充填体强度计算及稳定性分析

ＩＳＳＮ　１６７１—２９０ｏ　采矿技术第８卷第３期　２００８年５月　ＣＮ　４３—１３４７／ＴＤ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．８，Ｎｏ．３　Ｍａｙ．２００８　充填体强度计算及稳定性分析　朱志彬，刘成平　（湖北三鑫金铜股份有限公司，　湖北大冶市４３５１００）　摘要：三鑫公司通过应用新型尾砂胶结材料，充填体质量性能有了明显的改善，胶结充　填体的强度和自立高度能够满足采矿方法的要求。采用类比法、模型法等充填体强度计　算方法计算了充填体保持稳定的强度。通过矿房胶结充填体的稳定性分析为二步矿柱回　采方案和结构参数的确定提供了理论依据，生产中从技术和经济等方面考虑设计合理的　一步骤矿房回采充填体强度，降低了充填成本。　关键词：充填工艺；新型尾砂胶结材料；充填体强度；充填体稳固性分析　湖北三鑫金铜股份有限公司（简称三鑫公司）　混凝土结构半球形底立式砂仓、一座４６　ｍ／３００　ｔ水　是中国黄金集团控股的大型黄金矿山企业，位于大　泥仓的分级尾砂充填系统，充填生产能力为６０　冶市城西３．５　ｋｍ处。其前身鸡冠嘴金矿于１９８８年　ｍ　／ｈ。经过三期工程建设井下生产能力达６０万　建矿，生产规模为２００　ｔ／ｄ，经过二期、三期扩建，在　ｔ／ａ，为了确保采、充平衡，充填系统经过技术改造，　十几年的生产建设中发展壮大，现辖区有鸡冠嘴和　新建一座５００　ｍ　钢结构的立式砂仓，保证了分级尾　桃花嘴两大矿区，生产规模２２００　ｔ／ｄ，采选矿石７０　砂制备能力，充填生产能力达１００　ｍ　／ｈ左右。充填　万ｔ／ａ。年产金１１００　ｋｇ，产铜１００００　ｔ，副产标硫　系统工艺流程见图１。　４５０００　ｔ，铁精矿６００００　ｔ。　胶结充填系统立式砂仓放砂浓度控制在６８％　～１　充填工艺　７５％之间，胶凝剂经灰仓双螺旋给料机经冲量流　量计计量后送人搅拌桶，经搅拌桶制备好的充填料　三鑫公司一期工程建设一座卧式砂仓充填系　浆通过充填井的４１２１　ｍｍ陶瓷复合钢管、４１０８　ｍｍ　统，因生产能力的扩大，不适应井下充填的需要，三　无缝钢管及４１０８　ｍｍ聚乙烯管等充填管路自流输　鑫公司二期扩建工程建设时建有两座４８　ｍ／６４０　ｍ　送至充填采场。　３　３　压风警——・一　水管——－一　图１充填工艺流程　１一立式砂仑２一水泥仑３—３×４　５Ｏ水力旋流器组４一双螺旋给料机５一冲板流量６－－ｑ￣２０００　ｘ　２２００高速搅拌机７一电磁　流量计　８—　射线料浆浓度计９一井下管路下料槽（开路）　１Ｏ一事故池及渣浆泵ｌ１一高压造浆水泵１２一砂泵排浆池　维普资讯 http://www.cqvip.com

１６　采矿技术　１９９４年，试验成功的“单管全水胶固充填工　艺”，在初期试验过程中表现出良好的充填效果，但　因管理不完善、工艺条件变化等诸多因素影响随着　司目前已建成年生产２．５万ｔ左右的胶固料厂，生　产的新型尾砂固结材料直接输送到充填站的水泥仓　用于井下充填。　时间的推移，逐渐暴露出巨大的充填质量隐患，一方　面，充填料浆浓度低、灰砂比等工艺参数控制达不到　设计要求；另一方面，井下充填体受工艺条件要求未　进行脱水、脱泥，造成充填体脱水、开裂、沉降大；另　一２　充填体强度计算和充填体稳固性分析　胶结充填体的强度设计因矿山而异，主要取决　于具体的开采技术条件和充填条件。为了使胶结充　填体在技术上达到可靠，经济上得到优化，就需要合　理的确定充填体的强度。