下向水平分層充填采礦法水平礦柱形成機理與進路結構協同作用研究

黃 灝

隨著采礦方法的多樣化，水平礦柱的出現越來越普遍。許多礦產資源的開采，由于開采方案的設計和開采條件的限制，不得不使用水平礦柱來達到開采要求。因此，為保證經濟效益和開采安全，關于水平礦柱的回收的研究越來越值得重視。

對甘肅某礦的開采過程中留下的水平礦柱穩定性進行研究。發現采用下向水平分層六角形進路式充填采礦法，雙中段大盤區同時回采的模式，可以提高穩定性，有效避免災害的發生。張中信等人，對某鎳礦的回采順序的優化出發，提出了隔一采一提高水平礦柱穩定性的方案。寇永淵等人，采用兩種方案，利用FLAC3D軟件進行模擬比較，最后選擇了對水平礦柱擾動小，穩定性高的方案二，有效解決了金川二礦區礦巖穩定性差的問題。黃昌興等人，提出六邊形-矩形聯合進路布置方式，提高了對彝良某鉛鋅礦的上下中段之間的水平礦柱的回采的穩定性。姜立春等人，通過利用FLAC3D軟件，對礦體進行開挖模擬，研究了水平礦柱的預留厚度與穩定性的關系。吳愛祥等人，針對龍首礦巖體，利用多種數值模擬軟件，探討了水平礦柱穩定性的影響因素。廖偉成等人，針對安慶銅礦的水平礦柱的回采，也提出了兩翼向中間回采方案，使得回采問題迎刃而解，為礦柱回采提供了巨大的實用價值。

科技的發展與編程軟件的不斷開發，推動著數值模擬技術的成熟化發展，使得采場結構參數的研究也越來越全面與深入。盧西周等人，針對金川二礦區，通過Mathews穩定圖解法，建立模型，對多種方案進行計算分析，選取出了綜合效益最高的方案。李炎峰等人，利用三因素三水平正交試驗法結合三維有限元數值計算的方法，進行數值模擬分析，選擇出最適宜采場開采的參數。羅來和等人，也利用FLAC3D軟件，對上向進路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向分層充填采礦法三種采礦方法的不同結構參數情況下的結果進行分析，選擇出了最優方法與結構參數。賈敬锎等人，同樣也使用了數值模擬技術與多種計算方法相結合，獲得采場的最優結構參數。使得某鎢礦深部采空區穩定性差的問題得以解決。

1 水平礦柱形成機理

在礦石不穩固，或者是圍巖不穩固的情況下，下向水平分層充填采礦法是采礦方法中一個很好的選擇。目前國內外對于品味較高或是較為珍貴的礦石也常常采用此方法進行礦石開采。

下向水平分層充填采礦法的實質是，對礦石進行從上而下的分層回采工作，以及對采空區的逐層充填。但是由于單一礦段的下向水平分層充填，尤其其開采速度的緩慢，已經完全無法滿足目前的礦石開采的產量要求。于是，很大部分的采用該方法進行礦石開采的礦山，已經選擇雙中段乃至多中段的同時開采作業。以雙中段同時開采為例，首先將礦體分為多層進行開采，從上而下逐層開采。在每一層中，又將礦體分為上下兩中段，每中段又劃分多個分段，自上而下進行分段的回采，在回采結束后對分段進行充填。隨著開采工作的進行，中段中的充填體會越來越厚，與此同時中段之間的礦體會越來越薄。水平礦柱即是兩中段之間越來越薄的礦體。這個變薄礦體的變薄過程，即是水平礦柱的形成過程，變薄礦體在厚度在何種程度上會被稱之為水平礦柱呢？這就需要對變薄礦體的應力集中現象進行觀測。在礦體變薄過程中，當應力幾種現象開始大幅提升時，這時的礦體即是水平礦柱。因此水平礦柱的應力集中一般較高，具有一定的危險性。

由于現在絕大多數的礦山都有一定的產量要求，雙或多段同時回采必然是大勢所趨。雙中段或是多中段的同時回采必然會產生水平礦柱。雖然，水平礦柱會在回采的不斷進行下進一步變薄直至消失。但是，水平礦柱形成的過程也是應力集中的過程。因為，在水平礦柱的形成過程中，次生應力會不斷增大，周圍巖石松動范圍不斷擴大，使得充填體的擠壓壓力也會越來越來。應力會不斷在水平礦柱上集中，隨著水平礦柱的不斷變薄，應力集中現象也會越來越嚴重。這時，對礦柱的回采作用就會變得極其危險，稍有不慎，巖體的失穩導致礦柱塌陷、碎裂，若充填體質量不高，可能會導致無法挽回的重大事故。同時，礦柱的損壞，可能會連帶充填體的損壞，嚴重的話，充填體層會發生塌陷，對于整個礦山會有無法彌補的災難。

