水平矿柱回采顶板安全厚度

关键词：充填体压覆;矩形等厚薄板;顶板安全厚度;进路式回采

随着国家对矿山开采安全与环保重视程度的加深，越来越多的地下金属矿山选择或改用充填法进行开采。出于节约投资、加快投产的目的，很多矿山采用多中段同时自下而上进行充填法开采，从而在中段间留下了数量众多的水平矿柱。据统计，国内受充填体压覆或影响的矿柱矿量占矿山总储量的20%～40%。阶段水平矿柱的回采历来是采矿界的难题[1]，其结构完整性及稳定性不仅受到开采过程中应力的二次分布及开采扰动的影响，同时也与相邻中段充填体的接顶质量密切相关，因此表现出极其复杂的受力状态，加剧了开采的安全隐患。如鸡冠嘴铜矿在低强度高水充填体条件下采用两步骤进路充填间隔回采顶底柱，发现开采前底柱上覆充填体拉应力远超其极限抗拉强度，容易在开采时发生破坏[2]。铜绿山充填体下阶段水平矿柱存在表面剥落、裂隙扩展、损伤积聚、剪切破坏的风险，因此盘区残矿采用上向分层充填法进行回采时必须留设护顶层和点柱[3]。琅琊山铜矿顶柱回采时上下中段矿房均已回采并充填，仍发现水平矿柱处于高度受力状态，回采难度大，安全系数低[4]。

　　平衡好回采过程中的安全性与经济效益是充填体下水平矿柱回收的关键问题，其中最重要的参数是留设顶板的安全厚度，留设顶板过厚，则矿石损失率大;反之，则存在顶板垮塌、破坏的风险。众多学者采用模型物理试验、数值模拟、半定量分析等方法进行顶板安全厚度的计算[5-7]，对充填体压覆条件下的阶段水平矿柱安全回采提供了良好的设计基础。本文以石头嘴铜铁矿高中段充填体压覆下的阶段水平矿柱回采为工程背景，基于古典杨森散体压力理论、弹性矩形薄板力学模型来分析阶段水平矿柱的受力状态及护顶层厚度，并通过进路式充填采矿法进行工程验证，保障了充填体下水平矿柱的安全回采。

　　1安全厚度计算

　　1.1水平矿柱开采技术条件

　　石头嘴铜铁矿-270m中段11B#线以西阶段水平矿柱高5m，长60m，平均厚度15m，矿体倾角75o;矿柱上部依次为电耙底部结构及-270m中段充填体，下部为-320m中段充填体;其中底部结构较破碎且不规则地分布大小不均的残矿碴，上下中段充填体高度均为50m。采场采用低灰砂比的分级尾砂胶结充填，采场上部充填体强度低(部分为纯尾砂体)，底部强度稍高;但总体上充填体强度分布极不均匀，整体性较低，稳定性一般，且均未完全接顶。

　　矿体位于风化带之下，顶板主要为大理岩，底板为花岗闪长岩及闪长斑岩，局部地段为矽卡岩。大理岩整体性好，铜铁矿石次之，花岗闪长斑岩最差;其中，矿体与大理岩的接触带部位的岩体强度相对较低，但接触影响宽度较小;矿体与花岗闪长斑岩的接触带矿岩破碎，遇水容易膨胀崩解且强度迅速降低，稳定性最差。主要矿岩物理力学参数见表1。

　　1.2矩形等厚薄板力学模型由于阶段水平矿柱长高比较大，因此可将最终留设的安全厚度顶板简化为均布载荷下的四边固支弹性矩形薄板力学模型，并采用重三角级数解法求解挠度及应力[8-9]。

　　2进路充填采矿法

　　2.1采场结构参数

　　以整个阶段水平矿柱为一个回采单元。根据顶板安全厚度分析结果，-270m中段高8m的破碎底部结构不予回采，回采区域为-320m中段厚5m的顶柱，设计回采高度为3.5m，上部1.5m作为护顶层。回采区域中央布置一条垂直矿体走向的出矿穿脉，故采场沿走向布置，长30m，宽15m，高3.5m。考虑到下中段充填体未完全接顶，因此，在-320m顶柱设计标高下沉0.5m向矿体掘进工程，采用“边探边充、先充后掘”的方式，一旦遇到采空区即进行充填处理，在充填体凝固到所需强度后再继续向前掘进，以保证进路下方不留采空区。回采进路宽3m，高3m，其中充填体内0.5m，矿体内2.5m;进路上方为1m的挑顶层。

