毛坪铅锌矿下向水平分层充填体布筋优化研究.pdf

毛坪铅锌矿下向水平分层充填体布筋优化研究黄灏1,2,乔登攀1(1.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 0 9 3;2.彝良驰宏矿业有限公司,云南 彝良县 6 5 7 6 9 9)摘 要:毛坪铅锌矿使用下向水平分层六角形进路充填采矿法对遗留的水平矿柱进行回采,为提高充填体强度保障回采工作安全,提出了1种素充填体和3种加筋充填体共4种充填体方案。采用F L A C 3 D软件从最大主应力、最小主应力和Z方向位移3个方面对六角形进路回采进行了数值计算分析,在明确了充填体加筋的必要性的同时,优选出方案2为最优方案,即六角形进路结构规格为3m 5m5m,主筋网度为1 0 0 0mm1 0 0 0mm,副筋网度为(3 0 03 5 0)mm(3 0 03 5 0)mm。依照方案2的布筋方案进行了现场施工后,通过观察发现充填体无垮塌、无掉落,充填体安全可靠,此布筋方案可为同类型矿山回采水平矿柱设计充填体时提供参考依据。关键词:下向水平分层;六角形进路充填采矿法;F L A C 3 D;胶结充填体;布筋方案 0 引言矿山为了提高生产效率,不可避免地需要进行双中段或多中段同时回采1,当上下中段同时回采时,就会形成水平矿柱,水平矿柱是双中段(多中段)同时回采的必然产物,它有随着开挖逐渐变薄的动态变化特点2。王晓军等3提出了充填体中合理的布筋方式,提高了顶板的稳定性,确保了回采过程的安全。赵奎等4经过试验统计和分析,将钢筋的受力情况划分为4个阶段。乔登攀等5对龙首矿采用下向六角形回采进路断面,设计了8种方案进行模拟分析,发现目前断面规格可适度加大。唐长松等6分析了普通的下向充填采矿法的正方形进路断面,相较而言,六角形进路断面的受力状态好,顶板暴露面窄,不易冒顶;下部矿石呈近似自然安息角,不会片帮。姚维信7对下向水平分层六角形进路充填采矿法中的六角形进路的形成进行了探究,分析其受力情况,并对巷道周边孔进行光面爆破,分析与研究了六角形断面的形成。张涛8对于下向分层充填采矿法进行探索,得出回采工作的安全性、充填体结构的稳定性是由多方因素决定的。张国龙等9发现,采用下向充填采矿法进行回采作业时,回采巷道的中部是最容易发生破坏的地方,破坏往往是从中部向四周延伸,因此,对回采巷道中部的监测十分重要,应多布置监测点。此外,当回采巷道的顶底板为素充填体时,充填体的稳定性不高,矿山的安全生产存在隐患,当回采巷道出现交叉分层时应该在素充填体中进行加筋处理,以提高充填体的安全稳定性,防止充填体出现掉块。由于水平矿柱内应力集中程度较高,开采难度较大,龙首矿经过长时间的摸索,发现采用下向水平分层六角形进路充填采矿法对此类矿体进行回采,可在保障安全的前提下最大化提高生产效率1 0。下向水平分层六角形进路采矿工艺中,充填体顶底板的稳定性是回采进路保持正常回采工作的重要保障,直接关系着下向水平分层六角形进路采矿法的成功与否1 1。充填体中加不加筋、如何布筋是毛坪铅锌矿长期争论的问题,加筋主要是防止充填体脱层与掉块,由于毛坪矿采用高浓度充填工艺,充填体分层、离析得以控制,整体性较好,因此,本文针对充填体不同布筋方式下的稳定性加以分析,为设计和生产提供支持。1 充填体布筋方案毛坪铅锌矿设计采矿能力为2 0 0 0t/d,生产规模为6 6万t/a。根据矿山保有储量及深部探矿不断取得的新成果,矿山实际服务年限达到1 0a以上。I 6号矿体呈似层状或筒状,形状较规则,矿体厚度大、倾角大,品位高且分布均匀,是主要开采对象。