充填体强度计算及稳定性分析

难度远远小于前两种方案，而钢筋混凝土的厚度和 质量通常可以高于前两种方案中的第二次支护的钢 筋混凝土，基本可维持到采场放矿的后期，再加上局 部的钢支护便可以保证采场放矿结束。 ２．２采用支护新方式应注意的问题
（１）因电耙道施工中第一次支护采用喷射混凝 土和少量钢支护，施工速度有较大提高，故一定要合 理地缩小电耙道和各分层采切工程施工的时间差。
湖北三鑫金铜股份有限公司（简称三鑫公司） 是中国黄金集团控股的大型黄金矿山企业，位于大 冶市城西３．５ ｋｍ处。其前身鸡冠嘴金矿于１９８８年 建矿，生产规模为２００∥ｄ，经过二期、三期扩建，在 十几年的生产建设中发展壮大，现辖区有鸡冠嘴和 桃花嘴两大矿区，生产规模２２００ Ｌ／ｄ，采选矿石７０ 万∥ａ。年产金１１００ ｋｇ，产铜１００００ ｔ，副产标硫 ４５０００ ｔ，铁精矿６００００ ｔ。
１ 充填工艺
三鑫公司一期工程建设一座卧式砂仓充填系 统，因生产能力的扩大，不适应井下充填的需要，三
鑫公司二期扩建工程建设时建有两座空８∥６４０ ｍ３
混凝土结构半球形底立式砂仓、一座４珩Ｉｎ／３００ ｔ水 泥仓的分级尾砂充填系统，充填生产能力为６０
ｍ３／ｈ。经过三期工程建设井下生产能力达６０万 ∥ａ，为了确保采、充平衡，充填系统经过技术改造， 新建一座５００ ｍ３钢结构的立式砂仓，保证了分级尾 砂制备能力，充填生产能力达１００ ｍ３／ｈ左右。充填 系统工艺流程见图ｌ。
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）
万方数据
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 易被震裂甚至被破坏，从而大大地减弱钢筋混凝土 的支护作用和整体支护效果。在放矿中受松动放矿 时地压集中释放的破坏和放矿过程中二次破碎及耙 斗的撞击破坏，电耙道会从那些大爆破时被震裂和 受损的地方开始发生破坏，并不断延伸，在较短的时 间内导致多数地段的混凝土破坏而无法正常放矿， 再次进行钢筋混凝土支护。这样第一次钢筋混凝土 支护使用时间不长，所起的支护作用就不是很大。 进行第二次钢筋混凝土施工时要清除第一次支护的 钢筋混凝土，比较麻烦，施工进度缓慢，施工时间长； 加之第二次进行钢筋混凝土支护时，部分电耙道垮 蹋已经比较严重，施工难度很大，只好先采用超前钢 轨锚杆支护后，再浇筑钢筋混凝土，大量钢材的使用 大大增加了二次支护的成本；另外，斗穿处施工难度 大，通常斗穿砼长度达不到设计要求，斗穿口混凝土 达不到设计厚度和要求。在以后的放矿过程中很容 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。
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 成本较为低廉、技术与经济性能方面有较大优势，公
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。
１７
采用Ｔｅ脚ｌｇｌｌｉ模型法和ｎｏｍ鸹计算法分析不同结 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：
矿矿ｖ，２，＿＝Ｌ竿ｌ（— １一ｅ。 ｅ嘶，）
Ａ＝争脚
Ｄ…警
广充填体容重，ｋＮ／ｍ３； 式中：盯，——充填体内所受应力，ｋＰａ； ｒ距充填体顶部的距离，ｍ； Ｌ、曰——分别为充填体长度和宽度，ｍ； ｃｒ一充充填填料体内内摩聚擦力角，，ｋ。Ｐａ；；
表３根据充填体的力学性质计算充填体的自立高度பைடு நூலகம்
序号黼内臀触麓零靳填≮皇产被
１
０．２
４１
３．２
３５
Ｏ．１５
加
３．２
２６
Ｏ．１５
３８
３．２
２６
０．１５
３５
３．２
２５
Ｏ．１
３２
３．２
１７
０．１
３０
３．２
１７
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ｌ：８一ｌ：１２的充填 体２８ ｄ试块强度达２ ＭＰａ以上，实际揭露的充填体 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。
专萎票矍尹
深孔崩矿 （２０一６０）ｘ，２．ｓ ｘ踮
１６００一４啪
尾譬箩尊妻填 ｌ：６ ｌ：１６
ｌ。４
‘
’
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１：８一ｌ：１２之 间，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
分级尾砂胶结充填
１．０
平均鲫ｍ高限制１００“ 高３５ ｍ宽３１００ｍ２
块石胶结充填 尾砂胶结充填
２．３（块石） １．１（水砂）
１８００
臀憋尊充填
ｏ…．。７８
ｌ：１６ ｌ：２０
斯等茄銎寞尹矿 ＶｃＲ法
６０×７×４５
高６ｌ ｍ宽１０ｒ７一１２２ｍ
尾砂胶结充填 ｌ：８ ｌ：３２
ｌ：３０ Ｏ．３５一Ｏ．４０
（２）对斗颈下部采用混凝土支护（厚度２５０ ｍｍ），可以有效地减少对桃形矿柱的破坏。
数，－１１ｌｏｍａｓ计算方法充填体强度设计值为０．５３—
０．９２ ＭＰａ。
