張春芳

(云南錫業(yè)集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司老廠分礦， 云南 個(gè)舊市 661407)

14#-5礦體是老廠開發(fā)工程的重點(diǎn)礦體之一，也是目前生產(chǎn)的骨干礦體。由昆明冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)選用“上向式水平分層膠結(jié)充填法”開采。將礦體全高劃分為3個(gè)分段(分段高9.0 m)，分段平巷沿礦體走向布于礦體下盤脈外，每條分段平巷控制3個(gè)分層(分層高3.0 m)。垂直于分段平巷布置回采進(jìn)路(間距為32.0 m)，垂直于回采進(jìn)路布置礦房礦柱(尺寸均為30.0 m×7.0 m)。先采礦房后采礦柱，礦房采后用細(xì)骨料膠結(jié)充填，礦柱采后擬用水砂充填。礦房回采總計(jì)已采出礦石251209.0 t，錫金屬1913.19 t，銅金屬1388.18 t，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果。

該礦體屬接觸帶硫比礦，層理、節(jié)理發(fā)育，為非致密硫化礦，呈層狀產(chǎn)出，裂隙發(fā)育，局部氧化，為典型的層狀礦體，給頂板管理帶來(lái)了極大的困難?，F(xiàn)采用長(zhǎng)錨索(一般長(zhǎng)12.0 m，錨固3～4個(gè)分層)加短錨桿(有1.5 m和1.8 m兩種規(guī)格)聯(lián)合支護(hù)的管理辦法。

1 問題的提出

1.1 Ⅱ步驟礦柱的空間關(guān)系

礦房回采后，Ⅱ步驟礦柱在空間上只有兩個(gè)面與原礦(巖)相聯(lián)，當(dāng)?shù)V柱第一分層回采后，只剩下一個(gè)面與頂板礦(巖)直接相聯(lián)，其處于單軸受力狀態(tài)。另外，礦房回采后，應(yīng)力在礦柱上重新分布，在礦柱上形成應(yīng)力升高區(qū)，所以，不少研究認(rèn)為，礦柱回采會(huì)使地壓活動(dòng)劇烈，冒頂片幫現(xiàn)象頻繁，可能導(dǎo)致礦柱頂板大面積冒落的惡性事故發(fā)生。

1.2 膠結(jié)充填體問題

投產(chǎn)后一段時(shí)間的膠結(jié)充填體，強(qiáng)度比較低(主要是由于一部分膠結(jié)充填體離析)，因此，回采礦柱時(shí)，必須考慮膠結(jié)充填體能否自立，及因坍塌造成貧化過(guò)高，甚至發(fā)生安全事故的問題。

2 Ⅱ步驟礦柱回采的可行性分析

按昆明冶金設(shè)計(jì)研究院的設(shè)計(jì)，Ⅱ步驟礦柱采用“上向式水平分層水砂充填法”回采，14#-5礦體的礦房礦量幾乎已回采2/3，目前欲改變采礦方法，從生產(chǎn)任務(wù)來(lái)看，似乎不太可能，所以，本文以原設(shè)計(jì)的中礦柱回采方法進(jìn)行可行性分析，根據(jù)礦房膠結(jié)充填體和開采現(xiàn)狀的客觀條件來(lái)討論其回采的可行性。

2.1 Ⅱ步驟礦柱的穩(wěn)定性分析

我國(guó)白銀有色金屬公司小鐵山鉛鋅礦某礦體選用上向式分段分條膠結(jié)充填法開采，在回采Ⅱ步驟礦柱時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ⅰ步驟回采進(jìn)行膠結(jié)充填時(shí)，水泥漿會(huì)進(jìn)入Ⅱ步驟礦柱的周邊裂縫，將破裂(或破碎)的礦石與充填體膠結(jié)成一整體，從而增強(qiáng)了Ⅱ步驟回采時(shí)礦柱的穩(wěn)固性。這一規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)Ⅱ步驟礦柱的回采具有重要意義。

14#-5礦體所回采的礦房，尤其是第一至三分層的礦房，有超挖欠挖現(xiàn)象，各礦房分層的邊界也不是整齊重合的。并且由于爆破的原因，回采后的礦房邊幫都有不同程度的裂隙，或深或淺，并非是光滑的。因此，可以斷言，現(xiàn)在的礦房膠結(jié)充填體都已緊緊地和礦柱膠結(jié)成一整體。所以有理由認(rèn)為，礦房膠結(jié)充填體與礦柱的接觸狀況是良好的，能滿足礦柱回采“摩擦力”的要求。

