充填体与预留原岩矿柱相互作用机理研究

秦帅，余一松，樊忠华，单强

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

充填体与预留原岩矿柱相互作用机理研究

秦帅，余一松，樊忠华，单强

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

通过实验室物理模拟的方法，用自制试验模型对充填体充入采场后的力学作用状态进行了模拟，矿柱两侧分别采用1∶2和1∶10两种不同灰砂比的充填体进行充填施压，以模拟不同材料刚性对充填体支撑作用的影响。经过对大量模拟实验结果的分析，发现不同强度的充填体对矿柱的支撑作用效果不同，同时提出充填体的支撑作用具有被动性。

充填体;原岩矿柱;支撑作用;应力传递

0 引言

随着国家对环境保护的重视程度的提高，对矿山环保要求越来越高，许多地区不允许地表出现变形和破坏，所以新建矿山和老矿山都在改用充填法开采，尤其是三下矿体开采基本全采用了充填法［1］。但近些年来，一些采用充填法开采的矿山仍然出现了地表移动的问题，这个事实说明，采用充填法开采的矿山其地表变形也是不可避免的，只是变形程度较微小，变形时间延迟而已，地表岩移的滞后性问题已成为人们关注和研究的重点课题。

作者自制模型，对充填体与围岩的相互作用机理进行了室内试验，通过分析得出了一些结论，可为充填法矿山的参数设计提供参考。

1 充填体支撑矿柱的作用过程试验研究

1.1 试验准备

(1)模型制作。采用4根螺栓(长度为360 mm)和两块钢板(100mm×100mm)制作约束充填体和矿柱的模型，其中2块钢板的四角穿有4个小孔，每根螺栓中央的部位穿有一Φ5mm的小孔，小孔中插入50mm的螺钉，螺钉向内旋转顶住钢夹板以达到另一个方向控制矿柱的作用，使矿柱在二维控制方向下进行加载。在4根螺栓的一端沿长度方向，各粘贴1片应变片，以监测试验过程中螺栓上的力的变化，以及施加不同横向约束作用时对应的预应力大小，尺寸具体见图1，自制试验模型见图2。

图1 钢夹板尺寸及螺栓示意(单位:mm)

图2 自制的试验装置

(2)矿柱和充填体试块的制作。试验制作了1∶2和1∶10的两种不同类型的充填体，试验块的组分见表1。矿柱采用混凝土来模拟强度(50MPa以上)，试验块各组分见表2。

表1 充填体试块(10cm×10cm×10cm)的配比

表2 混凝土试块(10cm×10cm×10cm)的配比

1.2 试验方案

通过试验装置两侧的夹板向内侧移动模拟实际采场中围岩或矿柱变形移动以挤压充填体，采用螺栓上的螺钉对夹板进行控制，中间矿柱在压力机上加载至破坏，分别进行了5组试验，另外，分别对矿柱两侧有、无充填体限制进行了试验。

在每块待试验的充填体试块上，粘贴5片应变片，测试矿柱受纵向承载力破坏时，充填体上沿横向的应力传递。在4根固定螺栓上各粘贴1片应变片，用于测定夹板在螺钉向内旋转过程中体现在螺栓上的预应力大小。所有应变片由导线引出接入DH3816静态应变测试系统，进行静态加载试验和数据测试，如图3所示。

图3 试验模型纵剖面(单位:mm)

1.3 试验过程

(1)矿柱(混凝土)、充填体的单轴抗压强度测定。在压力机测定混凝土、两种不同配置充填体的单轴抗压强度，混凝土(矿柱)28d平均抗压强度为42.3MPa;灰砂比为1∶2和1∶10的充填体7d的平均抗压强度分别为4.2MPa和0.36MPa。

(2)粘贴应变片。按图3所示的位置，贴上应变片。另外，为了测定试验过程中施压横向位移约束条件下螺栓上的拉应力，在4根螺栓的一侧各贴上1片应变片。

(3)连接导线和调试DH3816静态应变测试系统。将导线连接到DH3816静态应变测试系统，连接完后用万用表检测应变片连接通路情况，避免应变短路等其他情况。每次加载试验开始，调试至各节点初始微应变为零，然后进行加载并记录试验机表盘数据和指针回弹现象。

(4)实验数据采集、记录试验数据和现象。包括充填体上各点应变数据，螺栓试验各组应变数据，并记录各组试验矿柱加载变形至破坏时荷载，同时记录其他试验现象，如:有充填体支撑的矿柱是否具有残余强度，以及充填体破坏过程中的裂纹扩展情况。

2 试验数据分析

2.1 矿柱峰值强度的对比

(1)矿柱的峰值强度不同。在充填体的支撑作用下，矿柱达到破坏时的强度随着横向约束增大以及充填体强度提高均有不同程度的提高。在灰砂比为1∶2的充填体支撑作用下，矿柱提高强度较大，当位移约束为2mm时，矿柱的峰值强度达到了65.4 MPa，与单轴(有夹板)作用43.9MPa相比提高了近50%。在充填体灰砂比为1∶10的情况下，当位移约束达到2mm时，峰值强度提高达到12%左右。总体而言，充填体对矿柱是有支撑作用的，其他条件相同情况下，强度较高的充填体产生的支撑作用较大。

