充填采矿采场结构参数优化和地表移动变形机理研究

安徽马钢张庄矿业有限责任公司充填采矿采场结构参数优化和地表移动变形机理研究中冶北方工程技术有限公司中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程重点实验室霍邱周集2014-08-21报告内容一、矿区工程地质特征二、矿区岩体物理力学性质三、矿区地应力测量四、充填开采结构参数优化五、充填开采地表移动规律研究六、结论与建议一、工程地质特征1、地形地貌与地质构造1、地处江淮平原地面海拔一般在+24.1～+35m之间，地形起伏较小。2、地台的边缘，区域地质条件复杂，从西往东多个褶皱带。3、矿区地质条件相对简单，位于周集倒转向斜的一翼，工程范围内成单斜构造。4、矿区第四系覆盖厚大，未发现破坏性较大的构造。矿区岩层产状在14线附近发生变化。5、霍邱群周集组：花岗质片麻岩（Gg），黑云斜长片麻岩（Pl），矿岩（Fe），斜长云母片岩（Gmp），榴云片岩（Gmg）、斜长角闪片岩（Am）。150m一、工程地质特征2、岩体结构特征通过三维激光扫描获取岩体结构面产状，测量点为3个水平的穿沿脉，测点共21个。一组缓倾节理。40cm以下，迹长多在5m以下节理倾向(°)倾角(°)间距(m)全迹长(cm)1216750.26927138391.19673288770.35233.62764232160.89213.1142556650.91238.3046层面296680.181较发育一、工程地质特征2、岩体结构特征一、工程地质特征构造特征不利结构面特征岩性特征节理特征单斜构造，矿区岩层产状相对比较未定霍邱群周集组，片岩、片麻岩和变粒岩，岩性复杂，除云母含量大的岩石力学条件差之外，其余岩体条件好未出露较大的断层、挤压带等不利围岩稳定的结构面，有利于矿体的开采节理发育规模小而密集，但节理面干燥和粗糙，对井巷稳定性有利二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—取样岩石名称声波测速单轴试验常规三轴劈裂结构面直剪铁矿(铁英岩)Fe8263

