下向水平分层充填采矿法水平矿柱形成机理与进路结构协同作用研究

黄 灏

随着采矿方法的多样化，水平矿柱的出现越来越普遍。许多矿产资源的开采，由于开采方案的设计和开采条件的限制，不得不使用水平矿柱来达到开采要求。因此，为保证经济效益和开采安全，关于水平矿柱的回收的研究越来越值得重视。

对甘肃某矿的开采过程中留下的水平矿柱稳定性进行研究。发现采用下向水平分层六角形进路式充填采矿法，双中段大盘区同时回采的模式，可以提高稳定性，有效避免灾害的发生。张中信等人，对某镍矿的回采顺序的优化出发，提出了隔一采一提高水平矿柱稳定性的方案。寇永渊等人，采用两种方案，利用FLAC3D软件进行模拟比较，最后选择了对水平矿柱扰动小，稳定性高的方案二，有效解决了金川二矿区矿岩稳定性差的问题。黄昌兴等人，提出六边形-矩形联合进路布置方式，提高了对彝良某铅锌矿的上下中段之间的水平矿柱的回采的稳定性。姜立春等人，通过利用FLAC3D软件，对矿体进行开挖模拟，研究了水平矿柱的预留厚度与稳定性的关系。吴爱祥等人，针对龙首矿岩体，利用多种数值模拟软件，探讨了水平矿柱稳定性的影响因素。廖伟成等人，针对安庆铜矿的水平矿柱的回采，也提出了两翼向中间回采方案，使得回采问题迎刃而解，为矿柱回采提供了巨大的实用价值。

科技的发展与编程软件的不断开发，推动着数值模拟技术的成熟化发展，使得采场结构参数的研究也越来越全面与深入。卢西周等人，针对金川二矿区，通过Mathews稳定图解法，建立模型，对多种方案进行计算分析，选取出了综合效益最高的方案。李炎峰等人，利用三因素三水平正交试验法结合三维有限元数值计算的方法，进行数值模拟分析，选择出最适宜采场开采的参数。罗来和等人，也利用FLAC3D软件，对上向进路充填采矿法、上向水平分层充填采矿法、下向分层充填采矿法三种采矿方法的不同结构参数情况下的结果进行分析，选择出了最优方法与结构参数。贾敬锎等人，同样也使用了数值模拟技术与多种计算方法相结合，获得采场的最优结构参数。使得某钨矿深部采空区稳定性差的问题得以解决。

1 水平矿柱形成机理

在矿石不稳固，或者是围岩不稳固的情况下，下向水平分层充填采矿法是采矿方法中一个很好的选择。目前国内外对于品味较高或是较为珍贵的矿石也常常采用此方法进行矿石开采。

下向水平分层充填采矿法的实质是，对矿石进行从上而下的分层回采工作，以及对采空区的逐层充填。但是由于单一矿段的下向水平分层充填，尤其其开采速度的缓慢，已经完全无法满足目前的矿石开采的产量要求。于是，很大部分的采用该方法进行矿石开采的矿山，已经选择双中段乃至多中段的同时开采作业。以双中段同时开采为例，首先将矿体分为多层进行开采，从上而下逐层开采。在每一层中，又将矿体分为上下两中段，每中段又划分多个分段，自上而下进行分段的回采，在回采结束后对分段进行充填。随着开采工作的进行，中段中的充填体会越来越厚，与此同时中段之间的矿体会越来越薄。水平矿柱即是两中段之间越来越薄的矿体。这个变薄矿体的变薄过程，即是水平矿柱的形成过程，变薄矿体在厚度在何种程度上会被称之为水平矿柱呢？这就需要对变薄矿体的应力集中现象进行观测。在矿体变薄过程中，当应力几种现象开始大幅提升时，这时的矿体即是水平矿柱。因此水平矿柱的应力集中一般较高，具有一定的危险性。

由于现在绝大多数的矿山都有一定的产量要求，双或多段同时回采必然是大势所趋。双中段或是多中段的同时回采必然会产生水平矿柱。虽然，水平矿柱会在回采的不断进行下进一步变薄直至消失。但是，水平矿柱形成的过程也是应力集中的过程。因为，在水平矿柱的形成过程中，次生应力会不断增大，周围岩石松动范围不断扩大，使得充填体的挤压压力也会越来越来。应力会不断在水平矿柱上集中，随着水平矿柱的不断变薄，应力集中现象也会越来越严重。这时，对矿柱的回采作用就会变得极其危险，稍有不慎，岩体的失稳导致矿柱塌陷、碎裂，若充填体质量不高，可能会导致无法挽回的重大事故。同时，矿柱的损坏，可能会连带充填体的损坏，严重的话，充填体层会发生塌陷，对于整个矿山会有无法弥补的灾难。

