黃原明HUANG Yuan-ming；李在利LI Zai-li；李子彬LI Zi-bin

（①玉溪礦業(yè)有限公司，玉溪 653100；②昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

0 引言

機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填法適用于厚度≥7m、傾角20°~45°的單層礦體以及礦體厚度2~7m、傾角20°~45°且礦體間夾石剔除厚度大于2m的多層礦體和傾角20°~45°且上層礦體厚度＞7m的礦體，它其實(shí)是房柱法與充填法的結(jié)合，是房柱法與垂直走向布置時(shí)礦房礦柱回采方案的發(fā)展[1]。采場沿走向布置，沿走向長50m，傾向斜長按礦體厚度作控制；采場間及盤區(qū)間沿傾向留間柱，間柱寬度3~4m，采場內(nèi)根據(jù)頂板穩(wěn)固性留規(guī)則點(diǎn)柱，原則上點(diǎn)柱規(guī)格為3×3m～4×4m，間距約10～13m（圖2）。采場按照鑿巖爆破、出礦、充填完成一個(gè)分層的采充工序后，進(jìn)行下一分層的回采；回采空間和范圍可以控制，人員、設(shè)備在暴露的頂板下工作，每班作業(yè)前需有效地控制頂板、廢石、尾砂充填空區(qū)。

此類采礦方法在回采過程中，為確保采場安全，需留設(shè)礦柱以支撐頂板圍巖。礦柱的穩(wěn)定性直接關(guān)系到開采安全，一旦礦柱失穩(wěn)，會(huì)引發(fā)頂板圍巖冒落，并可能由此引起人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此必須加強(qiáng)頂板控制技術(shù)的研究并開展技術(shù)實(shí)踐。

相關(guān)研究表明，礦柱承載能力與礦柱尺寸成正比，礦柱尺寸越大，礦柱穩(wěn)定性越好。另一方面，為提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，減小礦石永久損失，在確保安全的前提下要求礦柱尺寸盡可能小。因此，合理的礦柱尺寸設(shè)計(jì)選取顯得尤為重要。

1 開采技術(shù)條件

1.1 礦體產(chǎn)狀及賦存條件

大紅山銅礦西部礦段位于本區(qū)的西南側(cè)，因受F3斷層錯(cuò)動(dòng)影響，西部礦段I號(hào)銅鐵礦帶礦體賦存標(biāo)高相對(duì)本區(qū)低200多米，礦體埋深在258～944m之間[2]。礦帶分布沿走向南東自A200線，北西至A235線，呈走向北40°西－南40°東，傾向南50°西，傾角20°-30°左右。主要開采對(duì)象I3、I2及I1礦體，呈緩傾斜～傾斜、層疊狀產(chǎn)出，礦體間夾層厚度2~34m不等。礦體傾角在17°～43°之間，平均傾角27°。礦體厚度在1.0～21.2m之間。

1.2 礦圍巖條件

礦體產(chǎn)于曼崗河組石榴黑云片巖夾變鈉質(zhì)凝灰?guī)r段的中上部。礦帶主要巖性由一套含銅含鐵的石榴綠泥黑云白云石大理巖、變鈉質(zhì)凝灰?guī)r及石榴綠泥黑云片巖組成，巖性較為復(fù)雜。礦圍巖物理機(jī)械性能參數(shù)如下：

礦巖平均體積密度：

含鐵銅礦石：3.05t/m3；圍巖及夾石：2.90t/m3；松散系數(shù)：1.71；自然安息角：40°30′～41°00′；礦巖濕度：0.04%；抗壓強(qiáng)度：礦石101.30MPa；巖石54.93～173.4MPa。

礦床工程地質(zhì)類型屬于堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖石為主的中等類型的層狀礦床。