2 水平礦柱與矩形進路結構關系

2.1 穩定性因素

由水平礦柱的形成機理，不難看出，每層礦石開采結束后，在進路采空區填入的充填體與下一層作業區僅僅靠水平礦柱阻隔，在充填體達到符合要求的強度后，充填體與水平礦柱的結合體，即作為下一層作業區的頂板。該頂板可看成是一塊板加一根梁的形式。充填體即是板，水平礦柱即是梁。這種“梁板”結構，關系著下層作業的安全。因此，充填體的材料、充填體的構造方式、礦石開采的回路順序、回路的布置方式、以及礦石本身的性質都是下向水平分層充填采礦法人工頂板的穩定性重要影響因素。

2.2 兩步驟回采

各分層采場內進路一般分為兩步驟回采，“隔一采一”，分為以下兩種情況：

（1）一步驟回采的進路頂板為上層采場充填假頂，兩幫為礦體，相當于巷道掘進。一步驟回采結束后，進行膠結充填，如圖1所示。此種情況下，由于進路兩幫是原巖并且與上分層高強度充填體（1：4灰砂比打底1.5m）呈緊密接觸，不存在接頂與否的問題。“隔一采一”后其力學模型可抽象為假頂下方形成的多個“支座”和多個“跨”，相應地呈相間分布。支座強度大、除頂角處局部破壞外不會發生滑移，假頂的跨度尺寸穩定。此種情況下，只要充填體與配筋質量穩定，假頂的穩定性是很好的。實際上，下向水平分層進路式采礦充填體強度設計恰是基于這種情況而設計的。

（2）二步驟進路回采時，進路頂板仍為充填假頂，但兩幫為膠結充填體，如圖3所示。此種情況下，由于進路充填體的剛度遠小于原巖，且實際充填中存在接頂難題。表面看，仍是“隔一采一”模式，但此種情況下，假頂下方形成的多個“支座”和多個“跨”之間的分布就與前述情況有很大差別。支座強度低且接觸面僅有50%、接觸部位可能發生充填體剪切破壞及滑移，假頂的跨度尺寸成倍變大從而影響穩定。基于梁理論，因滑動支座與梁跨增大，不難得出充填體人工假頂的失效機理與模式：

a.假頂局部分層脫落或塌落失效：充填過程中發生充填體離析與分層，整體均質性差，在假頂底部拉應力作用下出現開裂與脫層。

b.假頂彎曲失效：如圖2所示，由于接頂不到位導致跨度尺寸增大（甚至成倍增大），假頂底部拉底力增大、撓曲明顯，假頂出現下沉性彎曲而開裂，伴有變形過程中的脫層、充填體開裂及配筋暴露等情況。

c.假頂滑動失效：多出現在一端支座強度低且因接觸面小、假頂由水平狀態發生微傾，使假頂與下部進路充填體接觸部位發生滑移，造成假頂開裂失效（普通下向水平分層充填法中較為常見）。

d.假頂轉動失效：出現在假頂的端頭，因假頂單方向滑動引起端部假頂出現拉-扭現象，導致假頂與圍巖脫離、配筋和錨桿暴露。一旦出現假頂轉動失效現象，則表征假頂層“梁拼板”整體極可能出現大面積下沉（多發生于上下盤礦巖交界處）。

綜上，針對I-6號礦體設計采用多中段同時開采模式必將出現3個中段水平礦柱。水平礦柱的礦量占中段礦量的30%左右，一旦因下部充填體出現整體下沉，則水平礦柱必失去底部支撐，且隨底部“空洞”的增大而逐步出現松動范圍增大的情況。水平礦柱底部受拉底力作用必然導致節理裂隙進一步發育，以及低強度的硫鐵礦隨機穿插，水平礦柱將逐步脫落，出現整體性破壞。不但造成回收困難，嚴重時可能出現重大事故。

究其原因，是水平礦柱與矩形進路的開采結構不合理性造成的。矩形進路本身不存在本質結構問題，是因為矩形進路對充填接頂的要求是實際操作中難以完成的。綜合以上分析可發現，選擇合理的開采進路和開采進路的布置方式是提高穩定性的重要步驟。雙（多）段同時開采的重要要求便是有效支撐的實現。

