿法进行采矿。实践中，上向进路充填法的充填接顶效果不理想，接顶率太低，使顶板实际暴露面积增大，在进行二步回采时，胶结矿柱易受采动影响导致偏帮、倒塌。因此，进路充填接顶率合理与否成为决定该方法能否使用的制约因素。

研究结合白象山铁矿矿体产状、进路结构参数、矿岩及充填体物理力学参数等现场数据，构建了不同充填接顶率的进路三维模型，研究不同充填接顶率矿柱受力状况和稳定性，确定最优充填接顶率，实现生产安全、并为矿山如何科学提高充填接顶率提供理论依据。

1 不同充填接顶率进路三维模型构建

在建立采矿模型的过程中，回采进路的未接顶高度为0.5 m，同时简化处理未充填区的曲面,将充填进路接顶率按线性计算[1]。基于充填接顶率超过50%即可确保顶板的稳定性，以采场顶板安全为前提，建立5个胶结矿柱三维模型，其采场充填体接顶率分别为50%、60%、70%、80%和90%，胶结矿柱模型见图1。

图1 充填接顶率胶结充填矿柱三维模型

2 确定最优充填接顶率

2.1 研究背景

白象山铁矿储量丰富，但矿体顶板为极复杂富水带，是“三下”难采矿体。矿体埋深305 m，水平厚度40.5 m，倾角36.5°。根据矿体勘探情况和防治水工程现状，拟采用上向进路充填采矿法回采矿体。以矿体产状和开拓现状为依据，沿走向布置进路，进路长度50～60 m，断面4 m×6 m。本次模拟的力学参数见表1。

表1 矿岩及充填体力学参数

2.2 构建矿体三维模型

大型有限元分析软件—MIDAS/GTS功能十分全面，广泛应用于矿山矿体模拟和受力分析[2-5]。本次模拟所采用本构模型摩尔-库伦准则，并将矿体、围岩以及充填体假定为弹塑性材料[6-8]。

本研究根据各进路充填接顶率的不同，创建相对应的矿体模型，根据模拟原则，相同实体网格的划分需一致，见图2。

图2 三维模型图

2.3 数值模拟结果分析

本次模拟结合具体矿山岩石力学参数，研究二步开采时，采动对已充填一步采场不同充填接顶率充填矿柱稳定性的影响，从而确定最优充填接顶率。研究共创建了5个不同充填接顶率胶结矿柱的矿体三维模型，5个模型的数值分析结果见表2。

表2 不同充填接顶率胶结充填矿柱的应力结果

从表2可以看出，二步采时，一步采胶结矿柱的两端会产生拉应力集中现象，而接顶的区域出现了压应力集中现象。拉应力是造成充填体破坏的重要因素[9]，因此划分应力集中区域时，拉应力产生的区域都将视为拉应力集中区域，压应力集中区域为压应力峰值产生区域。从应力云图1可以看出拉应力集中区域远远大于压应力集中区域。当充填体的接顶率达50%，拉应力集中区域占矿柱体积的7.2%，拉应力峰值为0.169 MPa，在矿柱的承受范围内，而压应力峰值为2.48 MPa，远大于最大抗压强度，这表明由于充填体接顶率较小，胶结矿柱产生了局部脱落现象，大大影响了生产作业。随着充填接顶率的增大，拉应力和压应力峰值都逐渐减小，然而拉压应力集中区域出现增大的趋势，这表明矿柱与矿体顶板之间的作用在增强。当充填体接顶率达到80%时，拉应力和压应力集中区域分别为矿柱的16.6%和0.7%，拉应力集中区域继续增大，压应力集中区域则达到了5个模型的最大值，同时拉应力和压应力峰值分别为0.123和1.92 MPa，都在胶结充填矿柱的理论承受范围内。当充填接顶率大于80%，拉应力集中区域持续增大，但压应力集中区域出现了下降趋势，这表明胶结矿柱对矿体顶板支撑作用变大，压应力变小，顶板更安全稳定。

2.4 矿柱综合安全系数计算

由于胶结矿柱的抗拉强度小，而且充填料在进入地下采场时，由于胶凝材料水化不完全和胶凝材料流失等原因，致使充填体的实际力学强度比实验室所测定的值小。因此，虽然绝大多数模型一步已开采进路胶结矿柱的拉应力和压应力都在理论承受强度范围内，但由于应力集中区域的广泛性和真实力学强度的缩小，需对矿柱的安全可靠性进行考量。

在相关学者的研究基础上，结合安全系数Fs的意义，提出了矿柱综合安全系数Fz[10-12]，即综合考虑矿柱的抗拉、抗压安全系数与拉、压应力集中区域大小的安全系数，其计算方法见式(1)、式(2)，计算结果见表3。

(1)

(2)

式中，[στ]为矿柱抗拉强度，MPa；[σs]为矿柱抗压强度，MPa；Fτ为抗拉安全系数；Fs为抗压安全系数；Vτ为各模型拉应力集中区域体积百分比；Vs为各模型压应力集中区域体积百分比。

