胶结充填采矿法矿柱回采可行性论证

张春芳

(云南锡业集团(控股)有限责任公司老厂分矿， 云南 个旧市 661407)

14#-5矿体是老厂开发工程的重点矿体之一，也是目前生产的骨干矿体。由昆明冶金设计研究院设计选用“上向式水平分层胶结充填法”开采。将矿体全高划分为3个分段(分段高9.0 m)，分段平巷沿矿体走向布于矿体下盘脉外，每条分段平巷控制3个分层(分层高3.0 m)。垂直于分段平巷布置回采进路(间距为32.0 m)，垂直于回采进路布置矿房矿柱(尺寸均为30.0 m×7.0 m)。先采矿房后采矿柱，矿房采后用细骨料胶结充填，矿柱采后拟用水砂充填。矿房回采总计已采出矿石251209.0 t，锡金属1913.19 t，铜金属1388.18 t，取得了明显的经济效果。

该矿体属接触带硫比矿，层理、节理发育，为非致密硫化矿，呈层状产出，裂隙发育，局部氧化，为典型的层状矿体，给顶板管理带来了极大的困难。现采用长锚索(一般长12.0 m，锚固3～4个分层)加短锚杆(有1.5 m和1.8 m两种规格)联合支护的管理办法。

1 问题的提出

1.1 Ⅱ步骤矿柱的空间关系

矿房回采后，Ⅱ步骤矿柱在空间上只有两个面与原矿(岩)相联，当矿柱第一分层回采后，只剩下一个面与顶板矿(岩)直接相联，其处于单轴受力状态。另外，矿房回采后，应力在矿柱上重新分布，在矿柱上形成应力升高区，所以，不少研究认为，矿柱回采会使地压活动剧烈，冒顶片帮现象频繁，可能导致矿柱顶板大面积冒落的恶性事故发生。

1.2 胶结充填体问题

投产后一段时间的胶结充填体，强度比较低(主要是由于一部分胶结充填体离析)，因此，回采矿柱时，必须考虑胶结充填体能否自立，及因坍塌造成贫化过高，甚至发生安全事故的问题。

2 Ⅱ步骤矿柱回采的可行性分析

按昆明冶金设计研究院的设计，Ⅱ步骤矿柱采用“上向式水平分层水砂充填法”回采，14#-5矿体的矿房矿量几乎已回采2/3，目前欲改变采矿方法，从生产任务来看，似乎不太可能，所以，本文以原设计的中矿柱回采方法进行可行性分析，根据矿房胶结充填体和开采现状的客观条件来讨论其回采的可行性。

2.1 Ⅱ步骤矿柱的稳定性分析

我国白银有色金属公司小铁山铅锌矿某矿体选用上向式分段分条胶结充填法开采，在回采Ⅱ步骤矿柱时发现，Ⅰ步骤回采进行胶结充填时，水泥浆会进入Ⅱ步骤矿柱的周边裂缝，将破裂(或破碎)的矿石与充填体胶结成一整体，从而增强了Ⅱ步骤回采时矿柱的稳固性。这一规律的认识对Ⅱ步骤矿柱的回采具有重要意义。

14#-5矿体所回采的矿房，尤其是第一至三分层的矿房，有超挖欠挖现象，各矿房分层的边界也不是整齐重合的。并且由于爆破的原因，回采后的矿房边帮都有不同程度的裂隙，或深或浅，并非是光滑的。因此，可以断言，现在的矿房胶结充填体都已紧紧地和矿柱胶结成一整体。所以有理由认为，矿房胶结充填体与矿柱的接触状况是良好的，能满足矿柱回采“摩擦力”的要求。

实践证明，充填体(特别是胶结充填体)对矿柱的约束作用很大，这是成功应用充填采矿法的矿山工作者们的共识，室内模拟实验也证明了这一点。

充填体(尤其是胶结充填体)能给矿柱(壁或围岩)提供横向约束力，这种阻抗力随着矿柱(壁或围岩)变形量的逐渐扩大而渐渐增加，它以让压的方式阻止和约束矿柱(壁或围岩)的变形，以使矿柱的泊松比减小，并大幅度降低其水平变形量。更重要的是使矿柱由单轴受力变为三轴受力，从而改变其受力状态，使矿柱的支承能力提高。波兰学者对干式充填、水砂充填和胶结充填的横向约束作用分别进行模拟实验，结果发现，胶结充填体使矿柱支承能力增加的幅度最大。国内学者还对间柱回采过程采用有限元模拟分析法和边界元法进行分析，得出：间柱回采中，顶板拉应力的范围是很小的，其位于间柱顶板的正中附近，随回采顶板的上移而上移，并且间柱内的最大拉应力、最大压应力和最大剪应力都未超过矿岩的极限抗拉、抗压和抗剪强度(个别点除外)。还发现，间柱回采中，其最下分层和最上层面是应力最集中的地方。上述这些都是充填体横向约束作用的结果，并经国内外大量的室内模拟实验和现场实测资料得到了证明。