黑云斜长片麻岩Pl-113373

黑云斜长片麻岩Pl-214383

榴云片岩Gmg8262

斜长角闪片麻岩Am10283

花岗质片麻岩Gg4151

斜长云母片岩Gmp613

结构面

6累计数631443156试样发收二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—波速测试岩性取样深度密度均值波速均值Fe-480m3101.66752.6Pl-1-390m2920.96127.9Pl-2-450m2880.76255.7Gmg-390m2751.35899.4Am-450m2810.85414.9Gg-390m2995.26051.0Gmp-480m2724.75627.0二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—巴西劈裂岩性试样编号抗拉强度平均值矿体FeFe-B-18.04810.54Fe-B-210.344Fe-B-313.241黑云斜长片麻岩Pl-1Pl-1-B-19.9258.80Pl-1-B-25.929Pl-1-B-310.553榴云片岩GmgGmg-B-18.926.94Gmg-B-24.462Gmg-B-37.445斜长角闪片岩AmAm-B-19.9457.63Am-B-25.254Am-B-37.698花岗质片麻岩GgGg-B-17.21310.36Gg-B-213.516斜长云母片岩GmpGmp-B-17.4887.49二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—单轴压缩岩石单轴强度均值（MPa）弹性模量均值（GPa）泊松比均值铁矿108.8372.070.235黑云斜长片麻岩113.1254.220.169黑云斜长片麻岩180.3967.900.262榴云片岩113.8551.540.202斜长角闪片麻岩53.5332.120.204花岗质片麻岩140.1669.470.214斜长云母片麻岩94.1654.460.203二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—三轴压缩岩性粘聚力c（MPa）摩擦角φ（°）Fe17.6436951.58891Pl-123.5028245.95101Pl-225.0665244.53971Gmg23.2858341.12992Am23.0503944.37034Gg28.9297546.00632Gmp21.8794542.79154二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—节理面剪切摩擦节理面编号摩擦角φ（°）粘聚力c（MPa）c平均值（MPa）φ平均值（°）1#31.219170.6440140.32934.02#33.345920.2818883#33.001110.2824644#25.982130.2652425#36.883510.0336796#41.009750.464578二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—尾砂充填体二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—尾砂充填体1:4灰砂比1:41:8二、岩体与充填体力学参数取值1.试验内容—尾砂充填体灰砂比状态密度单轴强度弹性模量变形模量泊松比cφkg/m3MPaGPaGPamm/mmMPa°1:4自然2110.812.134.303.270.122.8338.73饱和2163.512.013.662.710.153.5628.761:6自然2049.47.232.532.290.121.6141.12饱和2167.56.512.271.800.081.6037.101:8自然1924.63.771.131.320.110.8640.88饱和2078.12.930.810.700.160.7639.05二、岩体与充填体力学参数取值2.岩体弹性力学参数取值基于声波测井现场岩体节理统计室内岩块试验岩体弹性力学参数，包括弹性模量和泊松比RMR经验公式三、矿体开采过程的三维应力分析Hoek-Brown准则节理连续性系数室内岩块试验岩体力学强度参数，包括内摩擦角和凝聚力岩体力学强度参数三、矿区地应力测量1、地应力场测量方法孔径变形测量解除深度与孔径变形关系三、矿区地应力测量2、测点信息断面编号钻孔桩号钻孔方位角钻孔倾角1#副井6#穿脉（-480m）中心孔204.3°-5°斜1孔245.9°-5°斜2孔156.5°-5°北回风井南石门巷（-390m）中心孔230.2°-5°斜1孔258.2°-5°斜2孔191.4°-5°备注1)各方位角均以N向为0°，顺时针转动；2)三孔交汇为外交汇；3)钻孔桩号为中心孔所处的桩号。390北回风巷第三倒车硐室480水平6#穿脉三、矿区地应力测量3、解除的岩心三、矿区地应力测量4、数据与结论断面编号σx

σyσzτxyτyzτzx1#副井6#穿脉（-480m）15.8117.2811.890.600.42-3.22北回风井石门南巷（-390m）5.196.289.136.28-2.644.86由自重应力主导转水平应力主导垂直应力与覆盖层重力场基本一致，说明测量准确北回风井测点有较大的剪应力导致，最小主应力为拉应力，不具备代表性，推测可能受局部剪切构造的影响以-480测点为测量结果为后续分析数据岩心均较完整，无崩裂塌孔、饼化现象，裂隙较少，按规范可化为一般地应力区四、充填开采结构参数优化1、VCR采矿方法盘区开采的过程中非常关注采场的稳定性，及采场的顶板和侧壁的稳定情况，侧壁除原岩外，亦可为胶结充填体。所以采场结构参数、开采顺序和胶结充填体的选择是关键。厚大矿体的充填法开采还非常少见。采场方向的布置少考虑地应力条件，对于陡倾似层状矿体，主要是对于矿体厚度小于20m采用沿走向布置矿房，而矿体大于20m则通常会采用垂直矿体走向布置矿房。回采顺序方面，首先开采勘探程度较高、矿体产状比较稳定、品位比较高、厚大的矿体。由以上矿山可知，采场宽度为8~30m，采场长度20~80m，阶段高度为30~100m，随着对产能要求提高、机械设备的进步、工程经验的积累和数据的丰富以及分析手段的提高，采场尺寸在不断的提高，如安庆铜矿、李楼铁矿和草楼铁矿等。对于张庄铁矿周边的李楼铁矿和草楼铁矿，三者的地质条件有一定程度的相似性。李楼铁矿和草楼铁矿的采矿均是垂直走向布置，且李楼铁矿的阶段高度和采场长度更是分别达到100m和170m。2、采场结构参数现状四、充填开采结构参数优化3、Mathews稳定图法四、充填开采结构参数优化宽度2021222324252627282930长266.6163.1120.597.382.872.765.459.855.451.949.0四、充填开采结构参数优化4、数值计算——模型四、充填开采结构参数优化4、数值计算——采场结构参数四、充填开采结构参数优化4、数值计算——初始应力场X方向z方向构造应力为主四、充填开采结构参数优化4、数值计算——最大应力集中采场布置位置开采步骤均值标准差第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步1矿柱67.8360.2354.4949.5752.63

