黃 灝

隨著采礦方法的多樣化，水平礦柱的出現(xiàn)越來(lái)越普遍。許多礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，由于開(kāi)采方案的設(shè)計(jì)和開(kāi)采條件的限制，不得不使用水平礦柱來(lái)達(dá)到開(kāi)采要求。因此，為保證經(jīng)濟(jì)效益和開(kāi)采安全，關(guān)于水平礦柱的回收的研究越來(lái)越值得重視。

對(duì)甘肅某礦的開(kāi)采過(guò)程中留下的水平礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)采用下向水平分層六角形進(jìn)路式充填采礦法，雙中段大盤(pán)區(qū)同時(shí)回采的模式，可以提高穩(wěn)定性，有效避免災(zāi)害的發(fā)生。張中信等人，對(duì)某鎳礦的回采順序的優(yōu)化出發(fā)，提出了隔一采一提高水平礦柱穩(wěn)定性的方案。寇永淵等人，采用兩種方案，利用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬比較，最后選擇了對(duì)水平礦柱擾動(dòng)小，穩(wěn)定性高的方案二，有效解決了金川二礦區(qū)礦巖穩(wěn)定性差的問(wèn)題。黃昌興等人，提出六邊形-矩形聯(lián)合進(jìn)路布置方式，提高了對(duì)彝良某鉛鋅礦的上下中段之間的水平礦柱的回采的穩(wěn)定性。姜立春等人，通過(guò)利用FLAC3D軟件，對(duì)礦體進(jìn)行開(kāi)挖模擬，研究了水平礦柱的預(yù)留厚度與穩(wěn)定性的關(guān)系。吳愛(ài)祥等人，針對(duì)龍首礦巖體，利用多種數(shù)值模擬軟件，探討了水平礦柱穩(wěn)定性的影響因素。廖偉成等人，針對(duì)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(wèn)題迎刃而解，為礦柱回采提供了巨大的實(shí)用價(jià)值。

科技的發(fā)展與編程軟件的不斷開(kāi)發(fā)，推動(dòng)著數(shù)值模擬技術(shù)的成熟化發(fā)展，使得采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究也越來(lái)越全面與深入。盧西周等人，針對(duì)金川二礦區(qū)，通過(guò)Mathews穩(wěn)定圖解法，建立模型，對(duì)多種方案進(jìn)行計(jì)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(yàn)法結(jié)合三維有限元數(shù)值計(jì)算的方法，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選擇出最適宜采場(chǎng)開(kāi)采的參數(shù)。羅來(lái)和等人，也利用FLAC3D軟件，對(duì)上向進(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的結(jié)果進(jìn)行分析，選擇出了最優(yōu)方法與結(jié)構(gòu)參數(shù)。賈敬锎等人，同樣也使用了數(shù)值模擬技術(shù)與多種計(jì)算方法相結(jié)合，獲得采場(chǎng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。使得某鎢礦深部采空區(qū)穩(wěn)定性差的問(wèn)題得以解決。

1 水平礦柱形成機(jī)理

在礦石不穩(wěn)固，或者是圍巖不穩(wěn)固的情況下，下向水平分層充填采礦法是采礦方法中一個(gè)很好的選擇。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于品味較高或是較為珍貴的礦石也常常采用此方法進(jìn)行礦石開(kāi)采。

下向水平分層充填采礦法的實(shí)質(zhì)是，對(duì)礦石進(jìn)行從上而下的分層回采工作，以及對(duì)采空區(qū)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(kāi)采速度的緩慢，已經(jīng)完全無(wú)法滿足目前的礦石開(kāi)采的產(chǎn)量要求。于是，很大部分的采用該方法進(jìn)行礦石開(kāi)采的礦山，已經(jīng)選擇雙中段乃至多中段的同時(shí)開(kāi)采作業(yè)。以雙中段同時(shí)開(kāi)采為例，首先將礦體分為多層進(jìn)行開(kāi)采，從上而下逐層開(kāi)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(gè)分段，自上而下進(jìn)行分段的回采，在回采結(jié)束后對(duì)分段進(jìn)行充填。隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行，中段中的充填體會(huì)越來(lái)越厚，與此同時(shí)中段之間的礦體會(huì)越來(lái)越薄。水平礦柱即是兩中段之間越來(lái)越薄的礦體。這個(gè)變薄礦體的變薄過(guò)程，即是水平礦柱的形成過(guò)程，變薄礦體在厚度在何種程度上會(huì)被稱之為水平礦柱呢？這就需要對(duì)變薄礦體的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。在礦體變薄過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力幾種現(xiàn)象開(kāi)始大幅提升時(shí)，這時(shí)的礦體即是水平礦柱。因此水平礦柱的應(yīng)力集中一般較高，具有一定的危險(xiǎn)性。

