充填采矿法胶结充填体力学作用分析.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 6 ．N o ．3 A u g u s t 2 0 0 4 充填采矿法胶结充填体力学作用分析 王劫1 ，郑怀昌1 ，陈小平2 1 ．山东理工大学，山东淄博2 5 5 0 4 9 ；2 ．西北矿冶研究院，甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要结合某矿山应用胶结充填采矿法的试验，测试胶结充填体的力学参数，采用数值模拟方法研究胶结充填体的受力情 况和变形特征。结果表明尾砂胶结充填体，具有独特的支护特性和力学特征、良好的可塑性和较高的残余强度；尾砂胶结充填体 受动态载荷作用的动态强度、动态弹性模量均高于受静态载荷的静态值；胶结充填体的支护作用是对围岩的限制和与围岩的共同 承载。 关键词采矿工程；胶结充填体；数值模拟；变形特征；受力分析 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4 3 ；T D 3 2 3 ；T D 3 2 5 ．3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 1 0 9 0 4 随着采矿工业的发展，矿井开采深度不断增加， 地压控制问题越来越突出uJ ，矿石资源的充分回收 和矿山环保等问题也越来越引起重视。充填采矿法 可有效地解决上述问题，其优越性已被普遍认识和 接受。充填体力学研究开展比较广泛j 如胶结充填 体的力学特征，胶结充填体的力学作用、支撑机理和 破坏机理，开采过程中对围岩变形的控制作用等。 结合某矿山高分段胶结充填采矿法研究、高水速凝 尾砂胶结充填试验和现场实际观测结果，就充填体 的力学特征、充填体的支护作用机理以及充填体对 围岩变形的控制作用进行分析探讨。 1胶结充填体力学参数 尾砂胶结充填体是一种低强度、非刚性采场充 填支护材料。它的支护作用既不同于钢、木支架，也 不同于锚杆支护，具有独特的支护特性和力学特征。 表1 ～3 为采用铜矿选厂分级尾砂和4 2 5 普通硅酸 盐水泥，以不同的砂浆浓度、灰砂比和龄期在试验室 测试的普通水泥尾砂胶结充填体的力学参数[ 2 | ，表 4 为高水速凝尾砂胶结充填体的试验数据【3 】。 表1普通水泥尾砂胶结充填体 单轴极限抗压强度 T a b l e1U C Ss t r e n g t hf o rt a i l i n g sc e m e n t e db yP o r t l a n dc e m e n t 浓度 ／％ 6 5 6 5 6 5 水灰 比 1 4 1 6 1 8 抗压强度似P a 3 d O ．6 5 0 ．2 4 0 ．2 3 7 d 1 ．6 9 0 ．6 5 0 ．4 7 2 8 d 2 ．8 1 0 ．9 7 O ．7 2 9 0 d 4 ．1 9 1 ．5 7 0 ．8 0 1 8 0 d 5 ．0 5 2 ．7 4 O ．9 6 表2 普通水泥尾砂胶结充填体力学参数 T a b l e2M e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft a i l i n g sc e m e n t e db yP o r t l a n dc e m e n t 注 “，C ，垂值为三轴剪切数据。 表3 普通水泥尾砂胶结充填体静态抗压强度特征点数据 T a b l e3C h a r a c t e r i s t i cd a t ao fs t a t i cc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft a i l i n g sc e m e n t e db yP o r t l a n dc e m e n t 收稿日期2 0 0 3 1 0 1 9 作者简介王劫 1 9 6 2 一 ，男，湖南安化县人，教授，主要从事采 矿工艺及环境工程研究。 万方数据 1 1 0有色金属。第5 6 卷 表4 高水速凝尾砂胶结充填体单轴极限抗压强度 T a b l e 4U C SS t r e n g t hf o rr a p i dc u r i n gt a i l i n g sr i c hi nw a t e r 验结果反映了普通水泥尾砂胶结充填体特征胶结 充填体受动态载荷作用的动态强度值高于静态值， 动态强度借态强度 1 ．4 5 ～1 ．6 4 ，并且强度越高比 值越大；在动态载荷作用下，同一配比的充填体动态 弹性模量比静态时有显著提高；充填体的泊松比在 动态和静态时基本上相同。 ≥胶结充填体变形特征 3 胶结充填体的支护作用机理分析 普通水泥尾砂胶结充填体和高水速凝尾砂胶结 充填体的应力一应变曲线分别如图1 和图2 所示。 胶结充填体的应力一应变曲线表明，胶结充填体具 有独特的塑性变形和残余强度的支护特性。因为充 填体固结后，内部留有较多的孔隙，在外载荷作用 下，固体颗粒相互压缩，使孔隙闭合，压缩密实，继而 进入弹性变形和塑性变形阶段。