开采区域内矿岩主要特征为:完整性较好的高I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3品位矿石、完整性一般的低品位矿石以及高品位黄铁矿在开采区域中随机分布,相互穿插,规律不明显,控制着矿岩的整体稳固性。根据下向水平分层六角形进路充填采矿法的工艺特点,采取多方案对比的形式设计了4种模拟方案(是否加筋、不同钢筋网度,见表1)。充填体布筋如图1所示,对此4种布筋方案进行F L A C 3 D模拟计算,对加筋或素充填体进行最大主应力、最小主应力和Z方向位移3个方面进行充填体分析,通过模拟结果对比各个方案的优劣,并从中选取最优充填体布筋方案。表1 4种充填体布筋方案方案进路结构/m主筋网度/(mmmm)副筋网度/(mmmm)是否加筋13 5 51 0 0 0 1 0 0 05 0 0 5 0 0是23 5 51 0 0 0 1 0 0 0(3 0 0 3 5 0)(3 0 0 3 5 0)是33 5 51 0 0 0 1 0 0 02 5 0 2 5 0是43 5 5否图1 充填体布筋2 F L A C 3 D数值模型的建立与分析2.1 模型建立与充填体力学参数采用F L A C 3 D软件建立盘区数值模型,模型划分为8 4 5 0单元,8 3 3 2节点,模型四周限制水平位移,模型底部限制垂直位移,模型上部边界应力施加相应埋深的垂直荷载。模型设置为大变形,三维有限元几何模型如图2所示,六角形进路布置模型如图3所示。充填体力学参数见表2。图2 三维有限元计算模型图3 六角形进路布置表2 充填体力学参数充填体方案弹性模量/G P a抗拉强度/M P a泊松比内摩擦角/()内聚力/M P a方案11.5 81.6 00.3 2 04 0.2 30.4 5方案21.5 91.6 20.3 2 54 1.4 40.5 9方案31.6 11.6 30.3 3 04 2.6 10.5 4方案41.5 11.5 20.3 1 03 90.4 22.2 最大主应力分析六角形进路回采的方案1到方案4最大主应力等值线云图分别如图4、图5、图6和图7所示。图4 方案1最大主应力等值线云图图5 方案2最大主应力等值线云图441采矿技术2 0 2 3,2 3(3)图6 方案3最大主应力等值线云图图7 方案4最大主应力等值线云图 从4个方案的最大主应力图中的计算结果可以看出,最大主应力(即图中显示压应力)的值都在-1 5-0.4 9M P a之间,并且都在六角形进路结束出矿形成分层道采空区后,六角形进路顶底板处应力获得释放并降低,形成了以开采空区为中心的应力释放圈,从各个方案可看出其值都在-0.4 9 5-2M P a,方案1进路顶板最大主应力为-0.7 5M P a;方案2进路顶板最大主应力为-0.5 2M P a;方案3进路顶板最大主应力为-0.4 5M P a;方案4进路顶板最大主应力为-1.5M P a。六角形进路的底板拐角及顶板两侧出现了最大主应力集中现象。数值结果表明分层道和进路结构尺寸相同的条件下,布筋充填体最大主应力小于素充填体,对于布筋充填体而言,充填体底部钢筋网度越密,其出现的最大主压应力就越小,这说明增大充填体钢筋网度有利于顶板充填体的稳定。2.3 最小主应力分析方案1到方案4六角形进路回采的最小主应力等值线云图分别如图8、图9、图1 0和图1 1所示。图8 方案1最小主应力等值线云图图9 方案2最小主应力等值线云图图1 0 方案3最小主应力等值线云图541黄灏,等:毛坪铅锌矿下向水平分层充填体布筋优化研究图1 1 方案4最小主应力等值线云图由方案1最小主应力分布区间可以看出,进路顶板出现拉应力,其值分布于0.8 40M P a之间,最大拉应力值为0.8 4M P a。