由于現(xiàn)在絕大多數(shù)的礦山都有一定的產(chǎn)量要求，雙或多段同時(shí)回采必然是大勢(shì)所趨。雙中段或是多中段的同時(shí)回采必然會(huì)產(chǎn)生水平礦柱。雖然，水平礦柱會(huì)在回采的不斷進(jìn)行下進(jìn)一步變薄直至消失。但是，水平礦柱形成的過(guò)程也是應(yīng)力集中的過(guò)程。因?yàn)?，在水平礦柱的形成過(guò)程中，次生應(yīng)力會(huì)不斷增大，周?chē)鷰r石松動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，使得充填體的擠壓壓力也會(huì)越來(lái)越來(lái)。應(yīng)力會(huì)不斷在水平礦柱上集中，隨著水平礦柱的不斷變薄，應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。這時(shí)，對(duì)礦柱的回采作用就會(huì)變得極其危險(xiǎn)，稍有不慎，巖體的失穩(wěn)導(dǎo)致礦柱塌陷、碎裂，若充填體質(zhì)量不高，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法挽回的重大事故。同時(shí)，礦柱的損壞，可能會(huì)連帶充填體的損壞，嚴(yán)重的話，充填體層會(huì)發(fā)生塌陷，對(duì)于整個(gè)礦山會(huì)有無(wú)法彌補(bǔ)的災(zāi)難。

2 水平礦柱與矩形進(jìn)路結(jié)構(gòu)關(guān)系

2.1 穩(wěn)定性因素

由水平礦柱的形成機(jī)理，不難看出，每層礦石開(kāi)采結(jié)束后，在進(jìn)路采空區(qū)填入的充填體與下一層作業(yè)區(qū)僅僅靠水平礦柱阻隔，在充填體達(dá)到符合要求的強(qiáng)度后，充填體與水平礦柱的結(jié)合體，即作為下一層作業(yè)區(qū)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(jié)構(gòu)，關(guān)系著下層作業(yè)的安全。因此，充填體的材料、充填體的構(gòu)造方式、礦石開(kāi)采的回路順序、回路的布置方式、以及礦石本身的性質(zhì)都是下向水平分層充填采礦法人工頂板的穩(wěn)定性重要影響因素。

2.2 兩步驟回采

各分層采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)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(jìn)路頂板為上層采場(chǎng)充填假頂，兩幫為礦體，相當(dāng)于巷道掘進(jìn)。一步驟回采結(jié)束后，進(jìn)行膠結(jié)充填，如圖1所示。此種情況下，由于進(jìn)路兩幫是原巖并且與上分層高強(qiáng)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(wèn)題?！案粢徊梢弧焙笃淞W(xué)模型可抽象為假頂下方形成的多個(gè)“支座”和多個(gè)“跨”，相應(yīng)地呈相間分布。支座強(qiáng)度大、除頂角處局部破壞外不會(huì)發(fā)生滑移，假頂?shù)目缍瘸叽绶€(wěn)定。此種情況下，只要充填體與配筋質(zhì)量穩(wěn)定，假頂?shù)姆€(wěn)定性是很好的。實(shí)際上，下向水平分層進(jìn)路式采礦充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)恰是基于這種情況而設(shè)計(jì)的。