当外载荷继续增加 时，充填体并没有立即发生崩解和脆性破坏，而是只 在外部产生塑性破坏，出现较大的位移，内部仍保持 弹性变形，呈现出明显的残余强度。 叠 罨 R 翻 图1 普通水泥尾砂胶结充填体应力一应变曲线 F i g ．1 S t r e s sv Ss t r a i nf o rr a i l i n g sc e m e n t e d b yP o r t l a n dc e m e n t ￡ 罢 R 翻 图2 高水速凝尾砂胶结充填体应力一应变曲线 F i g ．2 S t r e s s 、毽s t r a i nf o rr a p i dc u r i n gt a i l i l l g sr i c hi nw a t e r 尾砂胶结充填体的动态力学特征主要表征其承 受采场回采爆破引起的动态载荷的能力 表2 。试 胶结充填体的支护作用，主要在于对围岩的限 制作用和与围岩的共同作用。即一方面充填体以对 松脱岩块的滑移施加侧压、支撑破碎围岩、限制空区 围岩移动等多种方式来阻止和限制围岩发生变形和 位移，达到对围岩的限制作用；另一方面，充填体与 围岩按变形协调理论共同承担载荷，改善采场周围 岩体的应力分布和状态，提高围岩自身的承载能力， 共同维护采场的稳定。结合某矿山高分段胶结充填 采矿法试验结果，分析充填体的受力情况与充填体 对围岩变形的控制作用。 3 ．1 胶结充填体受力分析 根据试验采场的回采顺序，应用数值模拟计算 分析了充填体的受力情况。 模拟计算结果表明同一部位的充填体 指I 分条充填体 ，在上部分条与侧面分条进行回采时受 力是不同的。充填体承受的水平压应力以上部分条 Ⅱ 分条 回采时最大，垂直应力以侧面分条 Ⅲ 分条 回采时最大。 当I 回采分条空间形成后，根据采场稳定性 分析，其顶板和两帮均处于稳定状态。因此，充填 后，新的空间形成之前，充填体不受外力作用，只承 受自身的重力。 I I 回采分条回采时，则在I 充填体上部形成 新的开挖空间，此时I 分条充填体的水平应力最 大，O “ x 0 ．8 3 M P a ，而垂直应力比较小，只有 0 ．4 4 M P a 。 但在I I 分条空间充填完毕，Ⅲ 分条形成空 间，则在水平方向解除了I 分条充填体一部分水 平压应力，使其水平应力降低 O “ x 0 ．3 2 M P a ，并 使充填体承受的垂直应力增加，达到最大值，乱 1 ．0 6 M P a 。 模拟计算还表明，二步回采时充填体受力均较 小，最大水平应力为O “ x 0 ．1 7 M P a ，最大铅垂应力 也只有吼 0 ．1 8 M P a 。 3 ．2 充填体对围岩变形的控制作用 在试验过程中，为了解充填体控制岩壁变形的 万方数据 第3 期王吉力充填采矿法胶结充填体力学作用分析 作用，采用钢弦压力盒和电阻式位移计观测了充填 体与岩壁之间的作用和岩壁对充填体产生的位移 观测仪器在采场崩矿后维护采场两帮时安装并开始 观测 ，各个回采时期的观测结果详见图3 和图4 。 时间，d 图3 胶结充填采场岩壁位移随时间变化关系 F i g ．3 R o c kw a l ld i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nf o r c e m e n t e df i l l i n gs t o p e 罡 罨 R 倒 时间，d 图4 胶结充填采场岩壁压力随时闻变化关系 F i g ．4 R o c kw a l lp r e s s u r ec h a n g ef o r c e m e n t e df i l l i n gs t o p e 3 ．2 ．1 充填体主动对采场岩壁施加压力，阻止松脱 岩层片落。从I 分条空间 未充填 观测结果发 现，岩壁向空区内的位移随空间暴露时间延长而增 加。这是因为采场回采爆破对岩壁产生的松脱层的 位移 类似于巷道掘进时的松动圈 随暴露时间增长 而增加的结果。如果形成的采空区不进行充填，那 么松脱层会随暴露时间延长及外部条件 如其他地 点爆破产生的震动、风化、地下水等 的影响产生片 落。分条空间充填后。采场岩壁向外位移从4 ．5 m m 降到一0 ．8 8 m m ，充填体与岩壁之间压力只有 0 ．0 3 7 M P a 。据分析，这是由于充填体的白重作用， 主动对松脱层施加压力，使岩壁松脱层之中的裂隙 自然闭合，表面位移向岩体内收缩，从而有效地阻止 了上盘岩体向采空区方向移动。 3 ．2 ．2 充填体承载，保证上部回采分条空间的稳 定。1 I 分条回采，即在I 分条充填体上部形成新 的开挖空间，采场周匦岩体内的应力重新分布，使 I 分条充填体与岩体形成不同介质的整体承受载 荷。此时充填体承受岩壁的水平压力为1 ．3 9 M P a 。 充填体不能改变先开挖、后充填的空间应力分 布，但能改变充填完毕后新开挖空间的应力分布，这 是充填体的力学作用特点之一。对于I 分条充填 体，在U 分条回采时起上述力学作用。