根据连续介质的理论可知，矿(岩)石的抗压强度随着侧压条件的改变而改变，如果矿柱被充填体所包围，则为矿柱提供了一定的侧压力，可使矿柱的抗压强度有所增大。某研究院的研究报告指出，用不同强度的胶结充填体充填后的矿柱强度有不同的变化，强度高的充填体可提供较大的横向约束力，使矿柱强度大幅度提高，简言之，矿柱强度的增加与充填体强度大小成正比。据实测，矿柱(壁)在胶结充填体包围时，其强度最高可增加138%。当充填体强度超过2.0 MPa后，矿柱强度可增大1.0倍以上。14#-5矿体的胶结充填体采场取样平均抗压强度为1.959 MPa，与2.0 MPa相差甚微，若按此规律计算，则Ⅱ步骤矿柱强度大约可增大0.98倍以上。特别值得一提的是，矿柱在无侧限受压破坏后不具有任何残余强度，而在充填体包围后，即使破坏了,仍具有很高的残余强度。这就是说，矿柱即使受压破坏了，仍具有相当高的支承能力。一般情况下，矿柱受压破坏后所具有的残余强度为其极限抗压强度的20%～40%。矿柱在充填体包围时所具有的这种残余强度，充分说明充填体能起到很明显的约束作用。

随着对矿柱研究工作的日益深入，人们发现，矿柱力学性态的变化还与充填高度、矿柱截面积和充填面积之比等因素有关。

不同高度的充填体将对矿柱产生不同作用的约束力，充填高度越高，则矿柱强度增大程度越大。室内实验表明，充填高度分别为矿柱高度的1/2、3/4和1/1时，矿柱强度分别增大34.1%、53.3%和75.7%。波兰学者马祖尔凯维茨所作的室内模拟实验也证实了以上结论。现在，14#-5矿体已充填到统编第五分层，占全高的55.6%，假设大规模回采矿柱，而且服从于上述规律，那么，14#-5矿体Ⅱ步骤矿柱的强度至少会增大34.0%。

以上从不同角度论述了Ⅱ步骤矿柱所具有的有利条件，而且胶结充填体强度也比较高，所以，从理论上讲，14#-5矿体的Ⅱ步骤矿柱，受力状况较好，稳定性较高，只要护顶工作能进一步完善，长锚索和短锚杆在矿柱顶板拉开就能及时安装，采矿后能迅速充填，那么，顶板大面积冒落的恶性事故也是可以避免的。

2.2 Ⅱ步骤矿柱及其相邻矿房胶结充填体的揭露情况

矿柱进路拉开及少量矿柱刷大后，其顶板应力初期变化较大，之后就基本稳定了，这方面的情况，从长沙矿山研究院用声发射仪对矿柱锚杆的实地监测结果得到了证实。这些矿柱从施工至今顶板均未发生过冒落，其顶板暴露面积详见表1。

2.3 国内外充填法矿山的成功经验和研究成果

近年来，胶结充填采矿法得到了广泛的应用，并且在Ⅱ步骤矿柱(壁)的回采方面积累了不少成功的经验(见表2)。

值得指出的是，现阶段设计的胶结充填体强度，很多都是从控制地压活动角度出发的，如果从要求充填体能自立而不坍塌这个角度来讲，那么其取值就普遍偏大，而且有的大得很多。现在，有人通过实践后认为，如果地压活动不是非常突出，那么回采间柱时两翼充填体的强度只要不低于0.98 MPa即可。如果考虑地压活动因素，那么两翼充填体强度不低于1.96 MPa即可。因此，根据14#-5矿体的地质情况，结合这几年的开采实践，认为该矿体的矿房胶结充填体强度只要在0.98～1.96 MPa即可。