（2）二步驟進(jìn)路回采時(shí)，進(jìn)路頂板仍為充填假頂，但兩幫為膠結(jié)充填體，如圖3所示。此種情況下，由于進(jìn)路充填體的剛度遠(yuǎn)小于原巖，且實(shí)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(gè)“支座”和多個(gè)“跨”之間的分布就與前述情況有很大差別。支座強(qiáng)度低且接觸面僅有50%、接觸部位可能發(fā)生充填體剪切破壞及滑移，假頂?shù)目缍瘸叽绯杀蹲兇髲亩绊懛€(wěn)定?；诹豪碚?，因滑動(dòng)支座與梁跨增大，不難得出充填體人工假頂?shù)氖C(jī)理與模式：

a.假頂局部分層脫落或塌落失效：充填過(guò)程中發(fā)生充填體離析與分層，整體均質(zhì)性差，在假頂?shù)撞坷瓚?yīng)力作用下出現(xiàn)開(kāi)裂與脫層。

b.假頂彎曲失效：如圖2所示，由于接頂不到位導(dǎo)致跨度尺寸增大（甚至成倍增大），假頂?shù)撞坷琢υ龃蟆锨黠@，假頂出現(xiàn)下沉性彎曲而開(kāi)裂，伴有變形過(guò)程中的脫層、充填體開(kāi)裂及配筋暴露等情況。

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

d.假頂轉(zhuǎn)動(dòng)失效：出現(xiàn)在假頂?shù)亩祟^，因假頂單方向滑動(dòng)引起端部假頂出現(xiàn)拉-扭現(xiàn)象，導(dǎo)致假頂與圍巖脫離、配筋和錨桿暴露。一旦出現(xiàn)假頂轉(zhuǎn)動(dòng)失效現(xiàn)象，則表征假頂層“梁拼板”整體極可能出現(xiàn)大面積下沉（多發(fā)生于上下盤(pán)礦巖交界處）。

綜上，針對(duì)I-6號(hào)礦體設(shè)計(jì)采用多中段同時(shí)開(kāi)采模式必將出現(xiàn)3個(gè)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(xiàn)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(xiàn)松動(dòng)范圍增大的情況。水平礦柱底部受拉底力作用必然導(dǎo)致節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，以及低強(qiáng)度的硫鐵礦隨機(jī)穿插，水平礦柱將逐步脫落，出現(xiàn)整體性破壞。不但造成回收困難，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)重大事故。

究其原因，是水平礦柱與矩形進(jìn)路的開(kāi)采結(jié)構(gòu)不合理性造成的。矩形進(jìn)路本身不存在本質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，是因?yàn)榫匦芜M(jìn)路對(duì)充填接頂?shù)囊笫菍?shí)際操作中難以完成的。綜合以上分析可發(fā)現(xiàn)，選擇合理的開(kāi)采進(jìn)路和開(kāi)采進(jìn)路的布置方式是提高穩(wěn)定性的重要步驟。雙（多）段同時(shí)開(kāi)采的重要要求便是有效支撐的實(shí)現(xiàn)。

3 水平礦柱與六邊形進(jìn)路結(jié)構(gòu)關(guān)系

3.1 六邊形進(jìn)路式充填法

所謂六邊形進(jìn)路式充填法，就是將原先進(jìn)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(gòu)造，改變?cè)日叫芜M(jìn)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(chǎng)的穩(wěn)定性大大提高。并且地應(yīng)力也受到有效控制。從某種方面來(lái)講，六邊形進(jìn)路式充填法就是對(duì)傳統(tǒng)下向水平分層充填法的一種優(yōu)化。

在盤(pán)區(qū)的上盤(pán)圍巖中，布置斷面為長(zhǎng)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(shè)置可以服務(wù)8層回采與斜坡道相連的分段聯(lián)絡(luò)道。采場(chǎng)為長(zhǎng)100m,寬度與礦體水平厚度相同的，垂直于礦體的采場(chǎng)。階段高度為100m。沿著采場(chǎng)的垂直走向布置長(zhǎng)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(jìn)行充填時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)留好通風(fēng)井。充填道的布置應(yīng)該在采場(chǎng)的兩端，且每隔十米布置一次，在進(jìn)路的端部位置布置相互通聯(lián)的充填小井。穿脈充填道與上中段沿脈充填道相通。進(jìn)路為長(zhǎng)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(cuò)半層進(jìn)行布置。落礦方式采用淺孔掘進(jìn)式，用鏟運(yùn)機(jī)出礦。