57.07.2顶板60.5460.5447.7363.3770.97

60.68.42矿体223.3200.9141.1146.754.20

153.265.5顶板77.9060.1461.3063.5270.66

66.77.53矿体72.0874.1776.3178.4581.7759.12

73.73.8顶板61.8164.7963.3761.7367.5178.26

66.22.44矿体59.1179.4678.6376.7979.3754.08

71.28.8顶板78.2661.5962.6160.5271.4078.87

68.97.75矿体68.5270.7774.9078.8983.8886.5468.7763.3174.46.2顶板59.6460.0356.4456.4465.6767.6175.7376.7564.83.86矿体150.3127.78124.4122.684.6685.1187.7271.84106.823.6顶板48.8751.0947.7347.7958.3765.4567.0679.8858.34.57矿体67.7770.0970.7070.7082.3561.7063.30

69.55.7顶板64.0063.6658.1658.3266.3971.8373.62

65.13.78矿体144.6125.3122.991.1592.3090.6261.58

104.123.1顶板52.8651.4647.7661.1858.9868.2277.36

59.75.59矿体70.5273.0475.6277.0981.6965.0070.01

73.34.2顶板54.3453.6356.0256.4664.0076.1777.62

62.64.110矿体155.2135.2133.197.6398.5097.0864.30

111.625.1顶板49.0849.8362.2462.1569.0974.8375.86

63.38.711矿体73.3774.0876.2578.2761.2467.02

71.76.7顶板57.4552.4052.6565.7771.4573.24

62.28.412矿体151.4134.3133.092.9893.6264.04

111.626.4顶板50.8551.9050.4461.6678.4080.09

62.212.013矿体71.4076.8179.5881.0262.5267.90

73.27.5顶板56.4357.4958.9363.2762.4667.77

61.14.314矿体149.97132.9132.0895.7890.2067.06

111.325.9顶板53.8654.154.8861.2665.1577.66

61.25.1四、充填开采结构参数优化4、数值计算——最大拉应力采场布置开采步骤第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步10.220.570.930.630.46

20.200.560.640.480.53

30.200.411.081.140.940.94

4/0.300.990.900.710.59

5/0.410.680.740.840.520.430.4060.870.850.830.800.910.650.630.6170.160.720.940.821.110.940.86

80.360.580.580.960.930.770.79

9/0.500.760.810.550.600.62

100.280.680.700.600.500.550.55

110.200.520.660.710.670.65

120.380.740.820.610.680.66

130.140.811.080.650.700.69

140.890.650.601.101.121.15

四、充填开采结构参数优化4、数值计算——顶板最大位移采场布置1234567891011121314面积数33.032.331.430.935.233.232.833.934.435.437.034.838.535.6四、充填开采结构参数优化4、数值计算——采场暴露塑性区比例采场布置开采步骤均值标准差第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步110.146.2539.1037.7616.479

7.951.67211.178.2907.64111.9210.26

9.861.84313.0413.677.42110.698.4317.029

10.052.8748.78514.528.0978.83510.168.466

9.812.41511.287.81111.3214.1318.3812.5215.5940.2016.4010.1267.7898.3607.7309.93424.6417.7412.2729.5614.758.40714.768.1362.72621.7719.1317.6915.07