现场情况 和I I 空间岩壁位移实测结果表明，1 1 分条空间岩 壁也是稳定的，其最大位移量只有8 ．9 r a m 。假设充 填体对围岩无任何约束作用，则可能会出现相反的 结论。 3 ．2 ．3 让压于上、下盘围岩，保证二步回采顺利进 行。尾砂胶结充填体具有独特的塑性变形和支护特 性。当它一侧承受载荷，则会产生弹性区、塑性区 或者破坏区 分区变形的情况。1 1 I 回采分条形成 采空区，I 充填体则处于一侧承载状态。经观测， 充填体受岩壁水平方向的载荷为0 ．6 1 M P a ，产生 9 ．0 3 r a m 位移 因为岩壁向充填体方向产生的位移 也就是充填体让压变形的位移 。而充填体临空面 向外的位移为4 ．2 ～7 ．5 m m ，充填体保持稳定，形成 了高1 3 m 、长2 5 ～3 0 m 的充填体帮壁。 3 ．2 ．4 充填体对整个作业区稳定也起着明显的作 用。分析试验采场上下盘围岩应力分布状态可以看 出，由于一步回采充填体的存在及按变形协调理论 承受一部分载荷，使上、下盘围岩应力值增大。同时 在下盘二步回采分条形成应力降低区 最大主应力 比原岩应力降低2 ．4 5 倍 ，使二步回采分条空间很 容易地处于稳定状态。这说明，具有一定刚度的充 填体能够调整周围矿岩的二次应力分布，加上合理 回采顺序，可在采场形成一定范围的应力降低区，使 其应力让压于距充填体较远的上、下盘围岩。 4结论 1 尾砂胶结充填体，具有独特的支护特性和力 学特征、良好的可塑性和较高的残余强度。 2 尾砂胶结充填体受动态载荷作用的动态强 度、动态弹性模量均高于受静态载荷的静态值。 3 胶结充填体的支护作用，主要是对围岩的限 制作用和与围岩的共同作用。即一方面阻止和限制 围岩发生变形和位移，另一方面又与围岩共同承载， 提高承载能力，共同维护采场稳定。 下转第1 1 7 页，C o n t i n u e do nP ．1 1 7 g姜簿逍剖琅 ， 万方数据 第3 期 郭建平光应力计监测采空区稳定性在遂昌金矿的应用 1 1 7 聚类中心的欧氏距离，就可以大致判断岩体稳定性 的发展趋势，对于矿柱回收及采空区处理具有很强 的指导意义。从1 9 9 7 年至2 0 0 2 年底，遂昌金矿在 参考文献 光应力计测点网的监测下已安全回收矿柱近5 万t ， 延长了矿山服务年限，取得了良好的经济和社会效 益。 [ 1 ] 高磊．矿山岩石力学[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 7 2 7 2 ． [ 2 ] 饶运章，何益民，高国庆，等．遂昌金矿残矿回采及空区处理研究报告[ R ] ．江西赣州南方冶金学院，2 0 0 1 、2 6 ． S t a b i l i t yM o n i t o r i n go fM i n e d - o u tA r e aw i t hP h o t o e l a s t i c S t r e s s m e t e ri nS u i c h a n gG o l dM i n e G u oJ i a n p i n g Z h e f i a n gS u i c h a n gG o l dM i n eC o ．L t d ，S u i c h a n g3 2 3 3 0 4 ，Z h e j i a n g ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt od i r e c tt h er e m a i n e do r er e c o v e r yo fp i l l a r sa n dt r e a t m e n to ft h em i n e do u ta r e a ，t h es e c o n d a r y s t r e s sc h a n g eo fo r ep i l l a ra n dw a l lr o c ka t4 2 0a n da b o v el e v e l si nS u i c h a n gG o l dM i n eo fZ h e j i a n gP r o v i n c ei s m o n i t o r e db yp h o t o e l a s t i cs t r e s s m e t e r ，a n dt h el o n g t e r mm o n i t o r s i t ef o rs t a b i l i t yo fm i n e d o u ta r e ai se s t a b l i s h e d ．T h es t a b i l i t yo fm i n e da r e ai sd i v i d e di n t ot h r e eg r a d e sb a s e do nt h em o n i t o r i n gr e s u l t s ．