胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究_侯晨.pdf

胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究 侯晨 1 朱万成 1 张洪训 1 郭良银 2 杜加法 3 刘晓光 2 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿， 山东 烟台 261438； 3. 山东黄金集团充填工程实验室， 山东 烟台 261438） 摘要矿柱与充填体之间的相互作用是矿柱和充填体优化和安全设计的重要问题。通过双轴加载试验研究 了侧向应力和采场充填率等因素对矿柱与充填体相互作用的影响。结果表明 充填体接顶时， 充填体能充分发挥自 身强度并直接参与顶板支撑， 此时矿柱充填体支承系统可以充分发挥承载力； 充填体不接顶时， 在一定侧向应力 作用下矿柱充填体支撑力提高主要是两者界面摩擦力的提高， 而充填体横向约束效应对于矿柱强度提高效应不 明显； 较高的充填率意味着在矿柱充填体界面处产生更大接触面积， 在一定侧向应力作用下会在界面产生更大的 摩擦力， 进而产生更大的系统承载能力。试验结果与新城金矿测试结果的对比证实了该项研究对于新城金矿二步 采场的稳定性分析具有一定的指导意义。 关键词胶结充填体相互作用承载单元矿柱摩擦力 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-024-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901004 Bi-axial Loading Experiments on Interactions between Cemented Backfill and Pillar Hou Chen1Zhu Wancheng1Zhang Hongxun1Guo Liangyin2Du Jiafa3Liu Xiaoguang2 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. Xincheng Gold Mine of Shandong Gold Mining Co.， Ltd.， Yantai 261438， China； 3. Shandong Gold Group Filling Engineering Laboratory， Yantai 261438， China） AbstractUnderstanding the interactions between pillars and backfill is an important issue for optimization and safety design of the backfill body and pillars. The effects of the lateral stress and the backfill ratio on the interactions between the pil⁃ lar and backfill were studied by biaxial compression tests. The result showe that when the filling body meets the roof，it can bring its own strength into full play and directly participate in the roof support. At this time， the bearing capacity of the pillar- filling body support system can be maximum； when the filling body does not touch the roof， that the support force of the pillar- filling body increases under the action of a certain lateral stress are mainly due to the friction between the two interfaces. The lateral confinement effect of the backfill body has not an obvious impact on pillar strength. Therefore，a higher filling rate means a larger contact area at the pillar-filling interface， and a greater frictional force at the interface will be generated under a certain