充填体包裹条件下厚大矿柱安全高效开采技术方案研究

曹 辉，解联库，杨小聪

（北京矿冶研究总院，北京100160）

安徽某铜矿是一座现代化大型地下开采矿山，生产能力3500t／d。1＃矿体是其主要矿体，铜金属量占总储量80%以上，矿体平均厚40～50m，最大厚度达80～100m，倾角70°以上，矿体形态较规整，采矿方法主要为大直径深孔嗣后充填采矿法，采场垂直矿体走向布置，分矿房、矿柱，间隔式两步回采。从理论上说，采用自下而上的充填采矿法开采，也就是从矿体最底部逐中段由下至上开采并实施充填，可以实现矿体各阶段之间的连续采矿，但随着开采的进行，将有采场面临上部与两侧充填体的包围，因此，如何在充填体包裹条件下，尤其是在充填体的直接底部安全高效率地回采厚大矿柱，成为实现全矿范围内垂直方向上的连续高效采矿的关键问题。

1 试验采场现状及周边充填体情况分析

本次试验采场为11＃房3采场（11R3），位于－510～－560m中段之间，采场上部为早已回采完毕的－400～－510m中段，11＃房上部采场为胶结充填体，两侧的矿柱采场－560m水平以上也已回采充填完毕，所以11R3存在于一个三面充填体包裹的条件下，因此，为确保采准工程施工及回采过程的安全，也为回采方案的选择提供理论依据，有必要对两侧矿柱及上部采场充填体质量及稳定性情况进行调查和分析。

1.1 周边采场空区充填情况调查

如图1所示，此次11＃房－510m～－560m中段周边采场充填情况调查包括：11R－400～－510m中段采场、11P－477～－510m中段采场、9P－460～－510m中段上下盘采场、11P－510～－560m中段采场、9P－510～－560m中段上下盘采场。调查内容主要包括目前采场空区实际充填高度及充填体配比情况。

图1 11＃房在1＃矿体纵投影图中的位置

1.2 隔离层岩体声波测试及充填体质量评价

根据前期开采设计及相关岩石力学研究分析［1－3］，11R3上部采场底部尾砂胶结充填体及未采的三角矿柱构成隔离层，隔离层稳定性对11R3的回采起到至关重要的作用，此次研究除对周边采场充填配比及高度情况进行调查外，还进行了隔离层（11＃房凿岩硐室）声波测试及充填体取样力学参数试验工作。

1.3 现场调查及测试结果分析

通过对11＃房周边采场结构及回采充填基本情况的调查和对其采空区充填配比情况及充填体高度情况进行的统计分析可以看出：周边空区充填体配比充填情况基本与设计相符，只是在9＃柱－460～－510m中段上、下盘采场空区由于进行了大量的废石充填，对将来11＃房的回采构成了巨大的威胁；隔离层声波测试及充填体取样力学参数试验结果表明隔离层胶结充填体强度及厚度达到设计要求。

2 回采方案的选择

根据11＃房周边采场充填情况，并考虑到充分利用矿区现有的探采工程、充填系统、矿山现有的人员技术力量和装备水平，拟选择：①大直径深孔嗣后充填采矿法、②阶段空场嗣后充填采矿法（φ60mm上向扇形中深孔）、③阶段空场嗣后充填采矿法（φ100mm下向扇形深孔）三种方案，通过对三种回采方案的技术经济指标对比分析可以看出（表1），第一种方案大直径深孔嗣后充填采矿法为最佳回采方案。

3 回采方案的数值分析

根据以上方案论证及对比分析，11＃房决定选择第Ⅰ方案（大直径深孔嗣后充填采矿法）进行回采，但是由于其开采条件的特殊性，利用本方案开采时还应考虑是否划分上、下盘回采单元进行回采，通过数值分析手段对两种情况下矿块回采过程中对周围岩体及充填体的应力、位移、破坏情况进行对比分析，定性的确定回采影响范围并最终确定最优回采方案。

3.1 基本力学模型

3.1.1 岩体物理力学参数

模型中主要考虑3种岩体，即矿体、闪长岩（下盘岩体）和大理岩（上盘岩体）。目前矿山所用充填体类型为：高强度尾砂胶结充填体，灰砂设计配比为1∶4，主要用于采场（包括矿房和矿柱）底部作为假底；低强度尾砂胶结充填体，灰砂设计配比一般为1∶8、1∶10等，主要用于矿房充填。非胶结尾砂充填体不含水泥胶结材料，一般用于矿柱充填。计算模型中选用的岩体力学参数［4－5］如表2所示。

