膨脹充填體在控制地表沉降量中的作用

胡 磊 任高峰 錢兆明 王 力 陳光海 王玉杰

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

·安全與環(huán)?！?/p>

膨脹充填體在控制地表沉降量中的作用

胡 磊1任高峰1錢兆明1王 力2陳光海1王玉杰1

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為提高充填采礦法對地表沉降量的控制效果，首先采用理論分析的方法，得出提高充填體接頂率是控制地表沉降量的關(guān)鍵因素；然后針對目前充填體接頂率偏低的現(xiàn)狀，提出以過燒氧化鈣代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠凝材料與尾砂混合進(jìn)行膨脹充填的改進(jìn)方法，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到了膨脹充填體的膨脹性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹充填體可提高充填體接頂率，其膨脹力可對頂板產(chǎn)生一定的支撐力，當(dāng)灰砂比分別為1∶1、1∶3、1∶5時(shí)，對應(yīng)的膨脹力大小分別為1.14、0.68、0.47 MPa。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以程潮鐵礦西區(qū)-175 m采場為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計(jì)算的方法，研究了膨脹充填體在控制地表沉降量中的作用。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論分析具有很好的一致性，計(jì)算結(jié)果表明采用膨脹充填體充填可使地表最大沉降量減小94%。

充填采礦 地表沉降 充填體接頂率 過燒氧化鈣 膨脹力 FLAC3D

隨著人們對礦產(chǎn)資源需求量的增加，品位高、埋藏淺、賦存條件好的礦產(chǎn)資源日漸枯竭。人們不得不著手于開采品位較低、埋藏較深、賦存條件較差的礦產(chǎn)資源。在這種趨勢下，充填采礦法以其貧化率低、資源回收率高、可有效控制地壓、安全環(huán)保的特點(diǎn)得到了應(yīng)用和發(fā)展。充填采礦法已成為礦產(chǎn)資源開發(fā)的大趨勢，但在充填過程中,由于受充填料漿的泌水性、充填料漿的自流坡度、礦房頂板的不規(guī)則形狀以及充填體的自然沉降等諸多因素的影響，充填體往往難以充分接頂[1-3]。

針對充填不接頂問題，專家學(xué)者們做了不少研究，取得了一些研究成果。瞿群迪等[4]采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法，分析了充填開采控制地表沉陷的各影響因素，研究結(jié)果表明：提高充填體的接頂率是減小充填開采地表下沉系數(shù)的最有效途徑；王振等[5]采用概率積分法計(jì)算模型推導(dǎo)出充填體未接頂高度的計(jì)算公式，分析了各參數(shù)對計(jì)算結(jié)果影響的敏感性；李敏等[6]以大冶鐵礦東采區(qū)的充填接頂技術(shù)問題為工程背景，分析了在現(xiàn)場充填中可能影響充填接頂?shù)南嚓P(guān)因素，進(jìn)而有針對性地提出了一系列解決充填接頂問題的技術(shù)措施。這些研究多數(shù)是以現(xiàn)有的充填骨料及膠凝材料為研究對象而展開的。筆者通過對過燒氧化鈣的膨脹性能進(jìn)行研究，提出采用過燒氧化鈣代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠凝材料，使充填體充分接頂?shù)某涮罘椒?。該方法在使充填體充分接頂?shù)耐瑫r(shí)還能產(chǎn)生一定的支撐力，可有效控制地表的沉降。

1 充填體接頂對控制地表沉降量的意義

1.1 地表沉降系數(shù)控制因素預(yù)估

理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐表明[4]，采空區(qū)全部采用充填法的地表沉降量主要由3個(gè)方面構(gòu)成：充填前頂板和底板的移近量Z1，充填欠接頂量Z2，充填體壓縮量Z3，如圖1所示。

圖1 充填采礦法地表沉降量主要影響因素

在工程應(yīng)用中，采空區(qū)全部采用充填法的地表沉降量最大值Cmax為

Cmax=Z1+Z2+Z3.

(1)

定義充填體高度h與采高Y的比值為充填體接頂率k，則有：

Z1+Z2=Y-h=y(1-k).