确定胶结充填体强度和稳　定性是一个问题的两个方面。三鑫公司的矿山属水　体下采矿，不允许地表塌陷及岩层开裂，在矿山回采　过程中要保证整个矿区岩层的稳定性和二步骤矿柱　方面，充填体结晶水析水后变成自由水，长期强度　弱化，固结的尾砂变成一盘散砂。这样充填体胶结　强度低、整体性差、承载与直立性能差，根本难以承　受其周边矿柱回采时的爆破冲击等破坏，与充填体　要求达到构筑的人工矿柱的力学质量性能，差距甚　远。充填体质量及性能已严重制约了井下矿产资源　的回采效率及开采的安全性。　为了寻求新的胶凝材料替代原高水充填胶凝材　料，公司通过试验研究，确定了以山东淄博海易水泥　厂发明的新型尾砂固结材料作为公司现充填工艺的　充填胶结剂，同原有的高水固结剂相比，新型尾砂固　结材料具有生产工艺简单、原材料本地化率高、生产　回采的安全。一步骤矿房回采胶结充填体强度大小　及稳定性对二步骤矿柱回采及底柱的回收至关重　要，设计合理的充填体强度需要从技术、经济等方面　考虑。矿房胶结充填体的稳定性分析可为矿柱回采　方案和结构参数的确定提供依据。　２．１类比法　国内外部分矿山采场充填配比设计实例及充填　体强度见表１。　成本较为低廉、技术与经济性能方面有较大优势，公　表１　国内外部分矿山高大采场充填体配比设计　类比分析三鑫公司一步骤采场胶结充填设计强　度要达２　ＭＰａ以上，即充填灰砂比为１：８～１：１２之　析测试配比为１：１０的充填体稳定性，根据现场试验　结果，取灰砂比为１：１０的充填体强度参数ｃ＝０．１５　问，才能够满足三鑫公司矿山采矿方法的要求。　２．２充填体强度计算　根据充填体现场调查和强度试验结果，主要分　ＭＰａ，　＝４０。，　：０．２５，充填体容重为　：２．３　ｔ／ｍ　，　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＝１５　ｍ，　维普资讯 http://www.cqvip.com

朱志彬，等：　充填体强度计算及稳定性分析　ｌ７　采用Ｔｅｒｚａｇｈｉ模型法和Ｔｈｏｍａｓ计算法分析不同结　数，Ｔｈｏｍａｓ计算方法充填体强度设计值为０．５３　０．９２　ＭＰａ。　构参数条件下充填体的受力状况。　２．２．１模型法　二维太沙基模型：　（１　Ａ＝　ｔｇ　综合上述计算分析，充填体的强度设计值为　０．５３—１．２４　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。　２．３充填体自立高度计算　根据充填体强度计算和推断充填体自立高度的　实例不多，大部分矿山一般采用经验类比法判断充　Ｄ＝７—２　Ｃ　填体失稳状况。为了保证充填体自稳性，多数矿山　式中：　——充填体内所受应力，ｋＰａ；　７——充填体容重，ｋＮ／ｍ　；　——是减少充填体的暴露面积和提高胶结充填体强度，　没有充分的理论和实际数据评价充填体的稳定性。　现就用南非公式对充填体的自立高度进行探讨。　ｈ：————————————　旦————————一　、　分别为充填体长度和宽度，ｍ；　ｙ——距充填体顶部的距离，ｍ；　ｃ——充填体内聚力，ｋＰａ；　——Ｆ。ｓｉｎ／３［Ｔａｃｏｓ￣（１一ｃ　）］　充填料内摩擦角，。；　充填体侧压系数，ｋ＝１一ｓｉｍｐ。　——式中：０——垂直加速度，其值为重力加速度ｇ与爆　破或微震加速度垂直分量之和；　——为了保证矿柱回采充填体的稳定及承受回采过　程中爆破对充填体的影响，充填体强度设计安全系　数取２．