3 水平礦柱與六邊形進路結構關系

3.1 六邊形進路式充填法

所謂六邊形進路式充填法，就是將原先進路的正方形截面，改成六邊形截面。為何這樣操作的原因是，借用了密封筑巢的截面構造，改變原先正方形進路的受力情況。六邊形截面可以有效形成壓力傳遞。壓力的傳遞分散，使得采場的穩定性大大提高。并且地應力也受到有效控制。從某種方面來講，六邊形進路式充填法就是對傳統下向水平分層充填法的一種優化。

在盤區的上盤圍巖中，布置斷面為長為4m寬為3.5m的折返式斜坡道。兩邊的墻面為垂直墻面，拱頂選擇半圓拱頂。自上而下，每20m設置可以服務8層回采與斜坡道相連的分段聯絡道。采場為長100m,寬度與礦體水平厚度相同的，垂直于礦體的采場。階段高度為100m。沿著采場的垂直走向布置長為5m寬為2.5m的分層道，并且布置出礦溜井兩條。在上一分層進行充填時，應當預留好通風井。充填道的布置應該在采場的兩端，且每隔十米布置一次，在進路的端部位置布置相互通聯的充填小井。穿脈充填道與上中段沿脈充填道相通。進路為長47.5m的雙翼垂直分層道。如圖3所示，截面為底寬、腰寬、高分別為4m、6m、5m的六邊形。每隔2.5m交錯半層進行布置。落礦方式采用淺孔掘進式，用鏟運機出礦。

利用仿生學原理，將蜂窩的六邊形截面構造，應用到開采進路之中去。既改變了原先進路頂板的受力情況，由是頂部壓力傳遞分散。使得采場的穩定性得到大幅度改善，為開采工作提供了安全保障。

3.2 六邊形進路式充填法穩定性模擬

采用六邊形進路布置結構，各分層采場內進路自始至終是“隔一采一”模式：六邊形進路頂板為上層采場進路充填假頂，兩個斜上幫亦為采場進路充填假頂，三條上分層充填體呈擠壓結構鑲嵌構成充填體“組合頂”，兩個斜下幫則為礦體。此種情況下，由于進路兩幫原巖與上分層高強度充填體（1：4灰砂比打底1.5m）呈緊密接觸，不存在接頂與否的問題。“隔一采一”后其力學模型可抽象為假頂下方形成的多個“支座”和多個“跨”，相應地呈相間分布。保證支座不會發生滑動現象，在充填體的強度足夠和所配鋼筋質量沒問題的情況下。頂部將幾乎不會受到拉應力的作用，而只是受到壓應力。這樣，頂板也不會出現不穩定而引起的各種現象。

即使充填不接頂（實際中多不接頂，如龍首礦試驗過頂部0.4～0.8m的空堂，其充填假頂也未出現開裂和脫層），六邊形進路特殊的結構也能使頂壓有效傳遞，現場測試和數值模擬分析證明了這一點。相鄰六邊形充填體內存在壓力傳遞圓和壓力核區，也呈鑲嵌結構。從工程力學角度看，六邊形截面的進路，由于六邊形的形狀構造，頂部的壓力會向下傳遞分散。壓力分散到各個頂點，使得支撐強度變得很高。隨著充填體材料的不斷發展,目前，充填體材料的強度已經足夠高，基本不會存在垂直方向的位移。采用六邊形構造的同時也可以滿足一次充填的要求，使得充填成本也得到了有效的降低。

實際上，由矩形進路布置方式轉變為六邊形進路，過渡是容易實現的，其具體為在假頂下沿上層進路的正交方向“隔一采一”形成矩形矮進路，并在充填前進行修整變為倒梯形結構，進行充填。此時充填一般要求進行二次接頂（對局部不接頂部位在相鄰進路開采時進行木墊支空堂），使接頂率高。充填體養護（一般時間不低于7天）后，即可進行下一層開切，形成六邊形進路。此種過渡方式操作方便，形成時間最短。

4 結論

（1）對水平礦柱的形成機理進行簡要闡述，并且指出水平礦柱回采過程中可能會引發的安全性問題的原因。

（2）對水平礦柱回采中安全性問題的主要原因進行分析。

（3）對比分析正方形進路與六邊形進路，發現六邊形進路的受力情況更加有利于礦體開采，提出六邊形進路更能確保礦體的穩定性且經濟效更高，具有很大的實用價值。