1、某铜矿分段空场嗣后胶结充填法人工假顶厚度计算及分析 朱俊宁 赵周能 张志贵 陈勃 陈思洁 陈星明 西南科技大学环境与资源学院 摘 要： 某铜矿采用分段空场嗣后充填法进行回采, 开采过程中在顶柱中留有大量矿石, 成为永久损失。为安全有效地回收遗留在顶柱中的高品位矿石, 需在上中段底部铺设人工假底作为下中段的人工假顶。由于人工假顶厚度是影响巷道稳定性的重要因素, 因此本文针对该铜矿的 2 640m 中段建立了钢筋混凝土人工假顶力学模型并进行受力分析。在此基础上利用塌落拱原理与组合梁理论分别计算了人工假顶的厚度, 并得出该矿的人工假顶厚度为 1.5m。该方法可为同类矿山借鉴。关键词： 分段空场嗣后胶
2、结充填法; 人工假顶; 力学模型; 厚度计算; 作者简介：朱俊宁 (1991-) , 男, 硕士研究生, 矿业工程专业。Calculation and analysis on the thickness of artificial roof by sublevel open stoping backfilling method used in a copper mineZHU Junning ZHAO Zhouneng ZHANG Zhigui CHEN Bo CHEN Sijie CHEN Xingming School of Environment and Resource, Southw
3、est University of Science and Technology; Abstract： In the mining process, a large amount of ore was left in the support pillar to be permanent loss with sublevel open stoping backfilling method.To stope high quality ore that left in the support pillar safely and effectively, it is necessary to lay
4、a artificial bottom as the roof on the next stage.Because the thickness of the artificial roof is a significant element influenced the stability of the tunnel, a mechanics model of reinforced concrete artificial roof for the underground 2 640 mstage in this mine is established and the force conditio
5、n in this paper is analyzed.On the basis, Arch collapse principle and composed rock beam theory are used to calculate the reasonable thickness of the artificial roof respectively, and as a result, the thickness of the artificial roof is 1.5 min the mine.The method can be used for reference in other
6、similar mines.Keyword： sublevel open stoping backfilling method; artificial roof; mechanics model; thickness calculating; 某铜矿矿体属急倾斜中厚矿体, 采用分段空场嗣后胶结充填法开采, 目前主要回采 2 760m 中段, 2 700m 中段与 2 640m 中段正进行开拓采准工作。该铜矿大部分矿块预留顶柱 (高 6m) , 顶柱矿量约占各中段矿量的 10%, 且矿石品位多属富矿之列。充分回收这部分资源, 无论是提高矿山的经济效益、增加资源的回采率, 还是促进矿山可持续发展,
7、 都有着十分重要的意义。由于矿体顶板围岩主要为石英绢云母千枚岩, 底板围岩主要为石英绿泥石千枚岩、含铁碳质石英绢云母千枚岩, 岩石稳定性较好。除碳质千枚岩段质量属中等外, 其余岩段质量均属中等以上, 岩石普氏系数 f=410, 因此, 为了更安全有效地回收遗留在顶柱中的高品位矿石, 针对矿体厚度在 10 m 以上的矿块, 需在中段底部铺设人工假底作为下一中段顶柱回收的人工假顶。鉴于目前的开采现状, 2 760m 中段正在进行回采且已回采大部分矿房, 因此将研究对象定位 2 640m 中段 (即在 2 700m 中段底部铺设人工假底作为 2 640m 中段顶柱回采的人工假顶) 。1 顶柱回采方法