(2)

充填體的體積壓縮率反映了充填體壓縮量的大小，由于充填體在水平方向上四周都受約束，所以可忽略水平方向的壓縮量，則充填體的體積壓縮主要反映為充填體垂直方向的壓縮量，以采空區(qū)全部充填為例可得：

(3)

式中,rb為充填料漿的泌水率；Cv為充填料漿的體積分?jǐn)?shù)；ef為充填體的體積應(yīng)變。

將式(2)和式(3)代入式(1)可得地表沉降量最大值為

(4)

地表沉降系數(shù)q的表達(dá)式為

(5)

由式(4)和式(5)可知，充填采礦法地表沉降系數(shù)受充填體接頂率k、充填料漿泌水率rb、充填料漿體積分?jǐn)?shù)Cv及充填體的體積應(yīng)變ef等因素的影響。

1.2 地表沉降系數(shù)控制因素的正交極差分析

正交極差分析法在處理多因素問題時(shí)可以用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，快速找出各影響因素的主次關(guān)系[7-8]，所以采用正交極差分析法來判別充填采礦法地表沉降系數(shù)的最主要影響因素。對4個(gè)影響因素各取3個(gè)水平，所用正交試驗(yàn)表取自L9(34)，如表1所示。各影響因素的水平取值如表2所示。利用(5)式計(jì)算各因素在不同水平條件下的地表沉降系數(shù)q，計(jì)算結(jié)果列于表1中。記Kjm為j因素在m水平下對應(yīng)的沉降系數(shù)的平均值(j=k、rb、Cv、ef，m=1、2、3)，它反映了j因素該水平效應(yīng)的大小。記Rj為j因素的極差,它反映了j因素水平波動時(shí)沉降系數(shù)的變化幅度。計(jì)算所得Kjm和Rj如表3所示。對各因素的極差進(jìn)行比較，由極差的大小便可判別各影響因素的主次關(guān)系。

表1 正交試驗(yàn)因素水平及相應(yīng)的地表沉降系數(shù)q

表2 各影響因素取值水平

表3 各影響因素下地表沉降系數(shù)均值Kjm和極差Rj

Rj越大表示j因素對地表沉降的影響越大，所以由表3可知，各影響因素的主次關(guān)系為

k>rb>ef>Cv,

(6)

即充填體接頂率對地表沉降系數(shù)k的影響最為明顯，其他因素的影響較小。因此，要提高充填采礦法地表沉降的控制效果，最有效的方法是提高充填體的接頂率。

2 膨脹充填體膨脹性能的實(shí)驗(yàn)研究

前人研究表明，過燒氧化鈣遇水后體積可自由膨脹3～5倍，一直以來被廣泛應(yīng)用于靜態(tài)破裂技術(shù)中[9]。鑒于其良好的膨脹性能，在充填時(shí)可采用過燒氧化鈣代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠凝劑，與水、充填骨料以及相應(yīng)的添加劑混合，根據(jù)需要按不同的配比充分?jǐn)嚢韬蟪淙氩煽諈^(qū)[10]。一方面，充填材料在較短的時(shí)間內(nèi)體積會發(fā)生膨脹,逐漸充滿整個(gè)采空區(qū)，使充填體充分接頂，從而提高充填體接頂率;另一方面，膨脹充填材料在膨脹受限的情況下，會對周邊巖體產(chǎn)生一定的支撐力，進(jìn)一步控制地表的沉降。

將過燒氧化鈣與尾砂按不同的灰砂比(質(zhì)量比)混合，在自由狀態(tài)下測量其體積隨時(shí)間的變化情況，如圖2所示。定義膨脹系數(shù)為測量體積與原體積之比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得膨脹充填體在無約束狀態(tài)下的體積增量時(shí)程曲線，如圖3所示。制作相似模型，將不同灰砂比的膨脹充填體注入其中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測充填體對模型產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖4所示，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得膨脹充填體在約束狀態(tài)下的膨脹力時(shí)程曲線，如圖5所示。

圖2 膨脹充填體在無約束狀態(tài)下的體積增量實(shí)驗(yàn)

圖3 膨脹充填體在無約束狀態(tài)下的體積增量時(shí)程曲線

圖4 膨脹充填體在約束狀態(tài)下的應(yīng)力采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 膨脹充填體在約束狀態(tài)下的膨脹力時(shí)程曲線

