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摘 要：针对图拉尔根铜镍矿矿山地质、开采技术条件和采用的大直径深孔嗣后充填法工艺参数等情况，开展了嗣后充填合理充填体强度研究。本研究采用工程类比法和理论计算法主要针对一步骤充填体强度开展研究，确定了充填体强度分布规律和合理强度，经实际生产验证充填体强度合理，性价比高。
关键词：嗣后充填;充填体强度;工程类比法;理论计算
哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根铜镍矿是新疆有色公司与西部稀贵矿业公司合资的股份制企业，矿区位于哈密市东230km，矿山生产规模为2000t/d，采矿方法为大直径深孔嗣后充填法。本研究针对图拉尔根铜镍矿充填体合理强度开展研究。
1 地质与采矿方法概况
1.1 矿山地质
矿体产于1号基性-超基性杂岩体内，受区域性大断裂的次级构造破碎带控制，赋矿岩石为角闪橄榄岩。含矿岩体有明细的角闪橄榄岩相和辉长岩相，两相岩石均有矿化，以角闪橄榄岩相矿化为主。
1号矿体为中间厚两侧薄的厚大脉状矿体，北东-南西向延伸，沿倾向和走向品位变富，厚度变大。总体沿走向矿体表现出以下特点：埋藏深度东浅西深，矿体厚度东薄西厚，矿体产状东缓西陡。总体矿体产状124°∠68°～74°，矿体厚度10～50m，最厚達50m，厚度变化系数45%，沿走向变化较稳定。镍平均品位：0.24～0.42%，最高达1.53%;铜品位最高5%以上。矿区是以静储量0为主的简单水文地质类型。矿石的比重为3.38，岩石比重为2.70，矿岩松散系数均为1.6，矿石硬度f系数为11，岩石硬度f系数为6～12，矿岩稳固到中等稳固。
1.2 采矿方法
图拉尔根铜镍矿采用大直径深孔嗣后充填法回采，具体回采工艺及参数如下：
1.2.1 采场结构参数：矿块垂直走向布置，每隔25m划分一矿块，每隔10m、15m划分第一、二步骤采场。第一步骤采用大直径深孔回采，第二步骤采用分段凿岩中深孔回采。
12.2 采准切割工艺：第一步骤采准工程主要包括分段巷道、出矿穿脉、装矿进路、出矿溜井、凿岩硐室、联络道。第二步骤每个采场分三个分段，一分段16m，二分段13m，三分段13m，以人行井联通各分段和上下中段。
1.2.3 凿岩爆破工艺：一步骤采场爆破采用深孔全孔侧向崩矿工艺，二步骤采场爆破采用中深孔爆破。
1.2.4 采场出矿：回采崩落下来的矿石，通过采场底部的集矿堑沟溜到出矿进路，用斗容2.0m3柴油铲运机将矿石运出。
1.2.5 采场通风：中段沿脉巷→采场斜坡道→下盘出矿沿脉巷→采场→上盘沿脉巷→通风井→上中段沿脉巷。
1.2.6 采场充填：采场回采完毕后，采空区嗣后全尾砂胶结充填。充填前，先将通往采空区的各通道口封闭，从采场上部引入1根滤水管通过采空区并从采场下中段水平引出至封闭墙之外。[1]
2 充填体合理强度工程类比
国内外部分大型采场充填配比设计及充填体强度如表1所示，不同矿山由于开采技术条件不同，其所用充填材料不同，充填料灰砂比从1：4～1：32，一般为1：4～1：20之间，充填体强度亦相差很大，尾砂胶结充填的0.3～4 MPa。到块石胶结充填的2～7MPa。矿柱回采时，充填体暴露面积从1000m2至3000m2，最大可达5000m2，暴露高度从60～90m，最高可达240m（澳大利亚芒特艾萨矿块石胶结充填）。[2-3]
类比国内外矿山，主要分析其充填体强度及强度分布规律。分析各矿山充填强度得出以下结论：（1）决定充填体强度大小的主要因素有充填体的几何形状、矿岩条件、充填目的、充填材料及工艺。（2）对大体积充填体强度的要求指充填体的最终强度要求，一般为60天龄期的强度。（3）国内外矿山的充填体强度范围在0.3～7MPa，其中采用尾砂充填的矿山，充填强度一般在0.3～2.5MPa。安庆铜矿由于考虑回收底柱，顶底部各5米的充填体强度为2.5MPa，其余强度在1～1.5MPa。