A st h er e s u l t s ， 5 0 k to r e sf i l er e c o v e r e df r o mp i l l a r su n t i ln O W ，r e m a r k a b l yt h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa r ea c h i e v e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；s t a b i l i t ym o n i t o r i n g ；p h o t o e l a s t i cs t r e s s m e t e r ；m i n e d o u ta r e a ；s e c o n d a r y s t r e s s 上接第1 1 1 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 1 1 参考文献 [ 1 ] 蔡嗣经．矿山充填力学基础[ M ] ．北京冶金工业版社，1 9 6 4 6 ． [ 2 ] 谢明军．白银公司井下矿山充填采矿方法的应用[ J ] ．甘肃冶金，2 0 0 3 ，2 5 1 1 2 一1 5 ． [ 3 ] 王劫，王洪江，陈小平．高水速凝废石浇注充填试验及充填特性[ J ] ．有色矿山，2 0 0 3 ，3 2 3 6 8 ，2 7 ． M e c h a n i c a lA c t i o no nC e m e n t e dF i l i n gB o d yi nC u ta n dF i l lS t o p i n g W A N GJ i e l ，Z H E N GH u a i c h a n 9 1 ，C H E NX i a o - p i n 9 2 1 ．S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，历6 02 5 5 0 4 9 ，S h a n d o n g ，C h i n a ； 2 ．N o r t h w e s tR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B a s i n7 3 0 9 0 0 ，G a n s u ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mam i n ea n dt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n to ft h ec e m e n t e d f i l l i n gb o d y ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft h ec e m e n t e df i l l i n gb o d ya r ei n v e s t i g a t e db yu s e o ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．I ti si n d i c a t e db yt h er e s e a r c ht h a tt h ec e m e n t e df i l l i n gb o d yf e a t u r e sw i t hd i s t i n c t i v es u p p o r tf u n c t i o na n dm e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ee x c e l l e n tp l a s t i c i t ya n dh i g hr e m a i ns t r e n g t h ．T h e d y n a m i cs t r e n g t ha n de l a s t i cc o e f f i c i e n tf o rd y n a m i cl o a d i n gi sb e t t e rt h a nt h a ti ns t a t i cs i t u a t i o n ．T h es u p p o r t f u n c t i o no ft h ec e m e n t e df i l l i n gb o d yi n c l u d e sr e s t r i c t i o nt ow a l lr o c ka n dl o a db e a r i n gt o g e t h e rw i t hw a l lr o c k ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；c e m e n t e df i l i n gb o d y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e f o r m a t i o nb e h a v i o r ；s t r e s s a n a l y s i s 万方数据