由圖3可知，在無約束狀態(tài)下當(dāng)灰砂比為1∶1時(shí)，膨脹充填體的體積膨脹系數(shù)為2.2，當(dāng)灰砂比為1∶5時(shí)，膨脹充填體的體積膨脹系數(shù)為1.2，隨著灰砂比的減小，膨脹充填體的體積膨脹系數(shù)減小。由圖5可知，在約束狀態(tài)下當(dāng)灰砂比為1∶1時(shí)，膨脹充填體產(chǎn)生的最終膨脹力為1.14 MPa，當(dāng)灰砂比為1∶5時(shí)，膨脹充填體產(chǎn)生的最終膨脹力為0.47 MPa，隨著灰砂比的減小，膨脹充填體產(chǎn)生的最終膨脹力減小。一般來說，膨脹充填體體積膨脹系數(shù)越大，越能提高充填體的接頂率，膨脹充填體產(chǎn)生的最終膨脹力相應(yīng)增大，控制地表沉降量的效果越明顯。但灰砂比越高，膨脹材料的用量也就越大，充填成本相應(yīng)提高，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場需要，選擇經(jīng)濟(jì)合理的灰砂比，或僅在接近頂板的部位采用膨脹充填體充填。

3 數(shù)值模擬研究

以程潮鐵礦西區(qū)-175 m采場為基礎(chǔ)，嘗試采用巖土工程力學(xué)有限差分軟件FLAC3D模擬采空區(qū)的開挖和充填，對膨脹充填體在控制地表沉降量中的作用進(jìn)行分析研究。

程潮鐵礦西區(qū)-175 m采場平均埋深為157 m，礦體為高銅磁鐵礦，頂?shù)装搴蛧鷰r主要為夕卡巖，穩(wěn)定性較好。礦體、圍巖、頂?shù)装宓奈锢砹W(xué)參數(shù)見表4。該區(qū)采用空場嗣后充填法開采[11]，采場沿走向布置，形成的采空區(qū)長度為50 m，寬度為15 m，采高為3 m。

表4 材料物理力學(xué)參數(shù)

模擬的主要內(nèi)容：①不同充填接頂率時(shí)地表下沉量的變化規(guī)律；②膨脹充填體對圍巖產(chǎn)生不同支撐力時(shí)地表下沉量的變化規(guī)律。

3.1 模型的建立

數(shù)值分析采用三維模型，以礦體的走向?yàn)閄方向，采空區(qū)的寬度方向?yàn)閅方向，重力方向?yàn)閆方向，在考慮邊界效應(yīng)的同時(shí)兼顧簡化計(jì)算。模型X方向兩端各取采空區(qū)長度的3倍，X方向總長度為350m；模型Y方向兩端各取礦房長度的3倍，Y方向總長度為105 m；模型上邊界取至地表，下邊界取至采空區(qū)底板以下25 m，Z方向總長度為200 m。數(shù)值計(jì)算模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，采空區(qū)及圍巖的參數(shù)取自程潮鐵礦西區(qū)-175 m采場數(shù)據(jù)(表4)。劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示，共有17 494個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 778個(gè)單元。采用位移邊界條件，即在三維數(shù)值分析中，模型的左右2個(gè)側(cè)面X方向位移受約束，前后2個(gè)側(cè)面Y方向位移受約束，底面Z方向位移受約束[12]。

礦房的開采和充填采用FLAC3D的空單元命令和給材料重新賦值的方法來實(shí)現(xiàn)。不同的充填接頂率以不同的充填體高度來表征，對應(yīng)于充填接頂率k等于80%、90%、100%的充填體高度分別為2.4、2.7、3 m。充填體對頂?shù)装寮皣鷰r的支撐力以施加面力的方式來表征，不同灰砂比時(shí)的支撐力大小對應(yīng)于上述實(shí)驗(yàn)中膨脹充填體在約束狀態(tài)下產(chǎn)生的最終膨脹力大小。

