某銀鉛鋅礦下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

1、某銀鉛鋅礦下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究范文濤1，趙純龍1，刁兆龍1，郭奇峰2，嚴(yán)榮富2，陳俊偉2(1. 錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古，錫林郭勒盟 026000；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)摘要：針對某銀鉛鋅礦62線以西泥化圍巖破碎礦體開采問題，開展了下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。通過選用簡支梁模型和兩端固支梁模型對人工假頂和預(yù)留頂柱進(jìn)行力學(xué)分析，得出了假頂在不同厚度及進(jìn)路寬度情況下的彎矩拉應(yīng)力極值表達(dá)式，并引用尖點突變理論推導(dǎo)出了頂柱失穩(wěn)極限厚度尺寸。建立了高灰砂比（膠固粉摻量14.3%25%）強度預(yù)測模型，通過安全系數(shù)法確定假頂強度的

2、安全約束，并進(jìn)行充填成本分析，建立了人工假頂安全-經(jīng)濟(jì)模型。分析計算得出：該礦最優(yōu)進(jìn)路寬度3m，假頂厚度1m，假頂配比1:6，單條進(jìn)路充填成本71.13元/m3；安全系數(shù)1.5，極限礦體厚度9m情況下，頂柱厚度為810m較為安全經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵詞：下向進(jìn)路；充填采礦；參數(shù)優(yōu)化；成本分析中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號：Study of stope structure parameters optimization for downward drift backfill stopping in a Ag-Pb-Zn MineFAN Wentao1，ZHAO Chunlong1，DIAO Zhaol

3、ong1，GUO Qifeng2，YAN Rongfu2，CHEN Junwei2 (1. Xilin gol Shandong Gold Group Baiyinhu Mining CO., LTD. Xilin gol 026000, China; 2. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract：Aiming at the mining problem of the broken ore body

4、 in the muddy surrounding rock west of exploration line 62 of a silver-lead-zinc mine, the optimization research of stope structure parameters with the downward drift filling method was carried out. Based on the mechanical analysis of artificial roof and reserved top pillar by using simply supported

5、 beam model and clamped-clamped beam, the expression of extreme bending condition tensile stress of artificial roof under different thickness and width of drift was obtained, and the size of limit thickness of top pillar instability was deduced by using the cusp catastrophe theory. A strength predic

6、tion model with high cement-aggregate ratios (cementation powder contents 14.3%25%) was established, the safety constraint of artificial roof strength was determined by safety factor method, and filling cost analysis was carried out to establish the safety-economic model of artificial roof. Accordin

7、g to the analysis and calculation, the optimal drift width of the mine is 3m, the artificial roof thickness is 1m, the filling slurry ratio of artificial roof is 1:6, and the filling cost of a single path is 71.13 yuan /m3.The safety factor is 1.5. Under the condition of the limit ore body thickness

8、 of 9m, the top pillar thickness of 810m is relatively safe and economical.Keywords：downward drift; backfill stoping; parameters optimization; costs analysis收稿日期： - - 責(zé)任編輯： 基金資助；國家自然科學(xué)基金重點項目(51734001)。第一作者簡介：范文濤（1986），男，碩士，工程師，主要從事采礦方法及工藝技術(shù)工作，E-mail: 910718236。 引用格式：范文濤，趙純龍，刁兆龍，等. 某銀鉛鋅礦下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

9、優(yōu)化研究J. 有色金屬(礦山部分）， ， （ ）： - . doi：10.12075/j.issn.1004-4051. 下向進(jìn)路充填法作為一種開采破碎礦脈的有效手段，已在國內(nèi)有色金屬礦山中得到成功應(yīng)用1-4。人工假頂作為影響下向進(jìn)路充填法采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)件而被廣泛關(guān)注：劉志義等人采用彈性薄板理論對假頂失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析，并通過FLAC3D模擬確定了最優(yōu)假頂厚度參數(shù)5；楊春城對下向進(jìn)路穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了敏感性分析，發(fā)現(xiàn)假頂厚度對進(jìn)路穩(wěn)定性影響最為敏感，其次為進(jìn)路寬度和進(jìn)路高度6；黃丹等人進(jìn)一步研究了假頂充填體強度與配筋參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)，并形成了假頂強度及配筋率整體方案7。對下向進(jìn)路充填法采場

