进路式胶结充填采矿人工假底稳定性力学分析

李旺

摘要：人工假底的稳定性是下向进路充填法安全高效开采的关键，文章以云南某铅锌矿为工程背景，为了确保开采过程中的安全，提高矿体回收率，应用弹性力学理论、薄板问题，建立人工假底力学模型，对该矿1880～1964m中段氧化铅锌矿回采过程中人工假底的稳定性进行理论计算分析。研究结果表明，该矿采用全进路胶结充填，人工假底能够保证回采期间的安全和稳定。

Abstract： The stability of artificial false bottom is the key to safe and efficient mining by downward filling method. This paper takes a lead-zinc mine in Yunnan as an engineering background. In order to ensure the safety of mining process and improve the recovery rate of ore body， the mechanical model of artificial false bottom is established by applying elasticity theory and thin plate problem. The oxygen content in the mid-section of 1880～1964m of the mine is calculated. The stability of artificial bottom in the mining process of chemical lead-zinc mine is calculated and analyzed theoretically. The results show that the full-roadway cemented backfilling can ensure the safety and stability of the mining process.

关键词：膏体充填人工假底;进路充填法;力学模型;薄板问题

Key words： paste filling artificial base;approach filling method;mechanical model;thin plate problem

中图分类号：TD853.34                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）25-0165-03

0  引言

现代采矿技术中，大多数金属矿采用人工假底技术。人工假底技术是由长春黄金研究院于20世纪80年代初提出，在红花沟金矿实施了钢筋混凝土假底[1]，该技术在促进金属矿山资源回收方面起到显著作用。随着地表开挖工程与日俱增，不断揭露出的矿山工程岩体特征复杂多变，给顶底板支护以及加固维护等造成极大困难，顶底板破碎塌陷特征愈加受到工程技术人员的重视，为此大量研究人员对此展开了许多卓有成效的研究，即人工假底的应用现状、力学计算和稳定性分析。

在现代采矿技术中，众多矿山使用人工假底包括钢筋混凝土假底、钢结构假底、膏体充填假底、坑木假底、钢筋网柔性隔离假底等5种类型。目前，部分学者对人工假底的设计和稳定性分析考虑已展开研究，岩体结构受应力环境开挖扰动等因素影响极其复杂，如周磊、王欢等[2]利用数值模拟软件技术对人工假底厚度、力学及安全稳定性分析;石明超、杜飞、张小瑞[3]也采取数值模拟软件技术分析矿体在开挖过程中应力与位移变化特征;石明超、周洋等[4]应用人工假底承载拱原理，对人工假底进行设计与施工;肖柏林、杨志强等[5]基于毛坪铅锌矿原有的采矿方法，通过现场实践、研究调查，建立了一个完整、安全、可靠的充填工艺，完成人工假底的制作;纪晓飞、童大志、曲展鹏等[6]基于理论推导和计算，得出合理的人工假底施工参数。根据国内外矿山应用人工假底技术，通过不同的矿山地质概况，相关的岩体力学参数，对一些金属矿山的人工假底施工与设计提供良好的条件。

显然，上述大部分研究集中于应用数值模拟软件和建立数学模型来计算人工假底的稳定性和参数的确定，多年来许多专家、学者都对人工假底进行了大量的研究，取得了一些研究成果，但由于人们对人工假底稳定性的理论分析还较为欠缺。文章以云南某铅锌矿为背景，考虑膏体充填体抗拉强度对人工假底的影响，建立人工假底力学模型，对胶结充填体人工假底稳定性进行理论分析，以期为同类矿山的安全回采与人工假底设计提供参考与理论指导。

1  工程概况

云南某铅锌矿1#矿体的上部氧化礦主要集中在1880～1964m之间，矿石主要呈散体结构，松散破碎，遇水易泥化，且赋存深度比较深，原岩应力比较大，采矿环境复杂。矿体顶底板为灰岩或白云岩，矿体产状与围岩一致。围岩多以0.5～2m的厚层状为主，具有一定的抗压强度，稳固性随裂隙发育程度变化。矿体回采拟采用稳定系数较高、贫化损失小、机械化程度高的自上而下进路式胶结充填采矿法，进路断面尺寸为3m×3m，长为矿体厚度。该采矿方法可以有效保持围岩的稳定性，减少围岩的移动，防止采空区的大规模崩落。进路矿石全部回采完后进行场地平整及假底制作，然后使用膏体材料进行全进路充填进而形成假底，充填前在进路底部布筋。

膏体充填形成假底方法效率高、成本低、劳动强度低、粘结力比较大，抗压强度较高。 膏体充填假底通常类似于钢筋混凝土，只是把混凝土替换成了膏体充填，通过增加水泥与砂子的比例来满足强度要求，该矿山膏体充填人工假底灰砂比1：4，充填体7d强度≥2MPa，28d强度≥4MPa。

2  人工假底稳定性分析

2.1 力学模型

在下向进路充填采矿法中，采矿进路的顶板是膏体充填假底，而人工假底的上部仍然为胶结充填体。假设开采进路1时两侧矿体已开采且全部充填（图1），根据薄板的弯曲理论，把进路两侧的充填体可看成弹性基础在弹性基础范围内，人工假底比作 “薄板”，建立如图2所示人工假底“薄板”空间模型。把假底问题看成薄板弯曲问题（应用弹性力学知识承压拱理论[7]进行求解）建立薄板力学模型并进行受力分析如图3所示。

基于人工假底的破坏形式主要为弯曲拉伸破坏。在图3中，沿Oy轴的轮廓将承载层分为X≤0和X≥0左右两种情况，如图3b和图3c所示，人工假底所受的切向剪力为T0，弯矩为M0。由于图3是对称结构，所以采用上述模型中的图3c部分（即X≥0）进行分析与计算。根据薄板理论[8]，有下述两种分析情况：

4  结论

①人工假底破坏形式主要为弯曲拉伸破坏，充填体强度对人工假底起着重要的作用。

②就该矿山而言，人工假底最大弯矩发生在人工假底中间位置。

③通过计算，该矿山膏体充填人工假底稳定性系数较高，稳定性良好，可确保回采期间采场顶板的安全。

参考文献：

[1]龚新华，侯克鹏，孙健.人工假底在金属矿山的应用现状及展望[J].中国钨业，2014（1）：21-24.

[2]周磊.基于ANSYS数值模拟的人工假底设计与安全性分析[J].金属矿山，2018，47（10）：46-51.

[3]石明超，杜飞，张小瑞.基于FLAC～（3D）下向进路采场参数优化[J].黄金，2016，37（7）：36-39.

[4]石明超，周洋，杜飞.近海破碎金矿体开采人工假底设计与施工[J].现代矿业，2015（4）：203-204.

[5]肖柏林，杨志强，高谦.下向进路式充填采矿方法在毛坪铅锌矿的应用研究[J].有色金属（矿山部分），2014，66（06）：4-8.

[6]纪晓飞，童大志，曲展鹏，王冠男.充填体下人工假底模型分析与设计[J].采矿技术，2018，18（06）：35-37.

[7]常丽娜，易南概，赵俭斌.喷锚支护中的承压拱理论及实验研究[J].北方交通，2006（11）：61-63.

[8]王红卫，陈忠辉，杜泽超，等.弹性薄板理论在地下采场顶板变化规律研究中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006（S2）：3769-3774.

[9]劉志义，甘泽，甘德清，等.近海矿体开采人工假底厚度优化及工程应用[J].金属矿山，2016，45（8）：54-57.

[10]周磊，王欢.基于ANSYS数值模拟的人工假底设计与安全性分析[J].金属矿山，2018，508（10）：52-57.