圖6 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 不同接頂率對地表沉降量的影響

充填接頂率不同(其他參數(shù)相同)時(shí)的地表沉降曲線如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)充填體接頂率為80%時(shí)，地表最大沉降量為436 mm，當(dāng)充填體接頂率為100%(即完全接頂)時(shí)地表最大沉降量為44 mm。隨著充填體接頂率的提高，地表最大沉降量顯著減小，計(jì)算結(jié)果與第1節(jié)的理論分析一致。所以，對于控制地表沉降量，最有效的技術(shù)措施是提高充填體的接頂率。由膨脹充填體的膨脹性能實(shí)驗(yàn)可知，采用膨脹充填體充填可有效提高充填體接頂率。

圖7 不同充填體接頂率時(shí)地表沉降曲線

3.2.2 不同支撐力對地表沉降量的影響

其他參數(shù)相同、充填體產(chǎn)生的支撐力不同時(shí)的地表沉降曲線如圖8所示。圖8中曲線1代表充填體接頂率為100%、支撐力為0的情況，模擬的是膨脹充填體體積膨脹正好使充填體接頂，但未產(chǎn)生支撐力，此時(shí)的地表最大沉降量為44 mm。由圖8可知，當(dāng)充填體支撐力為0.47 MPa時(shí)，地表最大沉降量為40 mm，當(dāng)充填體支撐力為1.14 MPa時(shí)地表最大沉降量為26 mm。隨著充填體產(chǎn)生的支撐力的增大，地表最大沉降量逐漸減小，所以膨脹充填體產(chǎn)生的支撐力有助于控制地表的沉降量。但相比于提高充填體接頂率對地表沉降量的控制而言，提高充填體支撐力時(shí)地表最大沉降量的減小幅度較小。要提高充填體產(chǎn)生的支撐力的大小,就需要提高充填體的灰砂比，而提高灰砂比會相應(yīng)地增加充填成本。所以，選擇經(jīng)濟(jì)合理的灰砂比時(shí)，首先要考慮的應(yīng)該是提高充填體的接頂率，之后再考慮提高充填體產(chǎn)生的支撐力。

圖8 不同充填體支撐力時(shí)地表沉降曲線

4 結(jié) 論

(1)采空區(qū)全部采用充填法時(shí)，在控制地表沉降量的諸多因素中,充填體接頂率為最主要的影響因素，提高充填體接頂率可顯著減小地表的沉降量。

(2)用過燒氧化鈣部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠凝材料進(jìn)行膠結(jié)充填，其膨脹性能可提高充填體的接頂率并產(chǎn)生一定的支撐力，該支撐力有助于進(jìn)一步控制地表的沉降量。

(3)對于控制地表沉降量而言，提高膨脹充填體產(chǎn)生支撐力的大小比提高充填體的接頂率的控制效果弱。因此，在確定膨脹充填體的灰砂比時(shí)，提高充填體的接頂率應(yīng)該作為首要考慮因素。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Effect of Expanding Backfills on Controlling Ground Settlement

Hu Lei1Ren Gaofeng1Qian Zhaoming1Wang Li2Chen Guanghai1Wang Yujie1

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;2.Institute of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

In order to improve the effect of filling method on controlling ground settlement，the theoretical analysis method was adopted to conclude that improving the backfill roof contact rate is the key factor for controlling the ground settlement.Then，in view of the present low roof contact rate，an improved expanding backfill method of replacing traditional cementations and tailings mixture with burnt lime was proposed and the expansion properties of expanding backfill was gained by the experiment.The experiment result showed that the expandable backfill can improve the roof contact rate of filling body and its expansion force can generate some support force on the roof rock.The expansion forces are 1.14 MPa，0.68 MPa and 0.47 MPa when the cement-sand ratios are 1∶1，1∶3 and 1∶5 respectively.Finally，based on the experiments，and taking -175 m stope of western district in Chengchao Iron Mine for instance，the effect of expanding backfills on controlling ground settlement was studied through numerical calculation.The calculation results and theoretical analysis are in good agreement.The calculation result shows that expanding backfill can lower the ground settlement by 94% in maximum.

Filling method，Ground settlement，Backfill roof contact rate，Burnt lime，Expansion force，F(xiàn)LAC3D

2014-09-07

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(編號：2013-ZY-073)，“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：2011BAB05B03)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51104112)。

胡 磊(1988—)，男，碩士研究生。

TD355

A

1001-1250(2014)-11-127-05