實(shí)踐證明，充填體(特別是膠結(jié)充填體)對(duì)礦柱的約束作用很大，這是成功應(yīng)用充填采礦法的礦山工作者們的共識(shí)，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

充填體(尤其是膠結(jié)充填體)能給礦柱(壁或圍巖)提供橫向約束力，這種阻抗力隨著礦柱(壁或圍巖)變形量的逐漸擴(kuò)大而漸漸增加，它以讓壓的方式阻止和約束礦柱(壁或圍巖)的變形，以使礦柱的泊松比減小，并大幅度降低其水平變形量。更重要的是使礦柱由單軸受力變?yōu)槿S受力，從而改變其受力狀態(tài)，使礦柱的支承能力提高。波蘭學(xué)者對(duì)干式充填、水砂充填和膠結(jié)充填的橫向約束作用分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)充填體使礦柱支承能力增加的幅度最大。國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)間柱回采過(guò)程采用有限元模擬分析法和邊界元法進(jìn)行分析，得出：間柱回采中，頂板拉應(yīng)力的范圍是很小的，其位于間柱頂板的正中附近，隨回采頂板的上移而上移，并且間柱內(nèi)的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都未超過(guò)礦巖的極限抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度(個(gè)別點(diǎn)除外)。還發(fā)現(xiàn)，間柱回采中，其最下分層和最上層面是應(yīng)力最集中的地方。上述這些都是充填體橫向約束作用的結(jié)果，并經(jīng)國(guó)內(nèi)外大量的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料得到了證明。

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)的理論可知，礦(巖)石的抗壓強(qiáng)度隨著側(cè)壓條件的改變而改變，如果礦柱被充填體所包圍，則為礦柱提供了一定的側(cè)壓力，可使礦柱的抗壓強(qiáng)度有所增大。某研究院的研究報(bào)告指出，用不同強(qiáng)度的膠結(jié)充填體充填后的礦柱強(qiáng)度有不同的變化，強(qiáng)度高的充填體可提供較大的橫向約束力，使礦柱強(qiáng)度大幅度提高，簡(jiǎn)言之，礦柱強(qiáng)度的增加與充填體強(qiáng)度大小成正比。據(jù)實(shí)測(cè)，礦柱(壁)在膠結(jié)充填體包圍時(shí)，其強(qiáng)度最高可增加138%。當(dāng)充填體強(qiáng)度超過(guò)2.0 MPa后，礦柱強(qiáng)度可增大1.0倍以上。14#-5礦體的膠結(jié)充填體采場(chǎng)取樣平均抗壓強(qiáng)度為1.959 MPa，與2.0 MPa相差甚微，若按此規(guī)律計(jì)算，則Ⅱ步驟礦柱強(qiáng)度大約可增大0.98倍以上。特別值得一提的是，礦柱在無(wú)側(cè)限受壓破壞后不具有任何殘余強(qiáng)度，而在充填體包圍后，即使破壞了,仍具有很高的殘余強(qiáng)度。這就是說(shuō)，礦柱即使受壓破壞了，仍具有相當(dāng)高的支承能力。一般情況下，礦柱受壓破壞后所具有的殘余強(qiáng)度為其極限抗壓強(qiáng)度的20%～40%。礦柱在充填體包圍時(shí)所具有的這種殘余強(qiáng)度，充分說(shuō)明充填體能起到很明顯的約束作用。

隨著對(duì)礦柱研究工作的日益深入，人們發(fā)現(xiàn)，礦柱力學(xué)性態(tài)的變化還與充填高度、礦柱截面積和充填面積之比等因素有關(guān)。

不同高度的充填體將對(duì)礦柱產(chǎn)生不同作用的約束力，充填高度越高，則礦柱強(qiáng)度增大程度越大。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，充填高度分別為礦柱高度的1/2、3/4和1/1時(shí)，礦柱強(qiáng)度分別增大34.1%、53.3%和75.7%。波蘭學(xué)者馬祖爾凱維茨所作的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了以上結(jié)論?，F(xiàn)在，14#-5礦體已充填到統(tǒng)編第五分層，占全高的55.6%，假設(shè)大規(guī)?；夭傻V柱，而且服從于上述規(guī)律，那么，14#-5礦體Ⅱ步驟礦柱的強(qiáng)度至少會(huì)增大34.0%。

