中关铁矿嗣后充填体强度优化及地表沉降研究

刘 鑫，李富平，裴 博， 韩耀东，马 宁

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北 沙河 054100）

由于中关铁矿为大水矿山，矿体形态复杂，围岩稳定性差。为保证帷幕带的稳定，设计采用嗣后充填采矿法来控制岩体变形。系统地研究充填材料之间的合理配比，确定合理的充填体强度，使地表沉降得到有效控制。

1 开采参数设定及回采顺序优化

为确定合理的采场结构参数，建立了2个模型。模型l：矿房跨度25m，间柱宽8m。模型2：矿房跨度35m，间柱宽10m。通过模拟得到矿体关键部位的应力、位移值见表1。

表1 开采结束后的采场应力，位移结果

根据分析可知，模型1的稳定性好，因此建议采用模型1的结构参数。

根据矿体实际情况，此次模拟了两种回采方案：①采用从北向南的前进式回采，每次开采两个矿块；②从矿体两侧向中间回采，每次同样开采两个矿块。

两种不同的回采顺序都采用四个步骤的开采方式进行模拟，每一步开采后得到的数值进行模拟计算后可以得到对应的主应力分布图。通过模拟分析开采过程中最小、最大主应力分布情况，可得出方案1和方案2都会出现应力集中现象，但方案2的应力重分布使得下盘岩体起到支撑作用且相比较方案1其最低主应力在上下盘都有缓和。最终可得出方案2更利于采场稳定。

2 充填体配比研究

根据3因素3水平正交组合试验设计（A为料浆质量浓度、B为灰砂比、C为掺灰量），实验得泌水率、7d和28d抗压强度试验结果见表2。

表2 试验结果

由上表试验结果可知，试验方案所有分组的充填料浆的泌水率范围均在2.77%～16.63%。其中第1、2和3组的泌水率均大于15.52%。影响泌水率大小的顺序为：C＜B＜A，即主要由含水量决定。

3 强度试验结果分析

3.1 7d强度试验结果分析

由图1（充填体7d抗压强度效应曲线）可知：抗压强度值随着灰砂比的减小和粉煤灰掺量的增加而逐渐降低；抗压强度值随着料浆质量浓度的增加而逐渐增大。

图1 7d抗压强度随三因素变化曲线

图2 28d抗压强度随三因素变化曲线

3.2 28d强度试验结果分析

如图2所示为充填材料在28d实验条件下，材料所具备的抗压程度和三点因素之间的变化规律曲线图，28d抗压强度的最佳组合为A3B1C1，影响大小顺序为A＞C＞B。

3.3 试验结果讨论

通过试验可优选出最佳配比方案为A3B1C1的全尾砂充填材料，即掺灰量为10%，灰砂比为1：4，料浆质量浓度为74%。

充填体在该配比下的泌水率小，且充填体强度符合实际需求，同时充填成本具有很好的经济性。

4 结论

通过上述模拟分析得到中关铁矿最佳采矿结构参数为：矿房间柱8m，跨度25m。通过模型比对，为更好地保持采场的稳定性、改善应力分布状态，可选择从矿体两侧向中央回采。由模型分析可知，在实际生产过程中应有重视矿房和上盘岩体的隅角，因为此处区域最不稳定，会有应力集中现象。