分析各矿山充填强度分布规律得出以下结论：（1）充填体完全不接顶时，单纯考虑充填体自立所需要的强度，则充填体底部强度要求最大，随着高度上升，强度要求下降，并且充填体宽度越小，充填体强度要求越高。（2）充填体接顶则需考虑到上部岩体对其受力影响，如安庆铜矿充填体受力分析，充填体的底部受力最大，是充填体中部位受力的3倍左右，其次是顶部受力，是中部位受力的2倍。
结合图拉尔根铜镍矿开采技术条件、充填工艺等，与安庆铜矿较类似，且考虑到矿山不回收顶底柱，因此类比法初步确定充填体强度局部最大值≤1.5MPa，充填体局部最小值取0.3～1MPa，即可满足要求。
由于矿山采矿方法方案确定顶底柱不回收，二步骤充填体对后续采矿影响极小，因此不做重点研究，借鉴类似条件矿山经验，采用灰砂比1：15作为二步骤充填配比要求，其相应强度在0.2～0.5MPa。
3 充填体合理强度理论计算
充填理论计算主要确定充填最大强度要求，即底部充填体强度要求。本研究采用太沙基法。
在太沙基理论中，假定岩体为散体，但是具有一定的内聚力。研究表明胶结充填体也表现为散体的物理力学性质，故可以应用太沙基理论来进行充填体的稳定性分析。
利用太沙基理论的假设条件为：充填体在深度方向上是无限的;在充填体的任意高度上，各应力分量是常量;充填体与岩体之间的摩擦力得到充分利用。[3-4]
虽然在上述的假设条件中有一定局限性，但实际分析过程可以进行一定简化处理。假设一充填体，其断面形状为矩形，长度为L，宽度为B。坐标原点位于充填体的顶部。根据太沙基理论的假设条件，在距离充填体顶部Y处，充填体所受力应力？滓v（Y）可用下式表达：
式中：
根据太沙基法确定的充填体不同高度受力情况如表2所示。
太沙基法计算结果表面，充填体宽度10m，高度50m，采场长20～80m充填体强度，差异不大，同一高度的充填体强度仅为0.18～0.22MPa，因此充填体强度设计时，可忽略不同采场长度的充填体强度的差异，对不同采场长度的充填体采用相同强度要求。计算结果表面最大充填强度为1.48MPa，位于底部;最小充填体强度为0.89MPa。
4 结论
4.1 图拉尔根铜镍矿采用大直径深孔嗣后充填采矿法，两步骤回采矿块，顶底柱不回收，因此充填体合理强度研究的重点在一步骤充填体，而二步骤充填体对后续采矿影响较小，故不作为研究重点。因而本文借鉴类似条件矿山经验，相应强度在0.2～0.5MPa。[5]
4.2 收集类似条件矿山一步骤充填体情况，类比各矿山初步确定的充填体局部强度最大值≤1.5MPa，而最小局部强度在0.3～1.0MPa。强度分布规律为充填体顶底部强度偏高，而中部偏低。
4.3 经理论分析计算，所得合理强度结论与工程经验基本相符合，最大强度值在1.5MPa，最小强度值在0.9MPa。
4.4 基于类比法和理论计算所得的从体强度和分布规律，确定了满足回采技术要求，且经济合理的方案，即一步骤充填要求距离采场顶底板各10m高差内的充填体强度需达到1.5MPa，而中部30米高度的充填体强度需达到1.0MPa。
参考文献
[1]李向东，郑伯坤等.图拉尔根铜镍矿采矿方法研究报告[R].长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2009.
[2]朱志彬，刘成平.充填体强度计算及稳定性分析[J].采矿技术，2008，（05）：15-25.
[3]刘同有等.充填采矿技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2001.
[4]李学锋，李向东，周爱民.凡口铅锌矿深部矿体开采顺序研究[J].金属矿山，2004，（12）：12-14.