為了探索大紅山銅礦西礦段巖體結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面粗糙程度、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面類型、結(jié)構(gòu)面張開度、地下水條件和結(jié)構(gòu)面空間分布規(guī)律，大紅山銅礦以校企合作的方式進(jìn)行了廣泛的調(diào)查研究，并得出以下幾方面結(jié)論：西礦段巖體節(jié)理較發(fā)育[3]；西礦段巖體結(jié)構(gòu)面大部分屬于平直性，而粗糙性和臺(tái)階型的結(jié)構(gòu)面很少；西礦段巖體結(jié)構(gòu)面大部分屬于急傾斜的結(jié)構(gòu)面；西礦段巖體結(jié)構(gòu)面類型以1、2a和3a為主，說明小節(jié)理居多，巖體切割厲害，巖體較為破碎；西礦段巖體結(jié)構(gòu)面屬于閉合節(jié)理，而張開有一定厚度充填物的節(jié)理很少；西礦段巖體結(jié)構(gòu)面的空間分布對(duì)采場及回采進(jìn)路有一定影響，在回采過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)采場地壓的管理，保障人員、設(shè)備安全以及采礦的安全高效進(jìn)行；最小主應(yīng)力基本為鉛垂方向，大小約等于上覆巖體自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力基本為水平主向，主應(yīng)力的大小與埋深呈線性關(guān)系，表明大紅山銅礦地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力較嚴(yán)重。

2 礦柱控頂

在采場中留適當(dāng)?shù)V柱，是房柱法和全面法采場控頂常用的方法。在實(shí)際生產(chǎn)中，礦柱的主要作用是阻止礦柱上方危險(xiǎn)巖塊的冒落。對(duì)于那些頂板特別不穩(wěn)固的地段留有適當(dāng)?shù)牡V柱，可在一定程度上起到控頂?shù)淖饔谩８矌r總重假說認(rèn)為，在水平和緩傾斜礦體中，開采空間承受的載荷P，是開采空間上部直達(dá)地表全部覆巖重量的總和（如圖1），即：P=SHγ=bLHγ

式中，γ為覆巖容重。

依據(jù)覆巖總重假說，我們以西礦段200水平的機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填法采場為例，假設(shè)礦柱支撐的覆巖面積為沿走向和傾向分別為12m的區(qū)域，按照上覆巖層平均容重等于28kN/m3、測點(diǎn)距地表平均深度為700m計(jì)，由公式計(jì)算可得作用在一個(gè)礦柱上的荷載P約為2.8×106kN，由壓力、壓強(qiáng)、面積三者的物理力學(xué)關(guān)系可知，同樣的壓力，接觸面積越大，產(chǎn)生的作用效果越小，同樣的受力面積，壓力越大，作用效果越明顯，因此礦柱面積越大，礦柱越穩(wěn)固，對(duì)頂板穩(wěn)固性的保護(hù)作用越強(qiáng)。

按照昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院完成的《大紅山銅礦采礦方法試驗(yàn)采區(qū)穩(wěn)定性研究》報(bào)告的分析計(jì)算和論述，點(diǎn)柱及頂板穩(wěn)定性與房柱法分段數(shù)或斜長有密切關(guān)系。大紅山銅采礦方法中的礦巖穩(wěn)定性問題，在當(dāng)回采單元內(nèi)分段數(shù)≥4個(gè)分段或回采單元斜長≥38m左右時(shí)，點(diǎn)柱的穩(wěn)定性與點(diǎn)柱支撐頂板水平面積S頂和點(diǎn)柱截面積S點(diǎn)之比值S頂/S點(diǎn)有關(guān)，點(diǎn)柱設(shè)計(jì)時(shí)宜使比值S頂/S點(diǎn)≤7.5，利用前述覆巖面積的假設(shè)，可計(jì)算確定S點(diǎn)≥19.2m2，為確保安全有效地進(jìn)行“三下”開采，設(shè)定點(diǎn)柱規(guī)格為6m×4m（走向×傾向）。

假設(shè)礦柱支撐的覆巖面積為沿走向和傾向分別為12m的區(qū)域，點(diǎn)柱規(guī)格為6m×4m（走向×傾向），我們選取200-B120采場、200-B116采場、200-B106-108采場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，在礦房開挖后，在實(shí)驗(yàn)采場的9個(gè)點(diǎn)柱中（見表1），有6個(gè)點(diǎn)柱出現(xiàn)了不同形式的變形破壞，部分點(diǎn)柱出現(xiàn)了長度3.85m的貫穿裂隙且裂隙的延伸方向主要為礦體傾向方向，在整個(gè)回采周期中，發(fā)生大小冒頂片幫5次。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榈V體傾向方向?；谶@一分析結(jié)果，我們對(duì)礦柱的參數(shù)進(jìn)行了以下調(diào)整：

