傲牛铁矿三采区充填体稳定性及间柱回采顺序研究_胡世利.pdf

傲牛铁矿三采区充填体稳定性及间柱回采顺序研究 胡世利 1， 2 衣福强 2 周乐 2 张世玉 2 邱景平 2 （1. 抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司， 辽宁 抚顺 113001； 2. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要随着傲牛铁矿三采区矿柱的回采， 矿房充填体失去矿柱的侧压限制且暴露面积越来越大， 充填体的 受力条件发生改变， 影响其稳定性， 为此需要进行充填体的稳定性及回采顺序优化研究。结合傲牛铁矿的矿岩物理 力学性质和矿柱回采方法， 对矿房充填体建立力学模型， 分析充填体在开采时受力的稳定性， 计算充填体的极限自 立高度； 同时根据现场情况， 提出了2种间柱整体开采顺序方案和2种中段间柱回采顺序方案， 并对其进行了数值计 算分析。计算结果表明 在整体开采间柱顺序上， 从下至上开采最优， 应力集中程度低， 安全性高； 在265 m中段间 柱开采顺序上， 先开采①、 ③、 ⑤间柱， 再回采②、 ④间柱， 位移变化较小。研究成果为现场的间柱回采提供了理论依 据。 关键词矿柱回采极限自立高度充填体稳定性回采顺序 中图分类号TD853.343文献标志码A文章编号1001-1250 （2018） -12-014-05 DOI10.19614/ki.jsks.201812003 Study on the Stability of Filling Body and the Rib Pillar Recovery Sequence in Three Mining Areas of Aoniu Iron Mine Hu Shili1， 2Yi Fuqiang2Zhou Le2Zhang Shiyu2Qiu Jingping2 （1. Fushun Hanking Aoniu Mining Limited by Share Ltd.， Fushun 113001， China； 2. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractWith the recovery of pillars in the three mining areas of the Aoniu Iron Mine， the filling body loses the limit of the side pressure of the pillar and the exposure area becomes larger and larger. Since the force condition of the filling body is changed， its stability is affected. Therefore， it is necessary to study the stability of the filling body and optimize the stoping sequence. Based on the physical properties of ore rock and the pillar recovery ，the mechanical model of the filling body of the room is established， the stability of the filling body under force during the mining is analyzed， and the limit self- standing height of the filling body is calculated； At the same time， according to the field situation， 2 kinds of overall rib pillar mining sequence plans and 2 kinds of rib pillar stoping sequence plans are proposed， and the related numerical calculation is carried out. The calculation results show that the best sequence for the overall rib pillar mining is from bottom to top，with lower stress concentration and higher safety. In the mining sequence of 265 m