方案2进路顶板最小主应力分布于0.8 3-1M P a之间,由最小主应力分布区间可以看出,进路顶板出现拉应力,其值分布于0.8 3 0M P a之间,最大拉应力值为0.8 3M P a。方案3进路顶板最小主应力分布于0.8 2-1M P a之间,由最小主应力分布区间可以看出,进路顶板出现拉应力,其值分布于0.8 20M P a之间,最大拉应力值为0.8 2M P a;方案4进路顶板最小主应力分布于1.4 3-1M P a之间,由最小主应力分布区间可以 看 出,进 路 顶 板 出 现 拉 应 力,其 值 分 布 于1.4 3 0M P a之间,最大拉应力值为1.4 3M P a。由上述分析可知,在进路结构尺寸相同的条件下,布筋充填体较素充填体具有明显抑制拉应力的作用,且充填体底部钢筋网度越密,其抑制拉应力的能力越强,对于抗拉较弱的充填体而言,可防止在拉应力作用下出现脱层与掉块,保持充填体稳定。2.4 位移分析方案1到方案4六角形进路回采的垂直位移等值线云图分别如图1 2、图1 3、图1 4和图1 5所示。方案1进路顶板最大沉降位移为4.5mm;方案2进路顶板最大沉降位移为4.3 5mm;方案3进路顶板最大沉降位移为4.2 2mm;方案4进路顶板最大沉降位移为6.2 2mm。由上分析可知,在分层道和进路结构尺寸相同的条件下,铺筋充填体抵抗下沉的能力优于素充填体,而且充填体底部钢筋网度越密,其限制充填体下沉的能力越强。图1 2 方案1Z方向位移等值线云图图1 3 方案2Z方向位移等值线云图图1 4方案3Z方向位移等值线云图641采矿技术2 0 2 3,2 3(3)图1 5 方案4Z方向位移等值线云图2.5 综合分析进路结构尺寸相同的条件下,配筋充填体(方案1、方案2、方案3)应用效果明显优于素充填体(方案4);对于配筋充填体来说,充填体底部钢筋网度越密,其最大主应力越小,抑制拉应力的能力越强。对于抗拉较弱的充填体而言,钢筋网可防止其在拉应力作用下出现脱层与掉块,保持充填体稳定,限制充填体下沉;就分析结果而言,方案3优于方案2和方案1,方案2优于方案1。但是,矿山实际应用中,既要考虑应用效果,又要考虑成本投入,就方案2和方案3的分析结果而言,加密钢筋网度虽然充填体稳定性较优,但并未明显改变充填体最大主应力、最小主应力和顶板下沉。(1)方案2进路顶板最大压应力为-0.5 2M P a;方案3进路顶板最大压应力为-0.4 5M P a。(2)方案2进路顶板最大拉应力值为0.8 3M P a。方案3进路顶板最大拉应力值为0.8 2M P a。(3)方案2进路顶板最大沉降位移为4.3 5mm;方案3进路顶板最大沉降位移为4.2 2mm。就充填成本而言,如采用方案3方式布筋,每一米六角形进路将比方案2多使用6 m直径为6.5mm的圆钢。综上分析可知,方案2为最优的充填体布筋方案。3 现场应用毛坪铅锌矿采用下向水平分层进路充填采矿法对矿体进行多中段同时回采,随着回采效率的提高,造成了水平矿柱的遗留,为了能够安全回采矿石,降低矿石损失贫化率,对遗留的水平矿柱采用下向水平分层六角形进路充填采矿法进行回采,并通过采用F L A C 3 D软件进行数值计算所优选出经济合理的布筋方案对充填体进行加固,提高充填体稳定性,充填体具体布筋方案如图1 6至图1 8所示。图1 6 倒梯形进路布筋方案图1 7 六角形进路布筋方案图1 8 假底用金属网(辅筋网)(单位:m m)3.1 铺设钢筋网当进路回采结束后,必须对进路、分层道底板进行扒平,两底角无残留矿石,底板无积水,底板上不能有直径超5 0mm的矿块,保证底板在一个水平面上,底板局部高差小于2 0 0mm。