表1 點(diǎn)柱變形統(tǒng)計(jì)表（調(diào)整前）

①優(yōu)化礦柱尺寸。將點(diǎn)柱的傾向方向的尺寸加大，使其不至于發(fā)生貫穿性的破壞，提高點(diǎn)柱的整體性，調(diào)整點(diǎn)柱規(guī)格為4m×5m（走向×傾向）。

②傾向剖面上，點(diǎn)柱與頂、底板交界的銳角處為應(yīng)力集中最大部位，實(shí)際生產(chǎn)中，將點(diǎn)柱與頂?shù)装褰唤绲匿J角處設(shè)計(jì)成倒角，有意將銳角處留下一小部分礦石不回采，降低銳角處應(yīng)力集中程度，以提高點(diǎn)柱的穩(wěn)定性。

③分層回采過程中，有針對(duì)性地采取爆破控制技術(shù)，降低爆破對(duì)點(diǎn)柱的影響，使點(diǎn)柱按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行留設(shè)，在剖面上做到上下對(duì)齊，保持礦柱的整體性和完整性，杜絕出現(xiàn)礦柱吊腳現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)采場的調(diào)整后的9個(gè)點(diǎn)柱中（見表2），有4個(gè)點(diǎn)柱出現(xiàn)了不同形式的變形破壞，最長裂隙長度3.27m，在整個(gè)回采周期中，發(fā)生大小冒頂片幫3次，對(duì)頂板的管控取得初步成效，安全效益明顯。

表2 點(diǎn)柱變形統(tǒng)計(jì)表（調(diào)整后）

3 錨桿控頂

錨桿的作用是在采場頂板尚未發(fā)生較大離層之前施行錨固，使頂板形成具有較大剛度的整體，增加頂板抗剪作用，阻止和減少離層進(jìn)一步發(fā)展，拉應(yīng)力區(qū)的范圍也有所減小，且能將拉應(yīng)力從采場中央向采場兩端轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到延緩采場頂板冒落的目的。以前，機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填法采場頂板的錨桿參數(shù)的選擇大多數(shù)都是根據(jù)本區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)選取，一般選取錨桿參數(shù)為長1.8m，錨桿直徑為18mm，錨桿間排距為100mm。由于機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填法在大紅山銅礦屬于全新工藝，采場的位置也處于開采深部，若再按照上部的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行選取，科學(xué)性和實(shí)效性顯然不足，對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算有著現(xiàn)實(shí)的緊迫性。由于錨桿的支護(hù)理論較多，適用條件比較復(fù)雜，其中影響較大的有懸吊理論、組合梁理論、加固理論、松動(dòng)圈理論等，本文根據(jù)大紅山銅礦的巖石特點(diǎn)，以懸吊理論進(jìn)行計(jì)算。

3.1 錨桿長度

錨桿長度L包括錨固段長度KH，錨桿外露長度L1和錨固巖層厚度L2，即L=KH+L1+L2

其中，錨桿外露長度取L1=0.1m；對(duì)于錨固巖層厚度的L2，根據(jù)地質(zhì)資料并結(jié)合實(shí)測和經(jīng)驗(yàn)估算，取L2=0.5m；K—安全系數(shù)，取K=2.5；對(duì)于冒落拱的高度H，當(dāng)圍巖的普式堅(jiān)固系數(shù)f≥3時(shí)，可根據(jù)下式計(jì)算

式中：B—采場跨度，取8m；f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取7.4。

所以，L=2.5×0.54+0.1+0.5=1.95m；考慮到圍巖條件的復(fù)雜性及安全因素，取2.2m。

3.2 錨桿直徑

式中：d—錨桿直徑，取20mm；L—錨桿長度，mm。

3.3 錨桿間排距

錨桿間、排距可根據(jù)單根錨桿所能懸吊的巖石重量進(jìn)行計(jì)算，即錨固力與所懸吊巖石重量相等的原則，并考慮安全系數(shù)在內(nèi)。一般可按照間、排距等距原則進(jìn)行計(jì)算。公式如下：a=（0.5~0.7）L=0.5×1950=980m；取800mm。