middle rib pillar，the first，third and fifth rib pillar are recovered firstly， then the second and fourth rib pillar are mined， with less displacement. The research results pro- vide theoretical basis for the rib pillar stoping on site. KeywordsPillar stoping， Self-standing height limit， Stability of filling body， Mining sequence 收稿日期2018-07-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774066） 。 作者简介胡世利 （1976） ， 男， 副总经理， 工程师， 硕士。通讯作者邱景平 （1975） ， 男， 副教授， 博士。 傲牛铁矿在回收矿柱时为保证生产安全， 准 备采用上向水平分层充填法进行回采； 在回采矿柱 之前， 需要对矿柱邻近的矿房空区进行充填， 待充填 体达到一定的强度要求时方可回收矿柱。通过前期 全尾砂胶结充填的试验， 傲牛铁矿充填拟采用普通 硅酸盐水泥作为胶结剂， 骨料选取的是含泥少、 透水 性好的选矿厂全尾砂， 充填体外形尺寸与矿房一致， 长高宽为40 m50 m14 m， 充填料采用的是 灰砂比1 ∶ 20， 料浆浓度76。 充填体在充满采场并形成一定强度之后， 由于 时间效应， 充填体会继续下沉， 产生较大的垂直位 移； 与充填体紧密相近的围岩较充填体具有高强度、 总第 510 期 2018 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 510 December 2018 14 ChaoXing 高刚度， 产生的垂直位移要小得多， 正是由于这种产 生垂直位移大小的差异性， 致使围岩会在一定程度 上阻止充填体下沉， 产生面与面的摩擦力， 从而使充 填体内垂直、 水平应力比自重应力要低， 这种现象称 为 “成拱作用” ［1-6］。 由于同一生产中段有多个间柱， 开采间柱之后， 会降低围岩对矿房充填体的 “成拱作 用” ， 充填体的受力条件发生改变， 影响充填体的稳 定性。不同的开采顺序会造成矿房充填体受力条件 多次变化， 对稳定性的影响程度也不一样。故研究 充填体在间柱开采时受力的稳定性对优化间柱回采 顺序具有一定的指导意义。 1矿房充填体稳定性分析 ［7-8］ 如图1所示建立矿房充填体受力模型图， 图中充 填体左侧受到未开采间柱的侧向压力P， 矿房胶结充 填体上部受到上覆围岩压力Q作用， 右侧为暴露自由 面， 由于空区形成已久， 间柱不会向充填体发生收敛 位移， 此时矿房充填体为主动压力状态， 假设充填体 与间柱仅存摩擦力 （界面黏结力为0） ， 侧压力P的大 小与间柱高度成正比为 Pγxtan2π 4 - φ 2 ，（1） 式中，γ为矿石的容重； x为充填体沿深度方向坐标 值；φ为间柱与充填体之间的有效摩擦角， 其值可近 似取充填体的内摩擦角。 矿房充填体高度为50 m， 间柱回采完毕， 暴露高 度即为50 m， 此条件下采用南非公式对胶结充填体 能否保持自稳做出判断， 即 H 2c Fssinβ■ ■ ■ ■ ■ ■ ρacosβ1-cotβ tanφ Fs ,（2） 式中，Fs为安全系数， 一般取1.2； a为垂直方向加速 度， 取重力加速度与微震动引起的加速度的垂直分 量之和； β为滑移角； ρ为充填体容重。 将充填体的相关力学参数代入式 （2） 得此条件 下充填体极限自立高度56.12 m， 故在该矿房充填体 强度条件下能够自稳。 对图1的模型进行力学分析， 假设应力函数分量 σyxf （y） ， 可得应力函数 φ x3 6 fyxf1yf2y.（3） 代入相容方程∇ 4φ0， 对任意区域内的x、 y均成 立， 并结合充填体力学模型的应力边界条件可得应 力函数分量 σyλγx2y 3 L3 - 3y 2L - 1 2， （4） σx 2λγx3y L3 3λγ 5L - 6ρ L xy- 4λγxy3 L3 -ρx-Q，（5） τxy-λγx23y 2 L3 - 3 4L -λγ- y4 L3 3y2 10L - L 80 ρ3y 2 L y- L 4， （6） 式中，λtan 2π 4 - φ 2 ； H50 m， 矿房宽度L40 m， 充填 体的容重ρ22.3 kN/m3， 矿石容重γ35.3 kN/m3， Q 1.12 MPa， 计算应力分布规律如图2。 