三山島金礦下向進路采礦法人工假頂參數設計研究

況丹陽，周玉成，萬串串，劉立順，潘桂海

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

對于深部高應力較破碎礦體，下向充填采礦法是極有效的開采方法，其通過構造安全性比原巖頂板更好的人工假頂充當下向采礦的直接頂板，使采礦作業區域位于應力釋放區，有利于控制深部開采的巖爆動力災害風險，安全條件更有保障[1]。由于人工假頂在下向充填采礦法中具有“承上啟下”的作用，因此合理的充填體假頂強度及配筋參數是保證下向充填采礦法安全、高效、經濟回采的關鍵。目前，諸多學者對于充填體假頂進行了研究[2-6]，郭忠平等[7]采用“嵌固梁”模型作為上覆充填體力學模型，通過計算充填體承載層厚度，并采用FLAC3D數值模擬軟件研究了不同采深下采場圍巖與充填體塑性區及應力分布規律。尚雪義等[8]采用下向進路薄板力學模型，結合可靠度理論及安全系數法，對承載層拉應力進行研究，并對所得結果進行了比較，優化出最佳進路斷面。黃明清等[9]采用古典楊森散體壓力理論及矩形等厚薄板力學模型分析了留設頂板受載情況及安全厚度，并通過工程實例進行了驗證。國內外對于充填體假頂配筋參數研究較少，黃丹等[10]通過將鋼筋混凝土結構設計方法應用于下向進路充填假頂配筋率計算，形成下向充填采礦人工假頂強度及配筋率的整體方案。李小松等[11]利用經濟配筋率理論，確定了大跨度假頂縱筋及橫筋的配筋參數。范文錄等[12]使用可靠度理論分析了各參數對假頂強度的影響程度，探討出人工假頂可靠概率下的合理取值，得出鋼筋混凝土頂板可靠概率為90%時的假頂承載強度，以及該強度下的假頂厚度值和合理配筋值。

本文通過對下向進路充填采礦法人工假頂所受載荷進行計算，結合薄板理論，計算其抗壓強度及人工假頂最大彎矩，并計算最優假頂配筋參數，為礦山人工假頂設計和施工提供借鑒和技術支撐。

1 工程概況

三山島金礦是海底大型金屬礦山，頂部覆蓋有5 m深的海水，其礦體屬于構造破碎帶熱液蝕變巖型金礦床，西山礦區范圍內主要控礦構造為F1斷層，礦體主要賦存在F1斷層蝕變帶內，其控制長度1 700 m，傾向延伸1 000 m。礦巖中間為黃鐵絹英巖帶，上、下盤為絹英巖化碎裂巖、絹英巖及絹云母化(硅化)碎裂狀花崗巖帶。F2斷層帶位于F1斷層西側約200 m，受三山島斷裂的次級斷裂帶控制，走向50°，傾向、傾角目前尚不清楚。三山島金礦淺部礦體主要位于F1斷裂帶下盤的黃鐵礦化絹英巖中，深部礦體在F1斷裂帶的上下盤均有分布。礦體平均傾角40°，平均厚度40 m，屬于典型的傾斜破碎厚大礦體[13]。其中的西山礦區目前開采深度已達千米，地壓及高溫災害突顯，井下作業環境差，由于斷層的存在，礦體上盤穩定性很差，礦體下盤穩定性相對較好，礦巖質量等級為Ⅲ～Ⅳ級，采場頂板易冒落、塌方。

為有效解決深部采礦面臨的地壓災害風險高、作業環境差、勞動生產率低、作業面多、安全管理難度大等系列技術難題，礦山深部使用下向進路充填采礦法。其回采方式為隔一采一，進路尺寸為5 m×4 m，回采結束后在采場底部采用高強度的充填體進行充填作為下一分段采場的人工假頂，采場其余部分采用低強度的充填體進行充填。采礦方法示意圖見圖1。

圖1 采礦方法示意圖Fig.1 Sketch map of mining method in the deep mine

2 人工假頂載荷分析

在下向開采方案中，通常由高配比充填體和鋼筋構筑的人工假頂代替原巖頂板。人工假頂構筑過程中，相鄰的高配比充填體通過鋼筋網進行搭接形成一個整體，因此人工假頂可將所受荷載傳遞給上下盤圍巖和左右兩側采場的礦體或充填體，從而實現承載[14]。人工假頂所受載荷q為其自重q0和上部低濃度充填體載荷q1之和，如圖2所示。

圖2 上部低濃度充填體施加荷載情況Fig.2 Loading by upper low concentration backfill

考慮到圍巖對低濃度充填體的承載力和低濃度充填體與上下盤圍巖之間的摩檫力[15]，人工假頂上所受載荷q為：

q=q0+q1=ρ0gh+0.7ρ1g(M-h)

(1)