(2)残余强度不同。试验过程中发现，有充填体支撑的试验组，矿柱达到峰值强度时，压力机表盘指针有明显的滞留现象;无充填体支撑的矿柱，压力机表盘指针即刻弹回，无指针滞留现象。这说明有充填体支撑的矿柱与无充填体支撑的矿柱相比，矿柱达到破坏时有明显的残余强度，此时充填体对达到破坏的矿柱有明显支撑作用。

2.2 充填体支撑矿柱作用具有被动性

本试验除了2组不同单轴试验外，对2种不同的充填体采取了5种不同类型的约束，分别是0，0.5，1，2，4mm。经试验测得，随着充填体向矿柱端挤压程度的变大，矿柱的承载能力渐趋提高，当位移约束达到4mm时，充填体发生了明显的破坏，矿柱达到峰值的强度趋于稳定，与位移约束为2mm时的强度相比增幅较小。当位移约束为0mm时，矿柱峰值强度基本保持不变。但是充填体在被钢夹板挤压的过程中，矿柱的承载能力逐渐增大，并最终趋于稳定(见表3及图4)。也就是说，充填体只有先受到适当的挤压后，才能发挥充填体支撑矿柱的作用，说明充填体支撑采场矿柱或围岩的作用具有被动性。

表3 矿柱承载力与充填体横向位移约束的关系

图4 矿柱承载力与充填体横向的约束关系

2.3 充填体应力传递情况

经试验发现，在施加横向位移约束以及后续矿柱纵向加载过程当中，充填体的变形破坏、应力传递过程呈现出了一定的规律性，总是在充填体的两侧先发生变形破坏，然后向充填体的中心部位传递。但充填体中心部位变形较外侧小的多，充填体中的裂纹总是由两侧向中心部位扩展传递，如图5、图6所示，试验数据见表4和图7及图8。对比灰砂比为1∶2及1∶10两种充填体试验组的应变值不难发现，灰砂比为1∶2的充填体中心部位应变比灰砂比为1∶10的充填体中心部位要大些，亦即灰砂比为1∶2的充填体更易产生力学传递作用。灰砂比为1∶10的充填体应力吸收作用更明显。

图5 1∶10充填体裂纹扩展情况

图6 1∶2充填体裂纹扩展情况

表4 充填体各监测点应变(με)与横向约束的关系

图71 ∶2充填体各监测点应变与横向位移约束的关系

图81 ∶10充填体各监测点应变与横向位移约束的关系

2.4 螺栓上的应力情况

灰砂比为1∶2的充填体试验组螺栓上测到的应变普遍大于灰砂比为1∶10的充填体测到的应变，说明刚性强的充填体其力学传递作用更强，对矿柱围岩变形挤压更敏感，刚性弱的充填体则应力吸收作用较强，产生了一定力学阻断作用。

螺栓上的应变片一定程度上反应了充填体接受矿柱变形挤压后的应力传导作用。和试验现象比较吻合的是，刚性较强的充填体更易发生力学传递作用，充填体的中心部位也更易遭受应力作用，也就是说充填体更易产生破坏，具体见表5和图9。

表5 螺栓应力与横向位移约束的数据测试

图9 螺栓上应力变化与位移约束的关系

3 结论

(1)充填体充入采场后，充填体的力学作用状态具有时效性，随着时间的延长，发生了力学转化，刚开始呈现散体流体状态时表现静止侧压力作用，是一个相对小量，干式充填体的主动作用较胶结充填体更优，而且伴随充填体的固结粘聚力的提高逐渐减小，相对应的充填体的被动作用逐渐增大，最后趋于稳定，充填体表现出主动的机会并不是太多，而且充填体的主动作用力也是一个相当小的静止侧压力。采用上向开采方法时，充填体表面的采掘设备的来回碾压有助于增强充填体的主动作用。

(2)试验表明，充填体对矿柱具有支撑和支护作用，支撑作用大小和充填体的刚性有关;有充填体支撑的围岩矿柱，即使达到破坏后也有很高的残余强度。

(3)充填体支撑作用具有被动性，是随着围岩挤压充填体而逐渐产生支撑作用的，支撑作用大小与充填体产生变形有关，充填体产生变形越大，支撑作用也较大，但当充填体遭受到破坏后，支撑作用趋于稳定或下降。

(4)刚性充填体应力传递能力更强，对围岩或矿柱的变形更敏感，相反，柔性的充填体应力吸收能力更强，具有一定的阻断应力传递的作用。

［1］刘新强.港里铁矿无底柱分段崩落采矿中巷道稳定性控制［J］.矿冶工程，2004，(6):18－20.

［2］元俊峰.胶结充填取代崩落法回采铁矿石的可行性初探［J］.中国矿业，1997，(5):81－83.

［3］谢开维，何哲祥.张马屯铁矿全尾砂胶结充填的试验研究［J］.矿业研究与开发，1998，(4)8－10.

［4］朱靖，王永春，任宏伟.阶段充填采矿方法在宝山铁矿的应用［J］.采矿技术，2007，(9)8－9.

［5］周先明.金属矿山充填体作用机理研究实践［J］.矿业研究与开发，1992，(S1)179－186.

［6］戴宏辉，刘金明，董泽振.铜绿山铜铁矿分段充填采矿法的试验研究［J］.采矿技术，2007，(2)1－2.

2011－04－14)

秦帅(1987－)，男，山东东营人，硕士研究生，主要从事无底柱分段崩落法放矿规律及充填作用机理的研究，Email:qinshuai_2008@163.com。