由图2可以看出， 矿房胶结充填体临近间柱空区 开采方向没有水平应力， 另一侧与未开采间柱相邻 侧则受到最大的水平应力为0.478 MPa， 且随着充填 体暴露高度越高， 水平应力越大； 当沿着充填体底部 时， 在胶结充填体暴露侧， 剪切应力为0， 在未开采间 柱相邻侧， 胶结充填体所受剪切应力趋向一定值， 达 到0.892 MPa， 这是由于胶结尾砂充填体在变形的过 程中与间柱接触而产生摩擦阻力的原故； 当沿着充 填体高度时， 越靠近充填体底部， 在充填体内出现的 剪切应力就越大， 而且在充填体y方向上， 越靠近间 柱相邻侧， 剪切应力就越大。前期的全尾砂胶结充 填试验展示充填体强度可达2.66 MPa， 由此来看， 间 柱开采能保证矿房充填体的稳定性。 2间柱开采顺序模拟 ［9-10］ 2. 1间柱整体开采顺序方案 从矿柱整体回采顺序来讲， 是先充填原有的矿 房采空区， 待充填体达到一定强度之后开采矿柱， 直 到完成所有中段的回采。矿柱整体回采顺序可分为 从下至上和从上至下2种回采顺序， 通过对2种不同 回采顺序进行数值模拟得出矿柱回采完毕并充填后 的最大、 最小主应力及竖直位移特征见图3。 2. 2整体开采顺序模拟结果分析 由主应力分布特征可知 从下至上开采时最大 主应力最大值为101.07 MPa， 最小主应力最大值为 胡世利等 傲牛铁矿三采区充填体稳定性及间柱回采顺序研究2018年第12期 15 ChaoXing 12.6 MPa， 最大拉应力值为8.9 MPa， 出现在了上部边 帮位置， 但是由于围岩的强度较大， 不会对边帮造成 破坏； 从上至下开采时最大主应力最大值为140.06 MPa， 最小主应力最大值为16.95 MPa， 最大拉应力为 14.48 MPa， 超出了围岩的抗拉强度 （13.1 MPa） ， 边帮 容易产生拉伸破坏从而失稳。 从竖直位移分布特征来看， 从下至上开采时最 大竖直位移为0.22 m， 且位于上部顶柱边帮， 这是由 于充填顺序的缘故， 顶柱长期置于空区上方， 受到垂 直应力的作用发生了较大位移， 但整个充填区域竖 直位移不大， 充填稳定性较好； 从上至下开采时最大 竖直位移为0.8 m， 且位于整个采场的中间区域， 这是 由于上部空区先充填， 下部空区在充填后由于强度 较小， 在受到上部较大载荷时产生较大位移， 对充填 体的整体稳定性影响较大。故一般来说， 整体开采 顺序应选择从下至上。 2. 3间柱中段顺序开采方案 对于某个中段的间柱回采顺序来说， 以265 m中 段为例， 矿房空区充填之后与间柱的分布 （俯视） 如 图4所示。对回采顺序提出2种方案， 方案1 先开采 ①、 ③、 ⑤间柱， 再回采②、 ④间柱； 方案2顺序开采 ①、 ②、 ③、 ④、 ⑤间柱。通过对2种不同间柱回采顺 序进行数值模拟得出间柱回采完毕并充填后的最大 主应力及竖直位移分布特征如图5所示。 2. 4中段顺序模拟结果分析 方案1回收矿柱时， 上部空区间柱出现较大拉应 力集中， 最大拉应力为3.21 MPa， 而方案2出现最大 拉应力值为3.79 MPa； 由已经充填完成的矿房空区和 回采间柱空区来看， 方案1处于低应力的充填体区域 比方案2大。对比2种方案竖直方向位移， 方案1部 分区域的顶板竖直位移比方案2要小， 这是由于方案 1后采的②、 ④间柱具有强度、 刚度高， 能够承受较大 的应力集中， 对中段整体框架起到较好的保护作用。 金属矿山2018年第12期总第510期 16 ChaoXing 根据图6， 布置在间柱②、 ③、 ④邻近的充填体内 的监测点5、 6、 7、 8变化曲线可知 方案1中竖直位移 变化较为平稳， 变化较大发生在两步骤开采间柱， 且 总体上竖直位移相对较小， 而方案2随着间柱的回 收， 对充填体多次扰动， 竖直位移明显增加， 不利于 充填体的稳定。综上可知 方案1的间柱回收方式比 方案2更加合理。 3结论 （1） 通过对矿房充填体建立力学模型， 计算了充 填体的极限自立高度为56.12 m； 受到侧压产生的水 平应力最大值为 0.478 MPa， 最大剪切应力为 0.892 MPa， 间柱的回采对矿房充填体的稳定性不会造成较 大影响。 （2） 通过矿柱整体开采顺序模拟， 对比分析其最 大、 最小主应力及竖直位移分布特征， 可知矿柱整体 开采顺序选择从下至上最优， 能保证充填体的稳定 性。 （3） 对比265 m中段2种间柱回采方案的充填体 最大主应力及竖直位移分布特征， 结合布置在矿房 充填体的位移监测点的位移曲线变化， 可知方案1的 间柱回收方式比方案2更加合理， 即先开采①、 ③、 ⑤ 间柱， 再回采②、 ④间柱。 参 考 文 献 卢平. 制约胶结充填采矿法发展的若干充填体力学问题 ［J］ . 黄金， 1994， 15 （7） 18-22. 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