[5]李向东，郑伯坤等.图拉尔根铜镍矿合理充填体强度研究报告[R].长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2013.
关键词：嗣后充填;充填体强度;工程类比法;理论计算
哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根铜镍矿是新疆有色公司与西部稀贵矿业公司合资的股份制企业，矿区位于哈密市东230km，矿山生产规模为2000t/d，采矿方法为大直径深孔嗣后充填法。本研究针对图拉尔根铜镍矿充填体合理强度开展研究。
1 地质与采矿方法概况
1.1 矿山地质
矿体产于1号基性-超基性杂岩体内，受区域性大断裂的次级构造破碎带控制，赋矿岩石为角闪橄榄岩。含矿岩体有明细的角闪橄榄岩相和辉长岩相，两相岩石均有矿化，以角闪橄榄岩相矿化为主。
1号矿体为中间厚两侧薄的厚大脉状矿体，北东-南西向延伸，沿倾向和走向品位变富，厚度变大。总体沿走向矿体表现出以下特点：埋藏深度东浅西深，矿体厚度东薄西厚，矿体产状东缓西陡。总体矿体产状124°∠68°～74°，矿体厚度10～50m，最厚達50m，厚度变化系数45%，沿走向变化较稳定。镍平均品位：0.24～0.42%，最高达1.53%;铜品位最高5%以上。矿区是以静储量0为主的简单水文地质类型。矿石的比重为3.38，岩石比重为2.70，矿岩松散系数均为1.6，矿石硬度f系数为11，岩石硬度f系数为6～12，矿岩稳固到中等稳固。
1.2 采矿方法
图拉尔根铜镍矿采用大直径深孔嗣后充填法回采，具体回采工艺及参数如下：
1.2.1 采场结构参数：矿块垂直走向布置，每隔25m划分一矿块，每隔10m、15m划分第一、二步骤采场。第一步骤采用大直径深孔回采，第二步骤采用分段凿岩中深孔回采。
12.2 采准切割工艺：第一步骤采准工程主要包括分段巷道、出矿穿脉、装矿进路、出矿溜井、凿岩硐室、联络道。第二步骤每个采场分三个分段，一分段16m，二分段13m，三分段13m，以人行井联通各分段和上下中段。
1.2.3 凿岩爆破工艺：一步骤采场爆破采用深孔全孔侧向崩矿工艺，二步骤采场爆破采用中深孔爆破。
1.2.4 采场出矿：回采崩落下来的矿石，通过采场底部的集矿堑沟溜到出矿进路，用斗容2.0m3柴油铲运机将矿石运出。
1.2.5 采场通风：中段沿脉巷→采场斜坡道→下盘出矿沿脉巷→采场→上盘沿脉巷→通风井→上中段沿脉巷。
1.2.6 采场充填：采场回采完毕后，采空区嗣后全尾砂胶结充填。充填前，先将通往采空区的各通道口封闭，从采场上部引入1根滤水管通过采空区并从采场下中段水平引出至封闭墙之外。[1]
2 充填体合理强度工程类比
国内外部分大型采场充填配比设计及充填体强度如表1所示，不同矿山由于开采技术条件不同，其所用充填材料不同，充填料灰砂比从1：4～1：32，一般为1：4～1：20之间，充填体强度亦相差很大，尾砂胶结充填的0.3～4 MPa。到块石胶结充填的2～7MPa。矿柱回采时，充填体暴露面积从1000m2至3000m2，最大可达5000m2，暴露高度从60～90m，最高可达240m（澳大利亚芒特艾萨矿块石胶结充填）。[2-3]
类比国内外矿山，主要分析其充填体强度及强度分布规律。分析各矿山充填强度得出以下结论：（1）决定充填体强度大小的主要因素有充填体的几何形状、矿岩条件、充填目的、充填材料及工艺。（2）对大体积充填体强度的要求指充填体的最终强度要求，一般为60天龄期的强度。（3）国内外矿山的充填体强度范围在0.3～7MPa，其中采用尾砂充填的矿山，充填强度一般在0.3～2.5MPa。安庆铜矿由于考虑回收底柱，顶底部各5米的充填体强度为2.5MPa，其余强度在1～1.5MPa。