lateral stress，resulting in a greater bearing capacity of the system. By comparing the experimental results with the test results in Xincheng Gold Mine， it is proved that this study has certain guiding significance for the stability analysis of the second-step stope in Xincheng Gold Mine. KeywordsCemented backfill， Interaction， Loading unit， Pillar， Frictional force 收稿日期2018-09-10 作者简介侯晨 （1989） ， 男， 博士研究生。 通讯作者朱万成 （1974） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 矿柱是地下采场的重要支撑单元， 近年来， 大量 学者对采场充填后的稳定性影响进行了深入研究。 充填体首先对矿柱具有支护作用， Blight等 ［1］用石英 岩芯模拟充填料包围中的矿柱， 分析了刚性和软性 充填体对于岩芯强度的影响； Galvin等 ［2］计算了矿柱 侧向膨胀挤压充填体产生的约束力； Donovan等 ［3］根 据土压力公式计算了充填体对于矿柱的侧向约束力 以及由此提高的矿柱承载力； 刘鹏博等 ［4］通过充填体 支撑矿柱的物理模拟试验， 对充填体支撑矿柱的作 用机理及充填体的破坏过程进行了分析。充填体可 与矿柱产生协同作用， 共同对上盘或顶板形成支撑， 确保回采安全。余伟健等 ［5］提出了 “充填体煤柱 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 采矿工程 24 ChaoXing 承重岩层” 协作支撑系统， 研究认为充填体不但会 对上覆岩层产生支撑作用， 而且会对煤柱产生侧向 支撑压力， 有助于提高煤柱的稳固性和支撑能力； 张雯等 ［6］根据点柱式上向水平分层充填法的特点， 提 出了点柱充填体协作支护系统， 据此对点柱形状 进行了优化。 本研究利用自制平面加载机构分析矿柱充填 体支承系统在不同充填率、 侧向应力条件下的承载 力变化， 考虑矿柱与充填体两者界面间的相对滑动 引起交界面的剪应力， 研究不同充填率、 侧向应力条 件下支承系统的协作支撑机理， 并分析充填体与界 面摩擦力对于矿柱承载力的影响。 1工程背景 V矿体是山东黄金新城金矿深部开采的主要矿 体， 目前已开采到-775 m中段， 该中段地应力大， 地 质条件复杂。面对日益复杂的采场环境， 对厚度大 于7.5 m的矿体采用无轨设备机械化盘区式上向水平 分层充填采矿法生产 ［7］， 该方法将矿体沿走向划分为 矿房和矿柱进行两步骤回采。目前矿山一步采场回 采已大部分完成， 从一步开采结束到充填完成， 采空 区暴露时间大约为30 d， 此后很长时间内， 从充填体 形成胶结强度到二步采场开始回采工作， 矿柱都处 于具有一定强度胶结充填体的包夹之中， 矿柱与充 填体之间相互发生作用， 形成矿柱充填体协同支 护系统。 2试验准备 2. 1试验原料 本研究双轴加载试验涉及到2种试样材料， 分别 为矿柱和充填体材料。矿柱材料为普通河沙、 普通 硅酸盐水泥和水。试验前要对河沙进行筛分， 选取 合适的粒径进行试验。河沙粒径为0.3～0.6 mm， 属于 中砂。充填体材料包括新城金矿分级尾砂、 普通硅 酸盐水泥和水。水泥、 尾砂和河沙主要化学成分如 表1所示。分级尾砂粒径如图1所示 （图中d为粒径， μm） 。不均匀系数Cu和曲率系数Cs分别为 2.24 和 1.03， 说明新城金矿尾沙颗粒分布均匀， 颗粒大小相 差不大， 导致充填体密实程度不佳。 充填体与矿柱材料配比如表2所示。其中单轴 抗压强度 （UCS） 、 弹性模量E以及泊松比都是通过 28 d的40 mm40 mm120 mm试件测得。 2. 2试件制备 首先制备矿柱试件， 按照试验要求将制成的矿柱 料浆灌注在模具A中， 如图2所示， 制成的矿柱尺寸为 300 mm100 mm100 mm。试件在恒温恒湿环境中 养护2 d之后， 将矿柱试件脱模并置于模具B （尺寸为 300 mm300 mm100 mm） 中心， 之后在其两侧浇灌 搅拌后的充填体料浆， 按照充填率的不同放置不同的 垫块以调整所制作的充填体高度。将矿柱充填体 组合试件放入养护箱经过28 d养护， 取出进行双轴加 载试验。制成的矿柱充填体试件如图2 （c） 所示。 2. 3试验设备和过程 本研究基于开采实践， 研制出一种可以模拟充 填体与矿柱相互作用的双轴加载试验装置， 研究矿 柱和充填体在不同充填率和侧限条件下的相互作 用， 分析矿柱充填体的承载特性、 强度变化以及破坏 模式。