利用仿生學(xué)原理，將蜂窩的六邊形截面構(gòu)造，應(yīng)用到開(kāi)采進(jìn)路之中去。既改變了原先進(jìn)路頂板的受力情況，由是頂部壓力傳遞分散。使得采場(chǎng)的穩(wěn)定性得到大幅度改善，為開(kāi)采工作提供了安全保障。

3.2 六邊形進(jìn)路式充填法穩(wěn)定性模擬

采用六邊形進(jìn)路布置結(jié)構(gòu)，各分層采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)路自始至終是“隔一采一”模式：六邊形進(jìn)路頂板為上層采場(chǎng)進(jìn)路充填假頂，兩個(gè)斜上幫亦為采場(chǎng)進(jìn)路充填假頂，三條上分層充填體呈擠壓結(jié)構(gòu)鑲嵌構(gòu)成充填體“組合頂”，兩個(gè)斜下幫則為礦體。此種情況下，由于進(jìn)路兩幫原巖與上分層高強(qiáng)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(wèn)題。“隔一采一”后其力學(xué)模型可抽象為假頂下方形成的多個(gè)“支座”和多個(gè)“跨”，相應(yīng)地呈相間分布。保證支座不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，在充填體的強(qiáng)度足夠和所配鋼筋質(zhì)量沒(méi)問(wèn)題的情況下。頂部將幾乎不會(huì)受到拉應(yīng)力的作用，而只是受到壓應(yīng)力。這樣，頂板也不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定而引起的各種現(xiàn)象。

即使充填不接頂（實(shí)際中多不接頂，如龍首礦試驗(yàn)過(guò)頂部0.4～0.8m的空堂，其充填假頂也未出現(xiàn)開(kāi)裂和脫層），六邊形進(jìn)路特殊的結(jié)構(gòu)也能使頂壓有效傳遞，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬分析證明了這一點(diǎn)。相鄰六邊形充填體內(nèi)存在壓力傳遞圓和壓力核區(qū)，也呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。從工程力學(xué)角度看，六邊形截面的進(jìn)路，由于六邊形的形狀構(gòu)造，頂部的壓力會(huì)向下傳遞分散。壓力分散到各個(gè)頂點(diǎn)，使得支撐強(qiáng)度變得很高。隨著充填體材料的不斷發(fā)展,目前，充填體材料的強(qiáng)度已經(jīng)足夠高，基本不會(huì)存在垂直方向的位移。采用六邊形構(gòu)造的同時(shí)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(shí)際上，由矩形進(jìn)路布置方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅芜M(jìn)路，過(guò)渡是容易實(shí)現(xiàn)的，其具體為在假頂下沿上層進(jìn)路的正交方向“隔一采一”形成矩形矮進(jìn)路，并在充填前進(jìn)行修整變?yōu)榈固菪谓Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行充填。此時(shí)充填一般要求進(jìn)行二次接頂（對(duì)局部不接頂部位在相鄰進(jìn)路開(kāi)采時(shí)進(jìn)行木墊支空堂），使接頂率高。充填體養(yǎng)護(hù)（一般時(shí)間不低于7天）后，即可進(jìn)行下一層開(kāi)切，形成六邊形進(jìn)路。此種過(guò)渡方式操作方便，形成時(shí)間最短。

4 結(jié)論

（1）對(duì)水平礦柱的形成機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并且指出水平礦柱回采過(guò)程中可能會(huì)引發(fā)的安全性問(wèn)題的原因。

（2）對(duì)水平礦柱回采中安全性問(wèn)題的主要原因進(jìn)行分析。

（3）對(duì)比分析正方形進(jìn)路與六邊形進(jìn)路，發(fā)現(xiàn)六邊形進(jìn)路的受力情況更加有利于礦體開(kāi)采，提出六邊形進(jìn)路更能確保礦體的穩(wěn)定性且經(jīng)濟(jì)效更高，具有很大的實(shí)用價(jià)值。