　　2.2采矿工艺

　　1)回采顺序

　　回采单元内，沿矿体走向的采场按“隔一采一”的形式，从矿体下盘回采至上盘。竖直方向上，先进行进路式采矿，待整条进路开采完后进行上向浅孔挑顶，再进行充填处理。

　　2)采准切割

　　根据现场条件，从上盘斜坡道-275.5m标高(即顶柱开采标高下0.5m)开口布置采准工程，首先，从斜坡道开口施工斜坡道联络道连通矿体，再从上盘相应位置向两侧施工上盘运输巷道联通相邻区的溜井;其次，继续向矿体内掘进出矿穿脉(规格3m×3m)至下盘矿岩界线;从穿脉可依次向矿体两侧掘进回采进路，进路沿矿体走向布置，规格3m×3m。

　　3)凿岩爆破

　　凿岩采用YT7655凿岩机凿岩，钻头直径40mm，孔深2.3m，设计每个循环进尺为2.0m，凿岩台效为约70m/台班。炸药单耗为0.7kg/t。

　　4)通风

　　进路式开采时，按巷道独头掘进方式进行通风。进路工作面采用JK58-1No4.0(5.5kW)或JK58-1No4.5(11kW)局扇辅助通风。当送风距离短时采用抽出式通风，当送风距离较长时，可采用压、抽混合式通风。

　　5)支护

　　根据Mathews稳定图法分析，3m×3m的进路基本可在回采过程中保持稳定。考虑到矿山曾在-320m中段巷道掘进时遇到过采动地压及巷道片帮、冒顶现象，因此，对穿脉巷及回采进路采场，应在爆破后及时撬毛，并视具体情况采用管缝式锚杆或液压木支柱加固处理，必要时采用锚网喷支护。

　　6)出矿

　　进路内崩落矿石采用WJD-1.0型柴油铲运机，通过穿脉出矿进路、上盘运输巷运至上盘矿石溜井，然后放至-320m中段水平，再通过主井提升至地表。

　　7)充填

　　充填分成两部分，一是穿脉运输巷道及分层进路掘进时，需采用尾砂胶结充填对-320m顶柱下方空区进行处理，再在充填实体上继续掘进;二是进路采场的充填，一步骤矿房采场用灰砂比为1∶4的充填料浆充填，二步骤矿柱采场采用灰砂比1∶10的充填体进行充填。回采一步骤采场时，在穿脉运输巷道两侧各布设1架充填挡墙，保证二步骤采场开采时的出矿通道;回采二步骤采场时，在进路内布设1架充填挡墙。

　　2.3技术经济指标

　　进路式充填采矿法回采区域为-320m中段高5m的顶柱，回采高度3.5m，其余1.5m作为护顶层不予回采。自现场应用以来，采场进路并未发现明显的垮塌、冒顶与片帮事故，留设顶板保持了较好的稳定性。开采区域一般同时布置3条进路同时回采，单条进路采场生产能力70t/d，矿块生产能力约200t/d，矿石综合回收率68%(表2);由于采场上方留设了1.5m的护顶层，矿石贫化率得到较好的控制，贫化率仅3%。进路式充填采矿法实现了阶段水平矿柱的安全回采，也取得了较好的经济效益。

　　3结论

　　1)古典杨森散体压力理论适用于松散残矿及低强度充填体压覆下的阶段水平矿柱受载荷分析，结合弹性矩形等厚薄板力学模型可计算留设顶板的安全厚度。

　　2)石头嘴铜铁矿-270m阶段水平矿柱由上中段破碎底部结构与下中段顶柱组成，采用进路式充填采矿法时底部结构不予回采，下中段5m高顶柱设计回采下部3.5m，留设上部1.5m作为护顶层不予回采。

　　3)采场进路及留设顶板在开采周期内保持了较好的稳定性，通过进路式回采及上向浅孔挑顶，实现了阶段水平矿柱的安全回采，矿块生产能力200t/d，矿石回收率68%，贫化率3%。