14.186.6287.0777.7539.12223.2520.6519.1424.18

15.887.59914.757.00610.1628.9111.3916.2016.20

14.957.03107.5037.27413.1120.8017.4617.0129.13

16.047.691116.3411.2513.8215.8915.4140.78

18.9110.87129.5717.79515.0314.4116.4027.75

15.157.011315.4910.4615.5515.4215.5739.44

18.6610.38149.1137.37916.3815.8817.2129.22

15.867.72四、充填开采结构参数优化4、数值计算——塑性区（垂直通长，盘中垂直剖面）第一步第二步第三步第四步第五步垂直矿体通常布置采场稳定性较好由于隔离矿柱承担围岩压力较大，先才隔离矿柱两侧的盘区四、充填开采结构参数优化4、数值计算——塑性区（盘中水平剖面）垂直半长布置沿走向通长布置四、充填开采结构参数优化4、数值计算——盘顶水平剖面垂直通长布置-389m水平剖面-385m水平剖面沿走向通长布置-389m水平剖面四、充填开采结构参数优化5、胶结充填体的稳定性最大在-270m中段，约有200m。因此采用灰砂比1：8获得1.35的安全系数，可见1：8灰砂比的全尾砂交结充填是合理的。四、充填开采结构参数优化6、小结阶段空场嗣后充填法更适合大规模矿山充填开采。经济分析、类比和经验分析推荐张庄铁矿的采场垂直走向布置，采场的长度为矿体的厚度。数值计算表明在应力集中、最大拉应力、顶板变形和采空区塑性区方面，垂直通长布置采场均有较好的表现。由于采场布置不同，致使整个开采过程中围岩的应力卸荷和应力集中表现差异较大，但无论哪一种开采方式，都会导致二步矿房和盘间矿柱的应力集中。采用充填体的理论公式结合顶板沉降，可得胶结重提体安全系数为1.35，仍然有一定的安全储备，一般认为安全储备需要大于1.2，那么采用1：8灰砂比的全尾砂胶结充填体显然是合理的。五、充填开采地表移动规律研究1、整体计算模型五、充填开采地表移动规律研究2、矿体和采场模型五、充填开采地表移动规律研究3、开采步骤第一步：-450m一步矿房（胶结）开采，与二步矿房（非胶结）为隔一采一的形式布置；第二步：-450m一步矿房胶结充填；第三步：-450m二步矿房开采；第四步：-450m二步矿房采用全尾砂充填；第五步：-390m一步矿房（胶结）开采，与二步矿房（非胶结）为隔一采一的形式布置；第六步：-390m一步矿房胶结充填；第七步：-390m二步矿房开采；第八步：-390m二步矿房采用全尾砂充填；第九步：-330m一步矿房（胶结）开采，与二步矿房（非胶结）为隔一采一的形式布置；第十步：-330m一步矿房胶结充填；第十一步：-330m二步矿房开采；第十二步：-330m二步矿房采用全尾砂充填；第十三步：-270m一步矿房（胶结）开采，与二步矿房（非胶结）为隔一采一的形式布置；第十四步：-270m一步矿房胶结充填；第十五步：-270m二步矿房开采；第十六步：-270m二步矿房采用全尾砂充填；第十七步：-450m矿柱开采；第十八步：-450m矿柱充填；第十九步：-390m矿柱开采；第二十步：-390m矿柱充填；第二十一步：-330m矿柱开采；第二十二步：-330m矿柱充填；第二十三步：-270m矿柱开采；第二十四步：-270m矿柱充填。-450水平开采-390水平开采-330水平开采-270水平开采矿柱回采五、充填开采地表移动规律研究4、应力场——8#剖面最大主应力初始450m一步矿房开采矿体开采，顶底板和矿柱的应力明显升高五、充填开采地表移动规律研究4、应力场——8#剖面最大主应力270m一步矿房开采应力张量采空区上盘围岩表现应力集中，主应力方向逐渐变换成沿采场方向充填体的应力较小，基本在6MPa以下。五、充填开采地表移动规律研究4、应力场——8#剖面270m中段顶板270中段盘区矿柱回收前270中段盘区矿柱回收前270中段盘区矿柱回收对顶板应力场影响很大五、充填开采地表移动规律研究5、塑性区——8#剖面270中段盘区矿柱回收前270中段盘区矿柱回收后结合应力场，建议270中段盘区作为永久矿柱不回收五、充填开采地表移动规律研究5、地表位移270中段盘区矿柱回收前270中段盘区矿柱回收后沉降中心位于8号剖面附近，主要该区矿体比较厚大对于厚度相对较小部位，地表位移小于25mm最大地表位移225mm，充填法能较好控制地表位移五、充填开采地表