2 水平矿柱与矩形进路结构关系

2.1 稳定性因素

由水平矿柱的形成机理，不难看出，每层矿石开采结束后，在进路采空区填入的充填体与下一层作业区仅仅靠水平矿柱阻隔，在充填体达到符合要求的强度后，充填体与水平矿柱的结合体，即作为下一层作业区的顶板。该顶板可看成是一块板加一根梁的形式。充填体即是板，水平矿柱即是梁。这种“梁板”结构，关系着下层作业的安全。因此，充填体的材料、充填体的构造方式、矿石开采的回路顺序、回路的布置方式、以及矿石本身的性质都是下向水平分层充填采矿法人工顶板的稳定性重要影响因素。

2.2 两步骤回采

各分层采场内进路一般分为两步骤回采，“隔一采一”，分为以下两种情况：

（1）一步骤回采的进路顶板为上层采场充填假顶，两帮为矿体，相当于巷道掘进。一步骤回采结束后，进行胶结充填，如图1所示。此种情况下，由于进路两帮是原岩并且与上分层高强度充填体（1：4灰砂比打底1.5m）呈紧密接触，不存在接顶与否的问题。“隔一采一”后其力学模型可抽象为假顶下方形成的多个“支座”和多个“跨”，相应地呈相间分布。支座强度大、除顶角处局部破坏外不会发生滑移，假顶的跨度尺寸稳定。此种情况下，只要充填体与配筋质量稳定，假顶的稳定性是很好的。实际上，下向水平分层进路式采矿充填体强度设计恰是基于这种情况而设计的。

（2）二步骤进路回采时，进路顶板仍为充填假顶，但两帮为胶结充填体，如图3所示。此种情况下，由于进路充填体的刚度远小于原岩，且实际充填中存在接顶难题。表面看，仍是“隔一采一”模式，但此种情况下，假顶下方形成的多个“支座”和多个“跨”之间的分布就与前述情况有很大差别。支座强度低且接触面仅有50%、接触部位可能发生充填体剪切破坏及滑移，假顶的跨度尺寸成倍变大从而影响稳定。基于梁理论，因滑动支座与梁跨增大，不难得出充填体人工假顶的失效机理与模式：

a.假顶局部分层脱落或塌落失效：充填过程中发生充填体离析与分层，整体均质性差，在假顶底部拉应力作用下出现开裂与脱层。

b.假顶弯曲失效：如图2所示，由于接顶不到位导致跨度尺寸增大（甚至成倍增大），假顶底部拉底力增大、挠曲明显，假顶出现下沉性弯曲而开裂，伴有变形过程中的脱层、充填体开裂及配筋暴露等情况。

c.假顶滑动失效：多出现在一端支座强度低且因接触面小、假顶由水平状态发生微倾，使假顶与下部进路充填体接触部位发生滑移，造成假顶开裂失效（普通下向水平分层充填法中较为常见）。

d.假顶转动失效：出现在假顶的端头，因假顶单方向滑动引起端部假顶出现拉-扭现象，导致假顶与围岩脱离、配筋和锚杆暴露。一旦出现假顶转动失效现象，则表征假顶层“梁拼板”整体极可能出现大面积下沉（多发生于上下盘矿岩交界处）。

综上，针对I-6号矿体设计采用多中段同时开采模式必将出现3个中段水平矿柱。水平矿柱的矿量占中段矿量的30%左右，一旦因下部充填体出现整体下沉，则水平矿柱必失去底部支撑，且随底部“空洞”的增大而逐步出现松动范围增大的情况。水平矿柱底部受拉底力作用必然导致节理裂隙进一步发育，以及低强度的硫铁矿随机穿插，水平矿柱将逐步脱落，出现整体性破坏。不但造成回收困难，严重时可能出现重大事故。

究其原因，是水平矿柱与矩形进路的开采结构不合理性造成的。矩形进路本身不存在本质结构问题，是因为矩形进路对充填接顶的要求是实际操作中难以完成的。综合以上分析可发现，选择合理的开采进路和开采进路的布置方式是提高稳定性的重要步骤。双（多）段同时开采的重要要求便是有效支撑的实现。