分层道以及六角形进路底板选用 1 2mm螺纹钢,网度为1 0 0 0mm1 0 0 0mm,交叉处用铁丝捆绑,相邻进路钢筋网要相互焊接(双面焊),焊接长度不小于1 0c m,敷设时沿进路两帮预留5 0 0mm,钢筋网用石块垫高1 0 01 5 0mm;进路与矿体上盘或端部围岩接触时,需打入锚杆悬吊假底钢筋网,锚杆741黄灏,等:毛坪铅锌矿下向水平分层充填体布筋优化研究采用1根 3 0mm圆铁加工的倒楔锚杆,长度为1 5 0 0mm,间距为1 5 0 0mm。采用 6.5mm的圆钢加工成网度为3 0 03 5 0mm的钢筋网,铺设在主筋网上方,主筋与钢筋网相互搭接,进路侧帮也采用钢筋网进行护帮,钢筋网铺设于吊筋之上,两者要求相互搭接。3.2 吊挂进路底板每根主横筋需与两根吊筋焊接,主筋网度为1 0 0 0mm1 0 0 0mm,为满足焊接要求吊筋选用 1 2mm螺纹钢,间距为1 0 0 0mm,进路底角处用 1 2mm螺纹钢制作吊环,吊环带弯钩,用来连接分层充填吊筋。当上层吊环没入充填体时(无法找到),需重新制作吊环,施工要求为:在上分层充填体相应位置打入1.2m(含弯钩)的吊挂锚杆,锚杆注浆长度大于8 0 0mm,吊筋必须吊挂牢固;分层道与矿体下盘或端部围岩接触时,需打入1根倒楔锚杆悬吊假底钢筋网,锚杆采用 3 0mm圆铁加工而成,长度为1 2 0 0mm,间距为1 0 0 0mm。从应力方面来比较,上下盘连成一体增强了充填体的稳固性,使得应力变化趋于稳定,而且充填体配筋作用使拉应力值和拉应力区域相应减少,提高了人工假顶的稳定性,这正是充填体内配置钢筋网的力学机理所在。从位移方面来比较,回采进路充填体底部配置钢筋网后,与充填体形成一体并能阻止上部充填体的变形。即使上部充填体产生变形,由于受到钢筋网的保护,产生的位移很小,所发挥的作用与桁架的作用是一致的。在实际生产中,为了减少进路及分层道的暴露时间及面积,采完一定的回采进路和分层道后,可间隔一定距离在分层道内堆砌堵墙然后充填采空区,这样能使顶板内的拉应力大大降低。4 结论应用F L A C 3 D软件建立了六角形进路数值模型,应用强度等效原则确定了六角形进路底部不同配筋充填体的力学参数,通过对比素充填体和不同配筋充填体应力状态得出以下结论。(1)素充填体和配筋充填体内的最大主应力表现出相似的变化规律,即随开挖步骤的变化而减小,并逐渐趋于稳定。分析结果表明,分层道和进路结构尺寸相同的条件下,布筋充填体最大主应力小于素充填体,对于布筋充填体而言,充填体底部钢筋网度越密,其最大主应力越小。(2)在分层道和进路结构尺寸相同的条件下,布筋充填体较素充填体具有明显抑制拉应力的作用,且充填体底部钢筋网度越密,其抑制拉应力的能力越强,对于抗拉较弱的充填体而言,钢筋网可防止充填体在拉应力作用下出现脱层与掉块,从而保持充填体稳定。(3)在分层道和进路结构尺寸相同的条件下,铺筋充填体抵抗下沉的能力优于素充填体,而且充填体底部钢筋网度越密,其限制充填体下沉的能力越强。(4)在现场采用所优选出的布筋方案来提高充填体的稳定性,通过实际观察,发现充填体符合安全施工标准,充填体的稳定性足以保障安全施工。参考文献:1 程国龙.毛坪铅锌矿水平矿柱形成与回采方法研究D.昆明:昆明理工大学,2 0 1 7.2李宏业.大断面六角形进路爆破试验研究J.爆破,2 0 1 9,3 6(4):4 9-5 5+1 2 5.3王晓军,付振涛,程秋亭,等.合理布筋方式提高顶板充填体稳定性试验研究J.有色金属科学与工程,2 0 1 1,2(1):7 3-7 6.4赵奎,王晓军,刘洪兴,等.布筋尾砂胶结充填体顶板力学性状试验研究J.岩土力学,2 0 1 1,3 2(1):9-1 4+2 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