０。根据采矿方法回采工艺和回采参数，计　算矿山回采时需要充填体强度值应为０．３５１—　０．６１９　ＭＰａ，考虑安全系数，Ｔｅｒｚａｇｈｉ模型方法充填　体强度设计值为０．７０—１．２４　ＭＰａ。　２．２．２经验公式计算　充填体容重，ｔ／ｍ　；　安全系数，１．２；　滑移角，８０。。　根据三鑫公司充填体材料力学参数，充填体自　立高度计算结果见表３，采用新型尾砂固结材料作　胶凝材料，灰砂比为１：８—１：１２充填体的强度超过　２　ＭＰａ，充填体强度完全满足采矿方法允许充填体　侧翼暴露高度的要求。　表３根据充填体的力学性质计算充填体的自立高度　蔡嗣经教授曾论述：胶结充填体的强度与充填　体的高度是一种半立方抛物线关系。Ｙ　＝Ｏ／．Ｘ　，式　中：ｙ——胶结充填体矿柱之高度，ｍ；ｘ——胶结充　填体之强度，ＭＰａ；　——系数，建议充填体高度小于　５０　ｍ时，　取６００，充填体高度大于１００　ｍ时，　取　１０００。　序号　内臀角充　重充填　宝　高度　Ｏ．２　Ｏ．１５　Ｏ．１５　Ｏ．１５　Ｏ．１　Ｏ．１　ｇｌ　４０　３８　３５　３２　３Ｏ　３．２　３．２　３．２　３．２　３．２　３．２　３５　２６　２６　２５　１７　根据公式计算充填表体强度值见表２。　表２经验公式计算充填表体强度值　充填体高度充填体强度值　充填体高度充填体强度值　（ｍ）　１Ｏ　１５　２０　２５　１７　（ＭＰａ）　Ｏ．５５　Ｏ．７２　０．８７　１．Ｏ１　（ｍ）　３Ｏ　３５　４０　（ＭＰａ）　１．１４　１．２７　１．３９　三鑫公司一步骤回采嗣后充填采用新型尾砂固　结材料作胶凝剂，胶结料配比为１：８—１：１２的充填　体２８　ｄ试块强度达２　ＭＰａ以上，实际揭露的充填体　２．２．３　Ｔｈｏｍａｓ（托马斯）计算　强度达２　ＭＰａ以上，说明目前的胶结充填体自立比　较好，大面积暴露的充填体稳定性能保证二步骤采　矿要求。　充填体强度设计安全系数取２．０。根据采矿方　法回采工艺和回采参数，计算矿山回采时需要充填　３　结　论　（１）新型尾砂固结材料作为胶凝剂，灰砂比为　（下转第２５页）　体强度值范围为０．２６６—０．４６０　ＭＰａ，考虑安全系　维普资讯 http://www.cqvip.com 刘良发，等：　采场电耙道支护方式和支护时机的探讨　因爆破冲击波和地震波的影响，接顶不好的地段容　难度远远小于前两种方案，而钢筋混凝土的厚度和　易被震裂甚至被破坏，从而大大地减弱钢筋混凝土　质量通常可以高于前两种方案中的第二次支护的钢　的支护作用和整体支护效果。在放矿中受松动放矿　筋混凝土，基本可维持到采场放矿的后期，再加上局　时地压集中释放的破坏和放矿过程中二次破碎及耙　部的钢支护便可以保证采场放矿结束。　斗的撞击破坏，电耙道会从那些大爆破时被震裂和　２．２采用支护新方式应注意的问题　受损的地方开始发生破坏，并不断延伸，在较短的时　（１）因电耙道施工中第一次支护采用喷射混凝　间内导致多数地段的混凝土破坏而无法正常放矿，　土和少量钢支护，施工速度有较大提高，故一定要合　再次进行钢筋混凝土支护。这样第一次钢筋混凝土　理地缩小电耙道和各分层采切工程施工的时间差。　支护使用时间不长，所起的支护作用就不是很大。　（２）对斗颈下部采用混凝土支护（厚度２５０　进行第二次钢筋混凝土施工时要清除第一次支护的　ｍｍ），可以有效地减少对桃形矿柱的破坏。　