综合上述计算分析，充填体的强度设计值为 ｏ。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 填体失稳状况。为了保证充填体自稳性，多数矿山 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。
２ 关于电耙道支护方式和支护时机的思考
２．１支护方式 笔者经过多年的经验总结，提出一种电耙道支
护的新方案：即在电耙道施工时多数地段采用喷射 混凝土支护，局部矿岩较差和垮蹋地段采用钢支护； 在大爆破和松动放矿后再对电耙道进行钢筋混凝土 支护，这时支护的混凝土处于一个最佳时机，它既不 会受到大爆破冲击波和地震波的破坏，也不会受到 采场松动放矿时地压集中释放的破坏。此时，放矿 时间不长，但是电耙道已经经过了地压集中释放的 过程，处于一个相对稳定的时期，而且电耙道并未受 到大的破坏，仅有个别地段发生了局部垮蹋。此时 进行钢筋混凝土支护，施工中扩帮升棚的量和施工
ＩＳＳＮ １６７ｌ一２９００ ＣＮ ４３一１３４７／ＴＤ
采矿技术第８卷第３期 Ｍｉ而Ｉｌｇ １ｋｌｌｒＩｏｌｏｇ）ｒ，Ｖ０１．８，Ｎｏ．３
２００８年５月
Ｍａｖ．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
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 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ｌ。
表ｌ 国内外部分矿山高大采场充填体配比设计
矿山名称 采矿方法 （妥警筅讫）号需积
充填材料及配比充蕊嚣度
凡口铅锌矿
ＶＣＲ法
３５×（７一ｌＯ）×４０
１４００
鼷ｉ墨髋 胶结ｌ：８ ｌ：１０
…２．５
大冶铜绿山矿
ＶＣＲ法
大厂铜坑锡矿畲譬嘉鬟（１５％茹：∞）
后——充填体侧压系数，后＝ｌ—ｓｉｎ妒。 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Ｏ．３５ｌ～ 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 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。ｙ２＝ｄｘ３，式 中：ｙ——胶结充填体矿柱之高度，ｍ；ｘ——胶结充 填体之强度，朋如；ｇ——系数，建议充填体高度小于 ５０ ｍ时，ａ取６００，充填体高度大于１００ ｍ时，ｄ取
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＝Ｏ．１５ ＭＰａ，妒＝４０。，ｐ＝０．２５，充填体容重为７＝２．３ Ｌ／ｍ３， 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６＝１５ ｍ，
万方数据
朱志彬，等： 充填体强度计算及稳定性分析
１０００。
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）
（ＭＰａ）
（ｍ）
（ＭＰａ）
ｌＯ
Ｏ．５５
３０
１．１４
１５
０．７２
３５
１．２７
２０
Ｏ．８７
４０
１．３９
２５
１．０１
…丝．一． ２．２．３ ｒ１１ｌｏｍ鹊（托马斯）计算 ‘，”一（１＋＾／￡） 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 体强度值范围为０．２６６—０．４６０ ＭＰａ，考虑安全系
流量计 ８—１射线料浆浓度计９—井下管路下料槽（开路） １０一事故池及渣浆泵１１一高压造浆水泵１２一砂泵排浆池
万方数据
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 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。
＾：————————ｊ至———————一
Ｆ·ｓｉ叩［７口ｃｏ印（１一ｃｔ酗警）］
式中：口——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；
７卜卜—滑咄—移全充角系填，体数８容，０重。１．，。２∥；ｍ３；
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。
胶结充填系统立式砂仓放砂浓度控制在６８％ 一７５％之间，胶凝剂经灰仓双螺旋给料机经冲量流 量计计量后送入搅拌桶，经搅拌桶制备好的充填料
浆通过充填井的西１２ｌ咖陶瓷复合钢管、多１０８咖 无缝钢管及中１０８咖聚乙烯管等充填管路自流输
送至充填采场。
压风管—一
水警——－一
圈ｌ充填工艺流程
ｌ一立式砂仑２一水泥仑３—３×税５０水力旋流器组４一双螺旋绘科机５一冲板流量扣说０００×２２∞高速搅拌机７一电磁
新城金矿 安庆铜矿
删上向分层
２０×３０ ｘ（３０一加） １５×加ｘ１２０
焦家金矿 上向进路充填
３．５×３．５
新潲黝深矿孔空场（１揣器知） 大直径深孔
加ｘ６．１ ｘ９ｌ
１２４０
水鎏警婴渣
１…．９
胶结ｌ：７
１６５６
棒艘黪
１…．。４８
ｌ：５ ｌ：８
分级尾砂
１．５
分级尾胶结充 填ｌ：４、ｌ：８
２．７ｌ一３．４７ ２．０８—２．４９