圖拉爾根銅鎳礦充填體合理強度確定

吳大瑋（哈密和鑫礦業有限公司　哈密 839000）

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圖拉爾根銅鎳礦充填體合理強度確定

吳大瑋
（哈密和鑫礦業有限公司哈密 839000）

摘要以圖拉爾根銅鎳礦試驗采場為研究對象，對1 200 m中段的337、339、341采場開展數值模擬，主要研究在隔一采一的回采順序下，不同強度的充填體在各步驟回采過程中的受力及破壞情況是否滿足采礦要求。采用的3個充填體強度方案，均基于類比法和理論計算法的基礎上確定，經過FLAC 3D軟件所得結論分析最終確定方案3為最佳方案，即距離采場頂底板各10 m內充填體強度1.5 MPa，而中部為1.0 MPa，該方案具備充填體穩定，破壞最小，且經濟合理。

關鍵詞地下開采充填體合理強度數值模擬隔一采一

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.01.005

1　前言

哈密和鑫礦業有限公司哈密市圖拉爾根銅鎳礦是新疆有色公司與西部稀貴礦業公司合資的股份制企業。礦山生產規模為2 000 t/d，于2007年開工建設，2010年建成投產。針對圖拉爾根銅鎳礦開采技術條件，確定采用大直徑深孔階段空場嗣后崩落法進行回采。確定滿足采礦要求且經濟上最合理的充填體強度，對于保證礦山安全生產，充分發揮充填采礦法優勢，提高礦山經濟效益具有重要意義。由于礦山開采技術條件各不相同、所用的充填材料、充填工藝各不相同，因此目前尚未有統一的設計標準。國內外大采場充填體合理強度研究主要采用工程類比法、理論分析法、數值模擬法等，并對各種研究方法所得結論進行綜合分析最終確定技術上能滿足要求，經濟上合理的充填體強度。

2　三維有限元數值模擬

2.1數值模擬方案

本次數值模擬針對1 200中段的337、339、341采場開展數值模擬，由于該3個采場位于全礦礦體最厚大處，采場長度較大，充填體暴露面積較大，對充填的要求較高，因此選擇該3采場作為模擬對象具有較好代表性。為便于數值模擬將采場長度統一取70 m，采場高度為50 m，采場結構參數為一礦塊25 m分一二步驟回采，一步驟為10 m，采用深孔回采；二步驟為15 m，采用中深孔回采。

數值模擬主要研究目的是模擬隔一采一的回采順序下，不同強度的充填體在各步驟回采過程中的受力及破壞情況是否滿足采礦要求。本數值模擬所采用的充填體強度方案，在前兩章工程類比法和理論計算的基礎上確定。采用三個方案進行數值模擬，見表1。

表1　一步驟充填的三種方案

2.2數值模擬方法及步驟

采用三維快速拉格朗日法（FLAC 3D）進行模擬計算分析。

模型參數：采場長度取70 m，采場高度為50 m，采場結構參數為一礦塊25 m分一二步驟回采，一步驟為10 m，采用深孔回采；二步驟為15 m，采用中深孔回采。三維數值模擬分為4個步驟，其順序為：

一步驟礦房回采→一步驟礦房充填→二步驟礦柱回采→二步驟礦柱充填。

三維模擬開采時計算模型見圖1。

圖1　三維數值模擬計算模型

本文三維數值模擬的本構模型選擇為Mohr～Coulomb本構模型，該模型的破壞包絡線由Mohr～Coulomb準則確定。模型尺寸參數設計如下：X方向270，Y方向180，Z方向為170。

根據本礦實際情況，該試驗中段高為50 m，底板標高為1 200 m，地表標高為1 370 m，將充填體在垂直方向分為5個階段，每個階段設計為不同的強度，二步驟充填方案參照一步驟方案而定，下部10 m高度充填體灰砂比大致相同，10 m高度以上為灰砂比略為偏小。