10、穩(wěn)定性的分析多側(cè)重于人工假頂，而預(yù)留階段頂柱的力學(xué)行為同樣不容忽視8。此外，充填成本是限制該種采礦方法推廣的原因之一9。本文通過分析進(jìn)路寬度與人工假定厚度及充填體強度之間的相互關(guān)聯(lián)，并分析預(yù)留頂柱的失穩(wěn)條件，從安全和經(jīng)濟(jì)的角度，對某鉛鋅礦下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，為該礦安全生產(chǎn)提出成本合理化建議。1 工程概況1.1 礦床開采技術(shù)條件某銀鉛鋅礦礦體急傾斜，主礦體平均厚度為5.14m。該礦體受構(gòu)造蝕變破碎帶影響，62線以西礦體破碎，上盤圍巖泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，易發(fā)生頂板圍巖垮塌事故，頂板穩(wěn)定性難以控制，生產(chǎn)能力受限。此外，隨開采深度逐漸增大，深部地壓顯現(xiàn)逐步明顯，開采難度加大。礦區(qū)+350

11、m+80m水平地應(yīng)力測量及回歸分析結(jié)果如圖1所示，礦巖力學(xué)參數(shù)見表1。圖1 某銀鉛鋅礦地應(yīng)力隨深度變化規(guī)律Fig.1 Variation law of in-situ stress with depth in a silver-lead-zinc mine1.2 采礦方法該礦原使用上向進(jìn)路充填法開采，現(xiàn)受開采技術(shù)條件變化影響，擬采用下向進(jìn)路充填法開采62以西礦體。中段開采預(yù)留頂柱，中段內(nèi)劃分分段，分段垂直高度10.5m，分層垂直高度3.5m，每個分段服務(wù)三個分層。分層內(nèi)根據(jù)礦體厚度劃分13條進(jìn)路自礦體上盤向下盤依次回采，采場結(jié)構(gòu)示意如圖2（a）所示。回采結(jié)束后，構(gòu)筑人工假頂（高強度尾砂膠結(jié)充填

12、體+鋼筋），充入普通充填體（灰砂比為1:15）接頂，以此代替頂板破碎礦巖，減少回采過程中的支護(hù)工作，達(dá)到在保障回采安全的前提下提高生產(chǎn)強度的目的。2 力學(xué)模型分析2.1 人工假頂力學(xué)模型分析下向進(jìn)路充填法充填體分層依次堆疊，按照組合梁承載原理計算人工假頂所受載荷，如圖2（b）所示。人工假頂所受載荷由自重及上覆充填體自重組成，則人工假頂所受載荷qa表示為式(1)：(1)式中：q1、1、h1依次為人工假頂自重、容重、厚度，q2、2、h2依次為普通充填體自重、容重、厚度。研究人工假頂失穩(wěn)機(jī)理常用的兩種力學(xué)模型為簡支梁理論模型和薄板理論模型10，在假定人工假頂為連續(xù)、均質(zhì)且在未發(fā)生屈服破壞之前為線彈性

13、體的基礎(chǔ)上，簡支梁理論模型假定人工假頂彎曲不受水平應(yīng)力影響，而薄板理論模型則限制人工假頂厚度與其水平方向最小尺寸比小于1/5。施工經(jīng)驗表明11，為保證假頂穩(wěn)定性使假頂彎曲不受水平應(yīng)力影響，在假頂與圍巖連接處采取加強措施；考慮現(xiàn)場巖體質(zhì)量，該礦采場進(jìn)路寬度與極限假頂厚度之比均大于1/5。因此，宜將人工假頂設(shè)計模型簡化為簡支梁模型，根據(jù)簡支梁彈性理論11-12易得到其彎矩拉應(yīng)力極值max為式(2)：(2)式中：l為1/2進(jìn)路寬度，h為人工假頂厚度，p為人工假頂自重應(yīng)力。據(jù)此，可根據(jù)進(jìn)路寬度和人工假頂厚度計算假頂?shù)臉O限抗拉強度值，進(jìn)而設(shè)計充填配比參數(shù)。2.2 頂柱力學(xué)模型分析下向進(jìn)路充填法中，頂柱起

14、到支撐上、下盤圍巖，降低圍巖收斂位移的作用，同時承載著上覆充填體，控制充填體失穩(wěn)冒落。頂柱受上覆充填體及巖層施加的壓力作用，可視為受垂直頂柱方向的均布載荷qb。上覆充填體強度越高，自承載性越好，施加于頂柱的壓力越小。此外，頂柱還受到巖層內(nèi)部水平方向的地應(yīng)力N作用。則qb可表示為式(3)：(3)式中：q3、3、h3依次為頂柱上覆充填體自重、容重、中段高度，q4、4、h4依次為上覆巖層自重、容重、高度。表1 某銀鉛鋅礦礦巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical properties of ore & rock in a silver-lead-zinc ore材料密度/kg/m3彈性模量/G