分析各矿山充填强度分布规律得出以下结论：（1）充填体完全不接顶时，单纯考虑充填体自立所需要的强度，则充填体底部强度要求最大，随着高度上升，强度要求下降，并且充填体宽度越小，充填体强度要求越高。（2）充填体接顶则需考虑到上部岩体对其受力影响，如安庆铜矿充填体受力分析，充填体的底部受力最大，是充填体中部位受力的3倍左右，其次是顶部受力，是中部位受力的2倍。
结合图拉尔根铜镍矿开采技术条件、充填工艺等，与安庆铜矿较类似，且考虑到矿山不回收顶底柱，因此类比法初步确定充填体强度局部最大值≤1.5MPa，充填体局部最小值取0.3～1MPa，即可满足要求。
由于矿山采矿方法方案确定顶底柱不回收，二步骤充填体对后续采矿影响极小，因此不做重点研究，借鉴类似条件矿山经验，采用灰砂比1：15作为二步骤充填配比要求，其相应强度在0.2～0.5MPa。
3 充填体合理强度理论计算
充填理论计算主要确定充填最大强度要求，即底部充填体强度要求。本研究采用太沙基法。
在太沙基理论中，假定岩体为散体，但是具有一定的内聚力。研究表明胶结充填体也表现为散体的物理力学性质，故可以应用太沙基理论来进行充填体的稳定性分析。
利用太沙基理论的假设条件为：充填体在深度方向上是无限的;在充填体的任意高度上，各应力分量是常量;充填体与岩体之间的摩擦力得到充分利用。[3-4]
虽然在上述的假设条件中有一定局限性，但实际分析过程可以进行一定简化处理。假设一充填体，其断面形状为矩形，长度为L，宽度为B。坐标原点位于充填体的顶部。根据太沙基理论的假设条件，在距离充填体顶部Y处，充填体所受力应力？滓v（Y）可用下式表达：
式中：
根据太沙基法确定的充填体不同高度受力情况如表2所示。
太沙基法计算结果表面，充填体宽度10m，高度50m，采场长20～80m充填体强度，差异不大，同一高度的充填体强度仅为0.18～0.22MPa，因此充填体强度设计时，可忽略不同采场长度的充填体强度的差异，对不同采场长度的充填体采用相同强度要求。计算结果表面最大充填强度为1.48MPa，位于底部;最小充填体强度为0.89MPa。
4 结论
4.1 图拉尔根铜镍矿采用大直径深孔嗣后充填采矿法，两步骤回采矿块，顶底柱不回收，因此充填体合理强度研究的重点在一步骤充填体，而二步骤充填体对后续采矿影响较小，故不作为研究重点。因而本文借鉴类似条件矿山经验，相应强度在0.2～0.5MPa。[5]
4.2 收集类似条件矿山一步骤充填体情况，类比各矿山初步确定的充填体局部强度最大值≤1.5MPa，而最小局部强度在0.3～1.0MPa。强度分布规律为充填体顶底部强度偏高，而中部偏低。
4.3 经理论分析计算，所得合理强度结论与工程经验基本相符合，最大强度值在1.5MPa，最小强度值在0.9MPa。
4.4 基于类比法和理论计算所得的从体强度和分布规律，确定了满足回采技术要求，且经济合理的方案，即一步骤充填要求距离采场顶底板各10m高差内的充填体强度需达到1.5MPa，而中部30米高度的充填体强度需达到1.0MPa。
参考文献
[1]李向东，郑伯坤等.图拉尔根铜镍矿采矿方法研究报告[R].长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2009.
[2]朱志彬，刘成平.充填体强度计算及稳定性分析[J].采矿技术，2008，（05）：15-25.
[3]刘同有等.充填采矿技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2001.
[4]李学锋，李向东，周爱民.凡口铅锌矿深部矿体开采顺序研究[J].金属矿山，2004，（12）：12-14.
[5]李向东，郑伯坤等.图拉尔根铜镍矿合理充填体强度研究报告[R].长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2013.