8、概述某铜矿中段高 60 m, 顶柱高 6 m, 采用进路胶结充填法回采, 沿走向布置的典型方案如图 1 所示, 采场长 3040m, 宽 45m;垂直走向布置时, 采场长为矿体厚度, 采场宽度与沿走向布置一致。由于顶柱上部预先铺设了钢筋混凝土人工假顶, 可一次采全高, 采高 6m。为了保证回采顶柱安全, 要求人工假顶有足够的强度, 一方面能够承载上部充填体施加的压力, 另一方面有足够的允许暴露时间, 确保直接暴露在假顶之下的作业人员的安全。图 1 进路胶结充填法顶柱沿走向布置的回采方案 Fig.1 Stoping scheme of the support pillar laid along
9、the strike by the method of drift cut and filling stoping 下载原图2 人工假顶力学模型2.1 人工假顶受力分析人工假顶由钢筋混凝土浇筑而成, 支撑着上覆充填体, 并为下中段顶柱回采提供安全回收条件。顶柱采用“隔一采一”的进路式回采, 进路两帮是矿 (岩) 体或充填体, 底板是充填体。从建筑工程角度看, 人工假顶属于钢筋混凝土梁板结构, 而矿山多用“简支梁”、“固支梁”以及“板结构”模型。与“简支梁”和“固支梁”相比较, “板结构”模型得出的计算值更接近实际, 因此, 将顶柱回采受力模型简化为板结构力学模型1。沿顶板长轴方向取单位长度,
10、建立薄板结构力学模型并进行受力分析, 如图 2 所示。由图 2 可知, 由于人工假顶的破坏形式主要是弯曲拉伸破坏, 因此沿人工假顶O-O截面所在轴将人工假顶划分为 x0 和 x3.34 时称为硬支弱板结构, 而 l3.34 时称为软支弱板结构3。3.2 人工假顶载荷计算根据某铜矿地质资料可知, CuI 矿体倾角为 6085, 平均厚度约为 10m。平均铜品位为 2.32%。15 矿块位于 2 700m 中段 3 勘探线和 4 勘探线之间, 矿块长39m, 厚 1619m, 矿块高 12m。采场 (进路) 跨度为 5m;则采场跨度之半为2.5m;14 尾砂胶结充填体的内摩擦角为 31.8, 其容
11、重为 19.62kN/m。人工假顶厚度是影响其稳定性的重要因素, 合理的人工假顶厚度是下中段顶柱安全回采的重要保障, 而其所受载荷是其厚度计算的关键, 前人计算人工假顶所受载荷主要用到重力学4、杨森公式以及面积承载假设理论等方法, 这些方法只是将充填体粗略地看作一个整体, 计算了整个矿房充填体自重;而人工假顶实际只承受上覆充填体的部分重量, 因此考虑塌落拱原理 (普氏理论) 、组合梁理论, 按照这两种理论有:1) 按塌落拱原理5计算对人工假顶进行受力分析可知, 进路开挖后, 人工假顶上覆充填体可能出现近似三角形载荷6, 如图 3 所示。图 3 理论计算简图 Fig.3 Diagram of t
12、heoretical calculation 下载原图根据塌落拱原理可得充填体的塌落高度为:式中:H塌落拱高度, m;l采场跨度之半, m;充填体内摩擦角。沿长轴方向取 1 m 三角形塌落体进行载荷计算:q 1=L (8) 式中:s三角形面积, L采场跨度, m; 1充填体容重, kN/m;b长轴方向的单位长度, 取 1m。将已知数据代入 (8) 式得人工假顶上覆充填体重:2) 按组合梁理论7计算根据组合梁理论有, 组合梁上每一截面的剪力和弯矩都由各分层小截面来承担, 每层岩梁在其自重作用下, 形成的曲率不同, 使得作用于各岩层梁的弯矩不同;当某层的弯曲小于上层时, 则认为该层具有自承能力,
13、以下岩层不再受上覆岩层的作用, 见图 4。则上覆 n 层对第 1 层岩体所施加的载荷为:图 4 采场覆岩组合岩梁力学模型 Fig.4 Composed rock beam model of overlying strata 下载原图A采空区;B岩层组合;C承载层;D层间离层式中:E 1, E2, , En各岩层的弹性模量, MPa;n岩层数;h 1, h2, , hn各层岩体厚度, m; 1, 2, , n各层岩体容重, kN/m。其中 q (n) 1表示第 1 层到第 n 层岩层对第 1 层的载荷, q (n+1) 1表示第 1 层到第 n+1 层岩层对第 1 层的载荷。当 (q n+1)