钢筋混凝土，比较麻烦，施工进度缓慢，施工时间长；　（３）第一次支护中对电耙道和斗穿矿岩较差段　加之第二次进行钢筋混凝土支护时，部分电耙道垮　一定要采用钢支护，保证在大爆破和松动放中不会　蹋已经比较严重，施工难度很大，只好先采用超前钢　出现大的垮蹋。　轨锚杆支护后，再浇筑钢筋混凝土，大量钢材的使用　（４）要把握好电耙道进行二次支护的时机，在　大大增加了二次支护的成本；另外，斗穿处施工难度　采场松动放矿后及时进行钢筋混凝土支护。　大，通常斗穿砼长度达不到设计要求，斗穿口混凝土　（５）一定要加强施工管理，确保钢筋混凝土的　达不到设计厚度和要求。在以后的放矿过程中很容　厚度和质量达到设计要求。　易从这些地方发生破坏。如Ｅ６０２、Ｅ６０６、Ｅ６０８、　Ｅ６１３、Ｅ７０４、Ｅ７０５等采场都属于这种类型。　３　结　论　２　关于电耙道支护方式和支护时机的思考　新方案通过对矿山采场电耙道支护中的钢筋混　凝土支护时机的改变和对喷射混凝土、钢支护的灵　２．１支护方式　活运用，更好地发挥了钢筋混凝土的支护效果，从而　笔者经过多年的经验总结，提出一种电耙道支　有效地减少了单个采场电耙道的支护次数和支护材　护的新方案：即在电耙道施工时多数地段采用喷射　料消耗，降低了单个采场电耙道的支护成本，最终降　混凝土支护，局部矿岩较差和垮蹋地段采用钢支护；　低了单个采场的放矿成本，企业可以获得更好的经　在大爆破和松动放矿后再对电耙道进行钢筋混凝土　济效益。　支护，这时支护的混凝土处于一个最佳时机，它既不　参考文献：　会受到大爆破冲击波和地震波的破坏，也不会受到　［１］周昌达．井巷工程［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９７９．　采场松动放矿时地压集中释放的破坏。此时，放矿　［２］《采矿手册》编委会．采矿手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，　１９９１．　时间不长，但是电耙道已经经过了地压集中释放的　［３］陈忠华，尹贤刚．会理锌矿的采矿安全隐患及防治措施［Ｊ］．　过程，处于一个相对稳定的时期，而且电耙道并未受　矿业研究与开发，２００４，２４（３）：６６～６８．　到大的破坏，仅有个别地段发生了局部垮蹋。此时　（２００７—１２—０８）　进行钢筋混凝土支护，施工中扩帮升棚的量和施工　刘良发（１９６７一），男，工程师，从事采矿技术及管理工作。　（上接第１７页）　参考文献：　１：１０，充填浓度７０％的分级尾砂胶结充填体２８　ｄ强　［１］张世超，姚中亮．安庆铜矿特大型采场充填体稳定性分析　度在２　ＭＰａ以上，完全可以满足采矿的需要。　［Ｊ］．矿业研究与开发，２００１，２１（４）：１２—１５．　［２］杨耀亮，邓代强，惠林，等．深部高大采场全尾砂胶结充填理　（２）经过不同理论方法计算表明，回采时充填　论分析［Ｊ］．矿业研究与开发，２００７，２７（４）：３～４，２０．　体受力没有超过充填体材料自身强度，充填体在回　［３］绕从云，刘成平．充填系统技术改造若干经验［Ｊ］．金属矿山，　采过程中基本处于稳定状态。　２００４，（增）．　（３）充填灰砂比在１：８—１：１２的胶结充填体的　［４］饶从云，孙连忠．充填胶结新材料的试验与应用［Ｊ］．黄金，　２００５，（增）．　自立高度达３５　ｉｎ左右，能够满足三鑫公司采矿方法　作者简介：朱志彬（１９７２一），男，辽宁锦州人，高级工程师，　的要求，矿柱回采时，充填体是稳定的。　现从事矿山采矿技术管理工作，Ｅｍａｉｌ：ｚｚｂｚｑ１２１３＠１６３．ｔｏｍ。