充填体强度计算及稳定性分析

充填体强度计算及稳定性分析

1概述

锡矿山南矿采空区的充填始于上世纪50年代初，当时主要是用矸石充填西部和河床下面的采空区。然而，上世纪60~70年代初，锡矿山曾发生了三次大规模的地压活动，给矿山生产和安全带来了严重的灾害。从这以后，锡矿山南矿的充填采矿技术研究就从未间断，先后使用了干式充填、粗颗粒水砂充填、混凝土胶结充填、全尾砂充填和尾砂胶结充填等充填方法，对于回收资源、降低地表下沉起到了重要的作用。

随着开采深度的增加，地压显现越来越明显。通过对充填体强度和稳定性的分析，来确定更合理的参数，保证充填质量。

2充填工艺

3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。锡矿山南矿属建筑物和水体下采矿,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房回采的安全。一步骤矿壁回采胶结充填体强度大小及稳定性对二步骤矿房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。

3.1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。

表1 国内外部分矿山高大采场充填体配比设计

类比分析锡矿山南矿一步骤采场胶结充填设计强度要达2MPa 以上,即充填灰砂比为1:8~1:12之间,才能够满足南矿采矿方法的要求。 3.2 充填体强度计算

根据充填体现场调查和强度试验结果,主要分析测试配比为1:6的充填体稳定性,根据现场试验结果,取灰砂比为1:6的充填体强度参数c=0.15MPa ，φ=40°，μ=0.25，充填体容重为γ=2.5 t/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b=8m , 采用Terzaghi 模型法和Thomas 计算法分析不同结构参数条件下充填体的受力状况。 3.2.1 模型法 二维太沙基模型:

σy =D (1-e -Ay )/A A=2k ·tgφ/k D=γ-2C/L

式中：σ

y ——充填体内所受应力kPa ；

γ——充填体容重kN/m 3；

L 、B ——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 ； φ——充填料内摩擦角°；

k ——充填体侧压系数k=1-sin φ。

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0.65~0.88MPa ，考虑安全系数, Terzaghi 模型方法充填体强度设计值为1.3~1.76MPa 。 3.2.2 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。y 2=α·x 3,式中: y ——胶结充填体矿柱之高度,m ；x ——胶结充填体之强度，MPa ；α——系数，建议充填体高度小于50m 时，α取600，充填体高度大于100m 时，α取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

σv=γh/(1+h /L)

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，考虑安全系数，Thomas 计算方法充填体强度设计值为0.53~0.92MPa。

综合上述计算分析,充填体的强度设计值为1.3~1.76MPa，从安全角度考虑，按类比法取其设计强度为2. 0MPa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。

h=2c/F·sinβ[γ·a·cosβ(1-ctgβ·tgφ·F)]

式中：a——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；

γ——充填体容重，,t/m3；

F——安全系数，1.2；

β——滑移角，80°。

根据锡矿山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1:6充填体的强度超过2MPa，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

锡矿山南矿一步骤回采后充填采用水泥作胶凝剂，胶结料配比为1:6的充填体28 d试块强度达2MPa以上，实际揭露的充填体强度达2MPa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。3结论

(1)经过不同理论方法计算表明，回采时充填体受力没有超过充填体材料自身强度，充填体在回采过程中基本处于稳定状态。

(2)充填灰砂比在1:6的胶结充填体的自立高度达35m左右，能够满足锡矿山南矿采矿方法的要求，矿柱回采时，充填体是稳定的。

参考文献：

[1]张世超,姚中亮.安庆铜矿特大型采场充填体稳定性分析[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论分析[J].矿业研究与开发, 2007, 27(4): 3~4, 20.

[3]绕从云,刘成平.充填系统技术改造若干经验[J].金属矿山,2004, (增).

[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).