式中，ρ0為人工假頂的密度，kg/m3；g為10 N/kg；h為人工假頂厚度，m；ρ1為低濃度充填體的密度，kg/m3；M為礦房高度，m。

3 人工假頂最大彎矩分析

由于構成人工假頂可視為彈性板，同時考慮到人工假頂各進路間通過鋼筋搭接形成一個整體，且充填體假頂與上下盤圍巖及左右兩側采場的充填體假頂緊密連接，限制了本采場假頂四面的平動與轉動，由于假頂所受水平應力可以忽略不記，在所受豎向載荷的作用下，假頂產生彎曲，假頂內的受力狀態與薄板理論的受力狀態相同，因此可以將四面固定的薄板模型作為人工假頂的力學模型[16](圖3)。

圖3 人工假頂力學模型Fig.3 Mechanical model of artificial roof

根據薄板模型理論，人工假頂結構與軟支弱板結構相似[17]，由于豎向載荷的作用，人工假頂主要在幾何中心線處發生拉伸破壞，則人工假頂產生的最大彎矩為：

(2)

式中，a為采場跨度的一半，m；q為豎向載荷，MPa；其中：

(3)

式中，h為人工假頂厚度，m；M為采場高度，m。

由于人工假頂的抗壓強度應能承受最大彎矩帶來的壓應力，假頂彎矩與壓應力的關系為：

(4)

式中，ω為抗彎模量，m2；σmax為最大抗壓強度，MPa。

4 人工假頂強度設計

三山島金礦采用下向進路充填采礦法回采深部礦體，進路尺寸為5 m×4 m，考慮到采場的尺寸，a=2.5 m，M=4 m，則α=0.68h-0.75，αa=1.70h-0.75，α2a2=2.88h-1.5，人工假頂充填體的密度ρ0為1 900 kg/m3，低濃度充填體的密度ρ1為1 800 kg/m3，g為10 N/kg，可得到人工假頂承受的抗壓強度為：

由此得到人工假頂所受最大壓力σmax和厚度h之間的關系曲線如圖4所示。

圖4 人工假頂所受最大壓應力-厚度函數曲線Fig.4 Curve of maximum compressive stress with height of artificial roof

由圖4可知，下向進路充填法采場人工假頂所受的最大壓力與人工假頂的厚度呈反比關系，且當人工假頂厚度超過0.8 m后，人工假頂所受的最大壓力逐漸達到平衡，并且綜合考慮人工假頂充填成本，應盡可能降低人工假頂充填體配比，因此將人工假頂的厚度定為0.8 m，其所受的最大壓應力為1.17 MPa，為保證人工假頂的安全，考慮10%～20%的安全系數，人工假頂的抗壓強度為1.5 MPa。

5 人工假頂配筋參數設計

為提升假頂抗拉強度，會在其底部鋪設鋼筋。考慮到鋪筋成本，人工假頂的配筋率只需滿足其不產生彎曲破壞。為確定人工假頂的配筋率，需計算出人工假頂的最大彎矩。人工假頂厚度為0.8 m時，其最大豎向均布載荷q為55.52 kN/m，則最大彎矩Wmax為1.25×105N·m。

人工假頂高濃度充填體-鋼筋網結構與鋼筋混凝土結構相似，其設計符合鋼筋混凝土經濟配筋率理論[18]，人工假頂配筋率計算公式為：

(7)

式中，As為縱向受力鋼筋的總面積，m2；b為人工假頂正截面寬度，沿人工假頂長度方向取1.0 m；h0為鋼筋距截面受壓區邊緣的距離，m。

假頂鋪筋設計示意圖見圖5。

人工假頂可視為軟支弱板結構，根據人工假頂充填體-鋼筋組合結構及材料力學可知[19]，人工假頂承受的彎矩大小與配筋率關系為：

(8)

式中，α1為混凝土強度等級，一般為1.0；fc為人工假頂抗壓強度設計值，假頂充填高度h=0.8時，充填體強度約為1.5 MPa；fy為縱向受力鋼筋抗拉強度設計值，MPa。

人工假頂鋪設鋼筋網時選用Φ12 mm鋼筋網片，其設計抗拉強度fy=300 MPa，最大彎矩Wmax=1.25×105N·m。計算得出配筋率δ=0.08%，因此可得縱向受力鋼筋量為28根，則鋼筋縱向間距最大為178 mm，考慮到10%～20%的安全系數，人工假頂配筋使用Φ12 mm螺紋鋼鋼筋網時，其網度應為150 mm×150 mm。現場施工時，為保障人工假頂安全，鋼筋網之間應使用鋼絲或卡扣進行搭接，并保證150 mm長的搭接長度。

6 結論

通過對人工假頂進行受力分析可知，人工假頂載荷主要為其自重及上覆充填體重量，在豎向載荷作用下產生彎曲，其主要破壞形式是彎矩對其上表面產生壓破壞及彎矩對其下表面產生的拉破壞。基于薄板理論，通過分析人工假頂最大彎矩Wmax及充填體物理力學參數，得出三山島金礦下向進路采場人工假頂強度及配筋參數，即人工假頂厚度為0.8 m，其強度應達到1.5 MPa，配筋使用Φ12 mm螺紋鋼鋼筋網，網度為150 mm×150 mm。