14、1 (qn) 1时, 第 n+1 层及其以上岩层可由其自身承载, 所以, 取 q (n) 1为作用于第 1 层岩层上的载荷。未迈过挡墙时, 矿房内一次充填高度 1.3m, 充填三次后, 且刚好越过挡墙0.4m。待充填高度超过充填挡墙后, 进行连续充填, 直到上一分段的充填挡墙为止。而后重复第一分段的充填工序, 因此可将采场顶板视为不同充填体按一定顺序组合在一起形成的充填层组合, 而人工假顶相当于最下层的关键层, 故可按组合梁理论来计算人工假顶所受载荷。据统计8-11, 人工假顶厚度一般为 0.31.5m, 选用 C20 混凝土, 其容重为 24.53kN/m。根据矿山资料, 人工假顶及各层充填
15、体的容重和弹性模量见表 1。表 1 钢筋混凝土和充填体的物理力学性质 Table 1 Physical and mechanical properties of reinforced-concrete and backfill material 下载原表 当假顶厚度 h1取 0.3 m 时, 根据式 (10) 知 q1为:q 1=7.36kN/m将两分层视为一个整体时, 12 层对第 1 层的作用, 则:假设第 2 层充填体为散体, 即 E2=0 时, 则:此时需考虑第 13 层对第 1 层的作用, 则:计算结果表明, 即使第 2 分层充填层为松散体, 承载层也不会受到第 3 层的压力, 说明
16、第 3 层充填层起到了应力隔离作用, 所以假顶只受第 12 层的自重作用。根据上述计算公式对厚度为 0.41.5m 的人工假顶分别进行计算, 组距取 0.1m, 所得结果如表 2 所示。表 2 不同厚度人工假底受载荷情况 Table 2 Load condition of artificial roof with different thickness 下载原表 由表 2 可知, 不同假顶厚度下均得出上述相同规律, 即假顶仅受 1、2 层的自重作用。由此可得人工假顶所受载荷为自身重量及其承载的第 1 层充填体重量。第 2 分层充填体重量为:式中:q 2第 2 层充填体重量, kN/m; 2充填
17、体容重, kN/m;h 2充填体厚度, m。4 钢筋混凝土人工假顶厚度计算根据人工假顶上覆充填体重量, 可进行人工假顶厚度计算。顶柱一步回采时, 人工假顶支座为千枚岩或铜矿石, 其弹性模量 Ej1=10 00080 000MPa;二步回采时, 人工假顶支座为 14 的充填体或上下盘围岩, 其弹性模量 Ej2=613 MPa 或10 00080 000 MPa。由式 (4) 可知, E j/El与弯矩 M 成反比, 即 Ej/El取最小值时, 弯矩 M 为最大;因此, 按最大弯矩考虑时, 应以充填体支座为计算基础, 按软支弱板计算。采场跨度之半 l 为 2.5 m;钢筋混凝土人工假顶泊松比 1为
18、 0.2;C20 混凝土的弹性模量 Ei为 2.5510MPa;两侧支座为 14 的充填体, 其弹性模量 Ej为613MPa, 则 Ej/El=0.024;假顶下采场高度 (即顶柱回采高度) H 为 6m;C20 混凝土的轴心抗拉设计强度标准值 fc为 1.1 MPa。由以上数据, 结合塌落拱原理和组合梁理论可进行人工假顶厚度计算。4.1 利用塌落拱原理计算人工假顶厚度根据前面对人工假顶受力分析可知, 人工假顶的破坏形式主要是弯曲拉伸破坏, 且钢筋混凝土结构的抗压强度远远大于其抗拉强度, 因此考虑人工假顶所受最大拉应力, 由材料力学和弹性力学可知最大拉应力12-13为:将 (15) 式代入 (
19、4) 式并整理得:由前面 3.2 可知, 根据塌落拱理论, 人工假顶所承受的充填体重为 39.55kN/m, 因此人工假顶所受载荷为:式中: 1人工假顶容重, kN/m;h 1塌落拱理论人工假顶的厚度, m。将 (17) 式及上述已知数据代入 (16) 式, 得出利用塌落拱原理计算的人工假顶厚 h1为 1.5m。4.2 利用组合梁理论计算人工假顶厚度由节 3.2 可知, 基于组合梁理论的人工假顶所承受的充填体重为 25.51kN/m, 因此人工假顶所受载荷为:式中:h 2组合梁理论下人工假顶的厚度, m。将 (18) 式及已知数据代入 (16) 式, 得出利用组合梁理论计算的人工假顶厚h2为
20、1.2m。计算结果显示:组合梁理论计算出的人工假顶厚度比塌落拱理论计算出的人工假顶厚度小, 究其原因是组合梁理论计算的人工假顶所受载荷比塌落拱理论的小。由于两种方法计算方式不同, 使计算出的人工假顶所承受的上覆充填体的重量出现差异, 从而使所受载荷不同。但两种方法所得结果比较接近, 都在0.31.5 m 范围内, 为安全考虑, 厚度取最大值 1.5m。5 结论1) 由人工假顶载荷计算可知, 人工假顶所受载荷为自身重量及其承载的第 1 层充填体重量。2) 利用塌落拱原理与组合梁理论分别计算了人工假顶的合理厚度, 得出该矿的人工假顶厚度为 1.5m, 经现场验证, 能有效地确保顶柱回采安全。参考文
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