以上從不同角度論述了Ⅱ步驟礦柱所具有的有利條件，而且膠結(jié)充填體強(qiáng)度也比較高，所以，從理論上講，14#-5礦體的Ⅱ步驟礦柱，受力狀況較好，穩(wěn)定性較高，只要護(hù)頂工作能進(jìn)一步完善，長(zhǎng)錨索和短錨桿在礦柱頂板拉開就能及時(shí)安裝，采礦后能迅速充填，那么，頂板大面積冒落的惡性事故也是可以避免的。

2.2 Ⅱ步驟礦柱及其相鄰礦房膠結(jié)充填體的揭露情況

礦柱進(jìn)路拉開及少量礦柱刷大后，其頂板應(yīng)力初期變化較大，之后就基本穩(wěn)定了，這方面的情況，從長(zhǎng)沙礦山研究院用聲發(fā)射儀對(duì)礦柱錨桿的實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果得到了證實(shí)。這些礦柱從施工至今頂板均未發(fā)生過(guò)冒落，其頂板暴露面積詳見表1。

2.3 國(guó)內(nèi)外充填法礦山的成功經(jīng)驗(yàn)和研究成果

近年來(lái)，膠結(jié)充填采礦法得到了廣泛的應(yīng)用，并且在Ⅱ步驟礦柱(壁)的回采方面積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)(見表2)。

值得指出的是，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的膠結(jié)充填體強(qiáng)度，很多都是從控制地壓活動(dòng)角度出發(fā)的，如果從要求充填體能自立而不坍塌這個(gè)角度來(lái)講，那么其取值就普遍偏大，而且有的大得很多。現(xiàn)在，有人通過(guò)實(shí)踐后認(rèn)為，如果地壓活動(dòng)不是非常突出，那么回采間柱時(shí)兩翼充填體的強(qiáng)度只要不低于0.98 MPa即可。如果考慮地壓活動(dòng)因素，那么兩翼充填體強(qiáng)度不低于1.96 MPa即可。因此，根據(jù)14#-5礦體的地質(zhì)情況，結(jié)合這幾年的開采實(shí)踐，認(rèn)為該礦體的礦房膠結(jié)充填體強(qiáng)度只要在0.98～1.96 MPa即可。

圖1 礦柱礦房平面

2.4 14#-5礦體礦房膠結(jié)充填體取樣測(cè)試結(jié)果分析

礦房充填時(shí)，對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行坑下采場(chǎng)取樣和地面取樣，并進(jìn)行了測(cè)試，坑下采場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3可知，14#-5礦體的膠結(jié)充填體總體強(qiáng)度較高，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)要求礦房膠結(jié)充填體強(qiáng)度為R28=1.96 MPa，設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)比較保守，取值較大)，其中最小強(qiáng)度為0.45 MPa，這是在齡期為7 d的情況下測(cè)定的。眾所周知，混凝土在一定時(shí)期內(nèi)，其強(qiáng)度值是隨著時(shí)間的增加而增大的，完全有理由說(shuō),如果齡期為28 d或更多點(diǎn)，則測(cè)出的充填體強(qiáng)度值肯定比現(xiàn)值大很多。況且在所有的樣組中，其平均抗壓強(qiáng)度值小于0.98 MPa的也只有4組，所占比例很小，并不能代表整體情況。

地面樣取得較多，36個(gè)測(cè)樣中大于0.98 MPa的有33個(gè)，占總數(shù)的91.7%，而且另外3個(gè)強(qiáng)度值范圍也在0.60～0.80 MPa以內(nèi)。

表1 14#—5礦體礦柱及膠結(jié)充填體揭露情況

注：E、J兩區(qū)穩(wěn)固性較好，G區(qū)有少量片幫和掉塊。

表2 部分礦山充填體強(qiáng)度及礦柱回采情況

當(dāng)然，地面樣的測(cè)試結(jié)果，并不能說(shuō)明礦房膠結(jié)充填體能否滿足礦柱回采要求的問題，但它至少能說(shuō)明膠結(jié)充填體的整體強(qiáng)度是足夠的。對(duì)比表3與表2及其它國(guó)內(nèi)外的礦柱(壁)的回采經(jīng)驗(yàn)與研究成果相對(duì)照比較可知，14#-5礦體的礦房膠結(jié)充填體能滿足礦柱回采要求。