该平面双轴加载装置将轴压加载与围压控制 侯晨等 胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究2019年第1期 25 ChaoXing 在一个水平平台上实现， 如图3所示。 试验中充填率分别为75， 98.3和100， 侧向 应力水平为0， 0.1、 0.2、 0.4和0.6或0.8 MPa。试件制 备完成后， 将试件放置到岩芯室内部， 将升降车升至 模型下夹板等高， 用连接螺栓固定； 将手压泵连接至 活塞缸加压口， 首先对X轴方向载荷加载至预定数 值， 模拟围岩对充填体的侧向挤压作用； 待X轴方向 载荷稳定后， 在实验机上对试件进行轴向加载， 按照 试验要求每一步加载相应载荷观察记录试验结果， 按照试验要求每一步加载相应载荷采集处理试验数 据。矿柱与充填体整体承载力计算由试验过程液压 泵输出的最大压力计算， 矿柱与充填体内的压力由 埋设在其中的微型压力传感器的读数计算得到。 3试验结果分析 3. 1侧向应力影响分析 图 4为不同矿柱充填体支承系统在不同侧向 应力条件下的承载力变化情况。通过各图可以看 出， 侧向应力对于矿柱充填体支承系统承载力的 影响十分明显， 在侧向应力较大时 （0.4～0.8 MPa） ， 承 载力明显高于其在侧向应力较小时的承载力。对于 P-BII矿柱充填体组合 （图 4 （b） ） ， 当侧向应力分别 为0.4 MPa和0.8 MPa时， 承载力平均值分别为162.7 kN、 167.4 kN， 相对于侧向应力为 0 时， 分别提高了 4.9、 7.93。 不同矿柱充填体组合侧向应力对于矿柱强度的影响如图5所示。 通过图 5可以看出， 矿柱强度在高侧向应力条 件下 （≥0.4 MPa） 有较小幅度提高。较高的侧向应力 意味着在边界处施加更强的约束， 这使得矿柱中的 微裂纹和孔闭合， 从而导致裂纹和颗粒之间的内摩 2019年第1期总第511期金属矿山 26 ChaoXing 擦阻力增加。另外在加载过程中， 侧向应力也会抑 制裂纹扩展。这些综合影响会引起矿柱强度增加， 进而导致矿柱充填体支承单元的承载能力增加。 本研究中， 矿柱承载能力占支撑单元总承载能力的 94以上， 表明矿柱强度仍然是采场稳定性的关键 影响因素。 3. 2充填率影响分析 通过图 6可以看出， 当充填率为100， 即充填体 完全接顶时， 矿柱充填体系统承载力相对于其他 充填率水平下的承载力有了明显提高， 反映了接顶 对于矿柱充填体支承单元承载力的重要性。当充 填体与顶板直接接触时， 受到顶板直接压缩， 其强度 可以充分调用来参与分配来自顶板的压力。当充填 体没有直接接顶时， 通过矿柱与充填体的界面摩擦 参与分配顶板载荷。由于现场施工、 充填体自身特 性等原因， 将充填率提高到100十分困难。本研究 认为， 尽可能提高充填率对于提高采场稳定性大有 裨益。 4工程验证 为评价充填体接顶效果对于矿柱充填体承载 性能的影响， 并为新城金矿深部采场围岩维护提供 理论依据， 在-536 m水平脉内巷道内布设了3个收敛 计量测断面， 图7 （a） 为现场收敛仪安装情况。为评 价充填体对于采场围岩稳定性的影响， 需要在现场 考察充填体的接顶情况， 并结合现场监测结果综合 评价充填体的支护效果， 图7 （b） 为现场充填接顶效 果。 图8是J1和J32个监测面受开挖扰动和充填体充入影响的围岩变形曲线。 通过图8可以看出， 充填接顶与否对于巷道两帮 收敛速度影响不大， 一旦充填体开始充入采场， 都会 极大降低巷道两帮收敛速度。通过对比可以发现， 充填体是否结顶对于顶板收敛速度影响极大， 只有 2019年第1期侯晨等 胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究 27 ChaoXing 充填体充分接顶后， 顶板收敛速度才会降低。 5结论 （1） 充填接顶困难时， 矿柱充填体界面由于相 对移动而产生的摩擦力是地下采场支撑力的重要来 源。 （2） 侧向应力对于矿柱充填体支撑力提高的 影响更主要是提高了界面间的摩擦力。 （3） 充填接顶与否直接影响采场安全。新城金 矿现使用胶结尾砂充填， 沉缩率过高， 深部充填可改 用全尾砂膏体充填或局部采用膨胀充填体等新材料 以提高接顶率。针对已充填的采场， 可利用喷射胶 结块石的方法填补充填体和顶板之间的最终间隙。 （4） 充填体接顶与否对于顶板收敛速度影响较 大， 对于巷道两帮围岩变形影响较小。 参 考 文 献 Blight G E， Clarke.Design and properties of stiff fill for lateral sup⁃ port of pillars ［J］ .International Journal of Rock Mechanics Min⁃ ing Sciences Geomechanics， 1983， 22 （3） 303-307. 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