2.3巖體力學參數及其破壞準則的選取

參與計算的巖體有橄欖巖、富礦和頂柱上的廢石，其中圍巖全部取為橄欖巖。其強度是對圖拉爾根礦巖石力學參數折減而得，參考N Mohammand在大量試驗結果基礎上得出的巖石與巖體力學參數擬合關系。參與計算的巖體力學參數（表2），以及充填體的力學參數根據前面已獲得的實驗數據來確定（表3）。

表2　巖體力學參數表

表3　充填體的力學參數表

模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。底部所有節點取X、Y、Z三個方向上的約束；對Y方向上取Y方向的約束，X、Z方向自由；對X方向取X方向約束，Y、Z方向自由。即模型的左右邊界、前后邊界和底部邊界均施加位移約束條件，上邊界（Z方向）為自由邊界。上部取該處相對應的地應力。

3　計算與結果分析

根據模擬的結果可以看出，在第一步驟模擬過程中，礦柱最大主應力為9.49 MPa，礦柱拉應力0.3 MPa，頂板拉應力0.607 MPa，底板拉應力0.6 MPa，而且在這一過程中未出現塑性區，參照新疆該銅鎳礦礦巖物理力學性質試驗報告結果，從力學角度上來看，第一步驟回采是安全的。

3種方案在一步驟充填和二步驟回采過程中，充填體在垂直高度上的受力情況（正拉負壓）見表4、表5、表6。

表4　方案1充填體在垂直高度上的受力情況　105Pa

表5　方案2充填體在垂直高度上的受力情況　105Pa

表6　方案3充填體在垂直高度上的受力情況表

充填體在最大拉應力上，方案2充填體1、3、5所受拉應力最大，分別為2.23×105Pa、2.20×105Pa、1.98×105Pa，明顯比其他兩個方案要大。再對方案2進一步分析，從表2～表5可知，方案2在標高1 230 m 和1 240 m處的受力為-1.0×106Pa和2.23×105Pa，而在此兩個標高的充填體強度為0.5 MPa和1 MPa，對應的抗拉強度分別為1.0×105Pa和1.9×105Pa，所以對于方案2在這兩個標高處充填體會發生拉應力破壞。

在這4個步驟中最容易產生拉應力破壞是二步驟回采這一過程，參照實驗室獲得的不同灰砂配比下充填體的單軸抗拉強度和抗壓強度，再根據表2～表4，可以看出方案1在標高1 230 m處充填體受力為1.8×105Pa，而此處灰砂配比為1/8的充填體試驗抗拉強度僅為1.6×105Pa，故充填體在1 230 m處易發生拉應力破壞，導致充填體失穩。

根據表6，充填體在垂直高度上的5個階段的強度均達到了實驗室抗拉和抗壓試驗結果，故方案3是較為合理的。

4　結論

（1）圖拉爾根銅鎳礦采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，兩步驟回采礦塊，頂底柱不回收，因此充填體合理強度研究的重點在一步驟充填體，而二步驟充填體對后續采礦影響較小，僅需確保充填體凝固不成流態化即可確保安全，故不作為研究重點。因而本文借鑒類似條件礦山經驗，建議采用灰砂比1∶15作為二步驟充填參數，其相應強度在0.2～0.5 MPa。

（2）收集類似條件礦山一步驟充填體情況，類比各礦山初步確定的充填體局部強度最大值≤1.5 MPa，而最小局部強度在0.3～1.0 MPa。強度分布規律為充填體頂底部強度偏高，而中部偏低。

（3）經理論分析計算，所得合理強度結論與工程經驗基本相符合，最大強度值在0.75～1.5 MPa，最小強度值在0.26～0.9 MPa。

（4）基于類比法和理論計算所得的從體強度和分布規律，確定了數值模擬的方案，通過模擬采場的采礦充填過程充填體的受力和位移情況。確定了滿足回采技術要求，且經濟合理的方案，即一步驟充填要求距離采場頂底板各10 m高差內的充填體強度需達到1.5 MPa，而中部30 m高度的充填體強度需達到1.0 MPa。

參考文獻

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收稿：2015-12-10