3 水平矿柱与六边形进路结构关系

3.1 六边形进路式充填法

所谓六边形进路式充填法，就是将原先进路的正方形截面，改成六边形截面。为何这样操作的原因是，借用了密封筑巢的截面构造，改变原先正方形进路的受力情况。六边形截面可以有效形成压力传递。压力的传递分散，使得采场的稳定性大大提高。并且地应力也受到有效控制。从某种方面来讲，六边形进路式充填法就是对传统下向水平分层充填法的一种优化。

在盘区的上盘围岩中，布置断面为长为4m宽为3.5m的折返式斜坡道。两边的墙面为垂直墙面，拱顶选择半圆拱顶。自上而下，每20m设置可以服务8层回采与斜坡道相连的分段联络道。采场为长100m,宽度与矿体水平厚度相同的，垂直于矿体的采场。阶段高度为100m。沿着采场的垂直走向布置长为5m宽为2.5m的分层道，并且布置出矿溜井两条。在上一分层进行充填时，应当预留好通风井。充填道的布置应该在采场的两端，且每隔十米布置一次，在进路的端部位置布置相互通联的充填小井。穿脉充填道与上中段沿脉充填道相通。进路为长47.5m的双翼垂直分层道。如图3所示，截面为底宽、腰宽、高分别为4m、6m、5m的六边形。每隔2.5m交错半层进行布置。落矿方式采用浅孔掘进式，用铲运机出矿。

利用仿生学原理，将蜂窝的六边形截面构造，应用到开采进路之中去。既改变了原先进路顶板的受力情况，由是顶部压力传递分散。使得采场的稳定性得到大幅度改善，为开采工作提供了安全保障。

3.2 六边形进路式充填法稳定性模拟

采用六边形进路布置结构，各分层采场内进路自始至终是“隔一采一”模式：六边形进路顶板为上层采场进路充填假顶，两个斜上帮亦为采场进路充填假顶，三条上分层充填体呈挤压结构镶嵌构成充填体“组合顶”，两个斜下帮则为矿体。此种情况下，由于进路两帮原岩与上分层高强度充填体（1：4灰砂比打底1.5m）呈紧密接触，不存在接顶与否的问题。“隔一采一”后其力学模型可抽象为假顶下方形成的多个“支座”和多个“跨”，相应地呈相间分布。保证支座不会发生滑动现象，在充填体的强度足够和所配钢筋质量没问题的情况下。顶部将几乎不会受到拉应力的作用，而只是受到压应力。这样，顶板也不会出现不稳定而引起的各种现象。

即使充填不接顶（实际中多不接顶，如龙首矿试验过顶部0.4～0.8m的空堂，其充填假顶也未出现开裂和脱层），六边形进路特殊的结构也能使顶压有效传递，现场测试和数值模拟分析证明了这一点。相邻六边形充填体内存在压力传递圆和压力核区，也呈镶嵌结构。从工程力学角度看，六边形截面的进路，由于六边形的形状构造，顶部的压力会向下传递分散。压力分散到各个顶点，使得支撑强度变得很高。随着充填体材料的不断发展,目前，充填体材料的强度已经足够高，基本不会存在垂直方向的位移。采用六边形构造的同时也可以满足一次充填的要求，使得充填成本也得到了有效的降低。

实际上，由矩形进路布置方式转变为六边形进路，过渡是容易实现的，其具体为在假顶下沿上层进路的正交方向“隔一采一”形成矩形矮进路，并在充填前进行修整变为倒梯形结构，进行充填。此时充填一般要求进行二次接顶（对局部不接顶部位在相邻进路开采时进行木垫支空堂），使接顶率高。充填体养护（一般时间不低于7天）后，即可进行下一层开切，形成六边形进路。此种过渡方式操作方便，形成时间最短。

4 结论

（1）对水平矿柱的形成机理进行简要阐述，并且指出水平矿柱回采过程中可能会引发的安全性问题的原因。

（2）对水平矿柱回采中安全性问题的主要原因进行分析。

（3）对比分析正方形进路与六边形进路，发现六边形进路的受力情况更加有利于矿体开采，提出六边形进路更能确保矿体的稳定性且经济效更高，具有很大的实用价值。