表3 膠結(jié)充填體采場(chǎng)取樣強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

3 確定合理的開采順序

前面已分析了Ⅱ步驟礦柱在空間的存在關(guān)系，確實(shí)有其特殊性，可以從地壓的角度利用壓力拱原理,使礦柱得到安全、高效地回采。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)此理論運(yùn)用較成功的是南方某礦。如圖2(a)所示，當(dāng)71～75采場(chǎng)結(jié)束采礦后，其周圍礦(巖)體應(yīng)力升高，造成61～69采場(chǎng)地壓劇增，難以回采，但當(dāng)45～51采場(chǎng)結(jié)束采礦后，又形成了一個(gè)小的免壓拱和應(yīng)力升高區(qū)〔圖2(b)所示〕，慢慢地兩個(gè)小的免壓拱通過(guò)礦(巖)體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，就合并成一個(gè)大的免壓拱〔圖2(C)所示〕，此時(shí)，61～69采場(chǎng)就在大免壓拱(大自然平衡拱)之下，處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)(它只承受其上，應(yīng)力升高帶以下的礦巖體重量)，從而得以安全地回采。

根據(jù)以上原理和應(yīng)用的成功實(shí)例，回采14#-5礦體的礦柱時(shí)，正確的回采順序應(yīng)為：先采兩邊，后來(lái)中間。即以Ⅱ-2進(jìn)路所屬的礦柱為基準(zhǔn)，由礦體兩翼向中間退采。如此，當(dāng)縱剖面方向上的兩邊都不規(guī)則的礦柱回采充填完畢，再逐步向中間退采時(shí)，大免壓拱即可形成，這時(shí)，主要回采的厚大礦體部位(Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅱ-3進(jìn)路所屬礦柱)，就可處于卸壓區(qū)內(nèi)，頂板壓力即可得到釋放，其回采中頂板所受的壓力幾乎只是大免壓拱以下相應(yīng)的礦(巖)體重量。由于開挖空間在不斷形成，礦(巖)體內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)都在變化，而且該礦體層理較發(fā)育，因此，礦柱回采中，局部地方的安全情況難免會(huì)惡化。

圖2 在免壓拱保護(hù)下回采高應(yīng)力區(qū)礦塊

通過(guò)近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)此礦體的水平應(yīng)力并不低于垂直應(yīng)力。在實(shí)際回采中，片幫還是較突出的，即便是回采后的礦房，其邊部總會(huì)掉下些礦巖，尤其在層理特別發(fā)育的礦層，則更為嚴(yán)重。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，整個(gè)14#礦群水平應(yīng)力都比較大，位于14#-5礦體頂板以上的14#-8礦體，在掘進(jìn)中，運(yùn)輸平巷開挖很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，片幫、幫鼓、底鼓現(xiàn)象都非常突出(特別是外面層理較發(fā)育的車場(chǎng)段)，致使巷道變形，運(yùn)輸時(shí)有中斷，維修工程量大幅度增加。由此看來(lái)，水平應(yīng)力對(duì)該礦體礦房(柱)回采的影響，是不可忽視的。

因此，前述先采兩翼礦柱并緊接將其充填起來(lái)的開采順序，還可起到另一個(gè)作用：建立充填體應(yīng)力隔墻，形成人工讓壓礦柱，減少礦柱在回采期間水平應(yīng)力的影響。此“壓力拱原理及應(yīng)力隔絕理論”已由西北礦冶研究院在白銀有色金屬公司小鐵山鉛鋅礦得到了很成功的應(yīng)用(該礦水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的2.4倍)。

4 結(jié) 論

礦柱回采，尤其是充填采礦法的礦柱回采，是有其特殊性的。實(shí)踐證明，礦柱留存的時(shí)間越長(zhǎng)，受力狀況越復(fù)雜，回采難度就越大，因此，應(yīng)及時(shí)回采，避免積壓。針對(duì)14#-5礦體的礦柱回采，筆者認(rèn)為，實(shí)際情況并不象有的同志想象的那樣可怕，很多客觀情況都已證明了這個(gè)問題的可行性。最重要的一點(diǎn)，就是要突出一個(gè)“快”字，強(qiáng)掘(采)、快速支護(hù)、強(qiáng)充填。這樣，Ⅱ步驟礦柱回采就一定能成功。

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