式中：a—錨桿間排距，mm。

通過以上計(jì)算，結(jié)合大紅山銅礦的支護(hù)實(shí)踐，機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填法采場錨桿參數(shù)為長2.2m，錨桿直徑為20mm，錨桿間排距為800mm。

我們選取了200-B118采場、200-120采場以及200-B100-104采場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)設(shè)計(jì)錨桿的錨固力進(jìn)行現(xiàn)場檢測，對(duì)錨桿眼鉆鑿與錨桿安裝進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督，確保錨桿能夠達(dá)到要求強(qiáng)度，保障錨固質(zhì)量。結(jié)果表明，對(duì)比原錨桿參數(shù)，二次清理浮石量大大減少，未出現(xiàn)大的頂板冒落事件，大大提高了控頂效果，安全作業(yè)條件得到極大改善。

4 空區(qū)充填

采場回采工作結(jié)束后，為保證采場頂板和礦柱的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能縮短空區(qū)的暴露時(shí)間，盡可能減少頂板直接暴露面積，因此要求空區(qū)形成后及時(shí)充填。充填體的主要作用有：充填體對(duì)圍巖提供一定的側(cè)向壓力，可以有效地調(diào)整采場系統(tǒng)的能量釋放速度，提高地下采礦系統(tǒng)中抵抗動(dòng)態(tài)作用的能力，限制圍巖變形的繼續(xù)發(fā)展，防止采空區(qū)繼續(xù)冒落；充填體可以對(duì)采場圍巖高應(yīng)力區(qū)起到一定的應(yīng)力隔離作用，保證回采工作的安全；充填體可以改善礦柱的應(yīng)力狀態(tài)，提高礦柱的強(qiáng)度和支撐頂板的能力。為了盡快對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，必須立足充填工藝本身的特點(diǎn)，通過快充、強(qiáng)沖等手段縮短充填周期，基于這一分析結(jié)果，我們對(duì)充填工藝進(jìn)行了以下調(diào)整：①開展校企合作，通過科研項(xiàng)目立項(xiàng)的形式，從充填料選擇、充填配比、充填料輸送、充填脫水等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)快速充填技術(shù)進(jìn)行研究，并在200-B134采場、200-B146-148采場、320-B110-112采場開展了相關(guān)試驗(yàn)，逐步探索快速充填技術(shù)，通過攻堅(jiān)已取得階段性成果；②優(yōu)化充填方式，充分利用充填體的自流特性，改變初步設(shè)計(jì)中場內(nèi)管道輸送充填方式，取消場內(nèi)充填管道，通過在采場回風(fēng)上山上水平口直接輸送充填料至采場內(nèi)，利用充填體自流特性實(shí)現(xiàn)空區(qū)充填，取消了鋪管、移管等工序，提高充填速度；③對(duì)圍巖條件較差的采場，取消廢石充填環(huán)節(jié)，直接進(jìn)行尾砂充填，快速完成充填工序，縮短充填周期并降低人員、設(shè)備暴露在空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)踐表明，通過技術(shù)革新和工序細(xì)節(jié)的調(diào)整，每萬立方米空區(qū)的平均充填時(shí)間由以前的7天降為5天，充填周期大大縮短，為頂板管理創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié)論

大紅山銅礦通過優(yōu)化礦柱參數(shù)、錨桿支護(hù)參數(shù)、充填工藝參數(shù)等一系列技術(shù)手段，對(duì)空區(qū)頂板進(jìn)行深入管控，并取得了實(shí)實(shí)在在的安全效益，同時(shí)，這些管控措施也是可復(fù)制、可推廣的。隨著礦山資源量的逐步萎縮，大型礦體越來越少，礦體有變小、變薄、連續(xù)性變差，礦山開采有向深部開采的整體趨勢(shì)，并由此面臨深部地壓災(zāi)害帶來的巨大安全壓力，需要對(duì)頂板管控技術(shù)進(jìn)行不斷探索和創(chuàng)新，才能從源頭上管控好頂板安全。