图1 矿柱矿房平面

2.4 14#-5矿体矿房胶结充填体取样测试结果分析

矿房充填时，对胶结充填体进行坑下采场取样和地面取样，并进行了测试，坑下采场取样测试结果见表3。

由表3可知，14#-5矿体的胶结充填体总体强度较高，基本达到设计要求(设计要求矿房胶结充填体强度为R28=1.96 MPa，设计院的设计比较保守，取值较大)，其中最小强度为0.45 MPa，这是在龄期为7 d的情况下测定的。众所周知，混凝土在一定时期内，其强度值是随着时间的增加而增大的，完全有理由说,如果龄期为28 d或更多点，则测出的充填体强度值肯定比现值大很多。况且在所有的样组中，其平均抗压强度值小于0.98 MPa的也只有4组，所占比例很小，并不能代表整体情况。

地面样取得较多，36个测样中大于0.98 MPa的有33个，占总数的91.7%，而且另外3个强度值范围也在0.60～0.80 MPa以内。

表1 14#—5矿体矿柱及胶结充填体揭露情况

注：E、J两区稳固性较好，G区有少量片帮和掉块。

表2 部分矿山充填体强度及矿柱回采情况

当然，地面样的测试结果，并不能说明矿房胶结充填体能否满足矿柱回采要求的问题，但它至少能说明胶结充填体的整体强度是足够的。对比表3与表2及其它国内外的矿柱(壁)的回采经验与研究成果相对照比较可知，14#-5矿体的矿房胶结充填体能满足矿柱回采要求。

表3 胶结充填体采场取样强度实测值

3 确定合理的开采顺序

前面已分析了Ⅱ步骤矿柱在空间的存在关系，确实有其特殊性，可以从地压的角度利用压力拱原理,使矿柱得到安全、高效地回采。

目前，国内对此理论运用较成功的是南方某矿。如图2(a)所示，当71～75采场结束采矿后，其周围矿(岩)体应力升高，造成61～69采场地压剧增，难以回采，但当45～51采场结束采矿后，又形成了一个小的免压拱和应力升高区〔图2(b)所示〕，慢慢地两个小的免压拱通过矿(岩)体内的应力重新分布，就合并成一个大的免压拱〔图2(C)所示〕，此时，61～69采场就在大免压拱(大自然平衡拱)之下，处于应力降低区内(它只承受其上，应力升高带以下的矿岩体重量)，从而得以安全地回采。

根据以上原理和应用的成功实例，回采14#-5矿体的矿柱时，正确的回采顺序应为：先采两边，后来中间。即以Ⅱ-2进路所属的矿柱为基准，由矿体两翼向中间退采。如此，当纵剖面方向上的两边都不规则的矿柱回采充填完毕，再逐步向中间退采时，大免压拱即可形成，这时，主要回采的厚大矿体部位(Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅱ-3进路所属矿柱)，就可处于卸压区内，顶板压力即可得到释放，其回采中顶板所受的压力几乎只是大免压拱以下相应的矿(岩)体重量。由于开挖空间在不断形成，矿(岩)体内的应力随时都在变化，而且该矿体层理较发育，因此，矿柱回采中，局部地方的安全情况难免会恶化。

图2 在免压拱保护下回采高应力区矿块

通过近几年的生产实践，发现此矿体的水平应力并不低于垂直应力。在实际回采中，片帮还是较突出的，即便是回采后的矿房，其边部总会掉下些矿岩，尤其在层理特别发育的矿层，则更为严重。从现场来看，整个14#矿群水平应力都比较大，位于14#-5矿体顶板以上的14#-8矿体，在掘进中，运输平巷开挖很长一段时间内，片帮、帮鼓、底鼓现象都非常突出(特别是外面层理较发育的车场段)，致使巷道变形，运输时有中断，维修工程量大幅度增加。由此看来，水平应力对该矿体矿房(柱)回采的影响，是不可忽视的。

因此，前述先采两翼矿柱并紧接将其充填起来的开采顺序，还可起到另一个作用：建立充填体应力隔墙，形成人工让压矿柱，减少矿柱在回采期间水平应力的影响。此“压力拱原理及应力隔绝理论”已由西北矿冶研究院在白银有色金属公司小铁山铅锌矿得到了很成功的应用(该矿水平应力为垂直应力的2.4倍)。

4 结 论

矿柱回采，尤其是充填采矿法的矿柱回采，是有其特殊性的。实践证明，矿柱留存的时间越长，受力状况越复杂，回采难度就越大，因此，应及时回采，避免积压。针对14#-5矿体的矿柱回采，笔者认为，实际情况并不象有的同志想象的那样可怕，很多客观情况都已证明了这个问题的可行性。最重要的一点，就是要突出一个“快”字，强掘(采)、快速支护、强充填。这样，Ⅱ步骤矿柱回采就一定能成功。

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