3.1.2 地应力

通过－280m、－400m和－580m三个中段的现场原岩应力测试结果可以看出，矿区地应力以水平应力为主，水平应力大于垂直应力。最大主应力的方向基本水平，方位由上部的近东西向转向下部的近北东－南西向［6－10］。根据上述各中段的原岩应力测定结果回归得到矿区水平最大主应力、最小主应力和垂直应力值与岩体深度的关系为：

表1 不同回采方案技术经济指标对比分析

表2 计算模型中的岩体力学参数

3.1.3 几何模型及单元划分

根据研究对象的范围和开挖的影响，三维计算模型的长、宽、高设置为640m、300m和550m。模型高度范围为标高－720～－190m。计算模型共有127224个六面体单元，135198个节点。三维数值计算模型单元划分情况及1＃矿体三维立体几何形态如图2所示。

图2 矿区1＃矿体三维模型

3.2 回采方案模拟

对岩体来说，上部岩体开挖都对下部的每步开挖均会产生影响，不同的顺序和步骤都将产生不同的力学效应和不同的岩体稳定状态。因此在进行试验采场开采过程模拟分析时，应首先模拟上部矿体开采后形成的新的应力场，即按上部采场实际回采顺序进行开采模拟分析，并将此应力环境作为试验采场开采的初始应力场。

3.2.1 矿体几何模型及回采现状

数值分析模型分上、下两部分，即－400m以上部分和－400m以下部分，先采－400m以上部分，再采－400m以下部分，各阶段矿块回采顺序及充填情况与现场实际完全一致，并且模型中根据矿山实际在－400m中段保留了10m厚的水平矿柱。

3.2.2 11R3回采方案

针对11R3矿块，分两种回采方案考虑矿房回采，即划分上下盘两回采单元方案和整体回采方案，如图4所示。

图3 矿体模型纵剖面图与矿体充填现状对照图

图4 11R3开采方案平面图

3.2.3 监测点布置

为了动态了解整个回采过程，充填体矿柱、围岩中的应力变化及顶板下沉情况，特布设4个应力监测点（主要监测两次充填矿柱的应力变化）和3个位移监测点（主要监测采空区顶板的沉降）对采空区附近岩体的力学特性进行实时监测，以更好的了解不同开采方式对围岩及充填矿柱的影响情况。表3列出了监测点的详细信息。

3.3 数值模拟结果分析

1）11R3矿块的回采会对周围岩体及充填矿柱的应力状态产生一定影响，由于充填体承受应力能力较小，采空后矿岩应力发生转移由采空区周边岩体承担，而隅角处承担顶板传来的双向应力，易发生局部应力集中现象，11R3上下盘围岩应力集中处，最大水平应力能达到38MPa，约为同一深度的原岩应力21MPa的1.8倍。

2）结合应力监测结果还可以看出，矿块的开采对两侧充填体和上下盘围岩的影响不同，上盘岩体的受力程度高于下盘岩体，11P23胶结充填体矿柱的受力情况要高于9P3胶结矿柱。另外11P23，13R23下盘围岩及9P3、7P3矿柱也受到较大集中应力影响。

3）开采引起的岩体位移变化及顶板下沉情况表明，11R3矿块采后周围岩体的水平位移指向空区，空区的顶板下沉规律为靠近上盘处顶板的下沉位移量最大，整个下沉曲线为勺形，最大沉降量为70～80mm；顶板拉应力最大为0.36MPa，小于顶板拉破坏强度。

4）从模型数值分析结果总体上看，分上、下盘两回采单元回采方案在周围岩体、充填矿柱、顶板隔离层受力及危险控制方面要优于整体单元回采。

表3 监测点详细信息

4 结论

1）通过对周边空区充填高度及充填体配比充填情况的调查核实，基本能够按照原设计充填量配比情况进行充填作业，周围空区实际充填情况与设计相符。

2）结合前期岩石力学研究结果，对11R3上部采场隔离层，进行了岩体声波测试及充填体取样力学试验工作，综合分析测试结果表明隔离层的完整性及强度达到设计要求。

3）通过对试验采场3种采矿方案的技术经济指标对比分析，确定采用大直径深孔嗣后充填采矿法作为该矿块的整体开采技术方案。

4）通过现场调查、试验、分析等工作掌握了11R3外部充填体分布情况及其基本力学特征，并进一步结合数值计算分析，确定充填体包裹下11R3的最优回采方案为划分上、下盘两回采单元进行开采，目前该矿房已经成功安全回采。

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