15、Pa泊松比抗壓強度/MPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/圍巖270016.000.288.232.2941.35礦體290019.130.2112.843.8341.57圖2 下向進(jìn)路充填法采場結(jié)構(gòu)示意及力學(xué)模型Fig.2 Stope structure schematic and mechanical model of downward drift backfill stoping頂柱巖層內(nèi)部水平載荷N根據(jù)礦體埋深及構(gòu)造應(yīng)力方向，按圖1所示回歸方程進(jìn)行計算。取首層回采進(jìn)路頂柱，設(shè)a為頂柱（空區(qū)頂板）沿采場方向長度，b為頂柱垂直采場方向?qū)挾龋琀為頂柱厚度。頂柱在qb，N二力作用下，呈現(xiàn)壓彎組合變形，

16、頂柱的穩(wěn)定性除取決于上述二力作用外，還取決與頂柱厚度和結(jié)構(gòu)的約束條件。頂柱為礦體的一部分，四周與上、下盤圍巖及礦體相接，可將頂柱四周視為固支約束，則頂柱設(shè)計模型可簡化為圖2（c）所示。根據(jù)頂柱結(jié)構(gòu)受力情況，系統(tǒng)總勢能V由頂柱結(jié)構(gòu)的形變勢能U、上覆壓力qb引起的外力勢能Wq和平行與頂柱平面的水平應(yīng)力N引起的勢能WN三部分組成：(4)(5)(6)式中：D為頂柱（采空區(qū)頂板）的抗彎剛度，k為頂柱曲率，f為頂柱撓度勢函數(shù)，s為從頂柱端點到軸線上任意點的弧線長，E為礦體彈性模量，為礦體泊松比。根據(jù)簡化的兩端固支模型，固支端的邊界條件為：，(7)選擇頂柱結(jié)構(gòu)的撓度勢函數(shù)為：(8)式中：A為待定系數(shù)。采用尖

17、點突變理論13分析頂柱失穩(wěn)條件，將(5)(8)代入(4)，得到頂柱結(jié)構(gòu)的總勢能函數(shù)(9)，則表示成尖點突變理論的標(biāo)準(zhǔn)勢函數(shù)形式(10)：(9)(10)式中：x為狀態(tài)參量，u，v為控制參量。根據(jù)尖點突變理論可知，u0是頂柱結(jié)構(gòu)（采空區(qū)頂板）失穩(wěn)的必要條件，為保證頂柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需滿足u0。則聯(lián)立標(biāo)準(zhǔn)勢函數(shù)(10)對x的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)得到頂柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分叉集方程，并根據(jù)u0綜合推導(dǎo)，得到頂柱失穩(wěn)的臨界厚度條件為：(11)據(jù)此可計算得到預(yù)留頂柱臨界厚度尺寸。3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究3.1 人工假頂參數(shù)優(yōu)化某銀鉛鋅礦采用選廠分級尾砂作為充填骨料，膠固粉作為膠結(jié)料，現(xiàn)場料漿質(zhì)量濃度一般為68%70%。

18、根據(jù)充填料漿物理力學(xué)試驗，濃度為70%，灰砂比1:3，1:4，1:6（換算成膠固粉摻量依次為25.0%，20.0%，14.3%）100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊3d，7d，28d單軸抗壓強度如圖3所示，容重為1.71.8t/m3。圖3 質(zhì)量濃度70%膠固粉摻量與單軸抗壓強度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between cementation powder contents & uniaxial compressive strength (mass concentration 70%)由試驗結(jié)果可知，該礦充填料漿在高灰砂比（1:3至1:6）情況下，7d抗壓強度約為3.07.1MPa。以膠

19、固粉摻量m為自變量，充填體強度f為因變量，使用最小二乘法進(jìn)行擬合，該礦膠固粉摻量與強度關(guān)系模型：，R2=0.99571(12)，R2=0.99033(13)，R2=0.98654(14)抗拉強度一般約為抗壓強度的13%19%14，假頂構(gòu)筑時輔以鋼筋來提高充填體抗拉強度?？紤]到實際充填過程中會存在下料不均等情況導(dǎo)致充填體強度降低，而假頂?shù)姆€(wěn)定是確保下向進(jìn)路充填法成功實施的前提，因此選取13%作為抗拉強度預(yù)測參數(shù)。則基于安全系數(shù)法15，在不同進(jìn)路寬度及人工假頂厚度條件下，假頂料漿強度須滿足式(15)：(15)式中：為安全系數(shù)許用強度，n為安全系數(shù)，較高的安全系數(shù)會導(dǎo)致充填成本過高，較低的安全系數(shù)則