表3 不同充填接顶率胶结矿柱模型综合安全系数Fs评价

2.5 确定最优充填接顶率

综合比较各不同充填接顶率胶结矿柱综合安全系数评价情况，认为针对该矿开采条件及岩石力学性质，当充填接顶率达到80%时，其一步采胶结矿柱抗拉安全系数为2.03，抗压安全系数为1.28，综合安全系数为1.60，相比其他低接顶率的胶结矿柱安全性较高，相较于完全接顶充填成本降低，且充填技术难度降低，故选定80%为白象山铁矿最优充填接顶率。

3 结 论

(1)提出了构建不同充填体接顶率进路三维模型方法，建立了5个不同充填体接顶率胶结矿柱三维模型。

(2)根据采矿现场的具体回采条件，采用MIDAS/GTS模拟软件，并重点研究分析了5个不同充填体接顶率的三维矿体模型的受力情况，并与传统抗拉抗压安全系数结合，提出用综合安全系数来评价不同充填体接顶率的胶结矿柱的安全性。胶结矿柱的接顶率是影响矿体稳定性的重要因素。

(3)当充填接顶率达到80%时，其一步采胶结矿柱抗拉安全系数为2.03，抗压安全系数为1.28，综合安全系数为1.60，相比其他低接顶率的胶结矿柱安全性较高，相较于完全接顶充填成本降低，且充填技术难度降低，为该矿尾砂胶结上向进路充填法的最优充填接顶率，为其他矿山提高充填接顶率提供了一种全新的指导方向。

[1] 李洪兵，谷新建，宋嘉栋，等.郑家坡铁矿隔水矿柱厚度的确定[J].矿业工程研究，2013(3)：34-38.

[2] 张钦礼，罗怡波，柯俞贤.露天转地下开采地表沉降安全性分析[J].中南大学学报,2013(8):3441-3445.

[3] 周先贵，曹金国.岩土力学数值方法研究进展[J].建筑技术开发，2002(8)：15-18.

[4] 侯恩科，吴立新，李建明，等.三维地学模拟与数值模拟的耦合方法研究[J].煤炭学报，2002(4):388-392.

[5] 李明超，钟登华，秦朝霞，等.基于三维地质模型的工程岩体结构精细数值建模[J].岩石力学与工程学报，2007(9):1893-1898.

[6] 廖 异,曾祥国.Hoek-Brown岩体非线性强度的线性化方法[J].中南大学学报,2012(12):205-210.

[7] 蒋青青.基于Hoek-Brown 准则点安全系数的边坡稳定性分析[J].中南大学学报，2009(3):786-790.

[8] Priest S D. Determination of shear strength and three-dimensional yield strength for the Hoek-Brown criterion[J].Rock Mech Rock Engng,2005(4):299-327.

[9] 韩 斌.金川二矿区充填体可靠度分析与1#矿体回采地压控制优化研究[D].长沙：中南大学，2004.

[10] 曹 平，邓志斌，陈 枫.边坡稳定性任意条分发中安全系数的计算[J].中南大学学报，2005(2):302-306.

[11] 郑颖人，赵尚毅.边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J].岩石力学与工程学报，2006(9):1937-1940.

[12] 林 杭，曹 平，李江腾.基于广义Hoek-Brown 准则的边坡安全系数间接解法[J].煤炭学报，2008(10):1147-1151.

补 充 说 明

现代矿业2015年第7期刊登的文章《浙江省萤石矿选矿现状及发展探讨》是龙礼珠、王云土2位作者共同的科研成果。该论文补充增加第2作者“王云土”，第2作者单位为“浙江省工业设计研究院”，特此补充说明。

《现代矿业》杂志社

2015年8月12日

Research on the Optimal Roof-contacted Filling Ratio of Upward Drift Stoping with Backfill

Liu Faping Cheng Xianlong

(Masteel (Group) Gushan Mining Co., Ltd.)

In the process of upward drift stoping with backfill in Baixiangshan iron mine, the roof-contacted effect is not perfect,the roof-contacted filling ratio of the mine is researched.The MIDAS/GTS finite element software is applied to analyze the stress condition of the first-step approach stope cemented pillars that have different roof-contacted filling ratio when the second-step approach stope are conducted.Besides that, the security and stability of the cemented pillars are evaluated, and the different roof-contacted filling ratios are analyzed in depth so as to determine the optimal roof-contacted filling ratio.when the second-step approach stope are conducted,the tensile safety coefficient of the first-step approach stope cemented pillars with 80%roof-contacted filling ratio is 2.03, the compressive strength factor of safety is 1.28, the synthesized safety coefficient is 1.60. The above research results can provide a brand-new direction for the other mines to improve the roof-contacted filling ratio scientifically.

Filling, Optimal roof-contacted filling ratio, Finite element analysis, Synthesized safety coefficient

2015-05-18)

刘发平(1979—)，男，副矿长，工程师，243181 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。