20、使承載層可靠性降低。因此，權(quán)衡安全與經(jīng)濟(jì)，選取n=1.5作為人工假頂設(shè)計安全系數(shù)。則根據(jù)公式(2)計算得到進(jìn)路寬度及假頂厚度變化下，充填體強度須滿足的安全系數(shù)許用值如圖4所示。由圖4可知，人工假頂須滿足的設(shè)計強度值隨假頂厚度提高顯著降低，隨進(jìn)路寬度增大變化較為平緩。當(dāng)假頂厚度設(shè)計合理時，所能適應(yīng)的進(jìn)路寬度范圍較大，且設(shè)計強度值較低，對應(yīng)的充填成本也較低。圖4 基于安全系數(shù)法的人工假頂設(shè)計強度曲面投影Fig.4 Design strength surface projection of artificial roof based on safety factor method該礦下向進(jìn)路充填法人

21、工假頂膠固粉單耗為1.6m t/m3，普通充填體膠固粉單耗為0.100 t/m3（灰砂比1:15），所用膠固粉單價為520元/t，尾砂為選廠廢料不計材料費，則單條進(jìn)路每米充填成本C（元/m）可表示為：(16)聯(lián)立式(2)，(13)，(15)和(16)可得到人工假頂安全-經(jīng)濟(jì)模型。l，h，m任一項增大都會導(dǎo)致充填成本C的增大，當(dāng)l，h取極限值，即l=1.5（考慮設(shè)備運行安全間距的進(jìn)路寬度為3m），h=3.5時，普通充填體被假頂替代，灰砂比增大，使得C增大。因而，在滿足安全約束的前提下，減小h，增大m可使C達(dá)到最小值。由此分析可知，當(dāng)l=1.5（進(jìn)路寬度3m），h=1.0，m=14.3%（灰砂比1

22、:6，7d抗壓強度約為3.00MPa）時，計算得到假頂所受彎矩拉應(yīng)力極值為0.217MPa，n=1.5滿足安全約束，此時，單條進(jìn)路最小充填成本為71.13元/m3。3.2 頂柱參數(shù)優(yōu)化根據(jù)上述礦巖、充填體物理力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力測量結(jié)果，考慮礦體極限厚度9m情況，按照基于尖點突變理論推導(dǎo)的固支梁模型失穩(wěn)條件，即公式(11)，計算頂柱臨界厚度：同時，使用簡支梁模型計算頂柱厚度（使用13%作為抗拉強度預(yù)測參數(shù)），對比兩種模型在不同頂柱厚度情況下所達(dá)到的安全系數(shù)，如圖5所示。預(yù)留頂柱厚度為6m時，頂柱所受拉應(yīng)力為1.35MPa，安全系數(shù)n=1.15；頂柱厚度增大至10m時，拉應(yīng)力減小至1.01MPa，n

23、=1.54。因此，頂柱厚度在810m范圍內(nèi)較為合適，可兼顧回采安全性和經(jīng)濟(jì)性。圖5 頂柱厚度安全系數(shù)變化曲線Fig.5 Relationship between top pillar thickness & safety factors4 結(jié) 論1）本文根據(jù)人工假頂和頂柱所受載荷及自身結(jié)構(gòu)特點，分別選用簡支梁模型和兩端固支梁模型進(jìn)行分析，得出假頂在不同厚度及進(jìn)路寬度情況下的彎矩拉應(yīng)力極值表達(dá)式，并引用尖點突變理論得出頂柱失穩(wěn)極限厚度尺寸。2）根據(jù)充填體強度試驗結(jié)果建立高灰砂比（膠固粉摻量14.3%25%）強度預(yù)測模型。引入安全系數(shù)法確定假頂強度的安全約束，并進(jìn)行充填成本分析，建立人工假頂安全-

24、經(jīng)濟(jì)模型。經(jīng)分析計算，確定最優(yōu)進(jìn)路寬度為3m，假頂厚度1m，假頂配比1:6，單條進(jìn)路充填成本71.13元/m3。3）根據(jù)頂柱失穩(wěn)極限厚度尺寸，引入安全系數(shù)法，確定在安全系數(shù)1.5，極限礦體厚度9m情況下，頂柱厚度為810m較為安全經(jīng)濟(jì)。礦體厚度較小時，可適當(dāng)降低頂柱厚度。參考文獻(xiàn)張連富，吳愛祥，王洪江，等. 基于突變理論的人工假頂設(shè)計與安全性分析J.有色金屬(礦山部分)，2017, 69(02)：86-90.ZHANG Lianfu, WU Aixiang, WANG Hongjiang, et al. Design and safety analysis of artificial roof

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