充填采矿法尾随作业及保障措施

卢央泽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

充填采矿法尾随作业及保障措施

卢央泽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

从增加回采中段和提高矿山规模出发，探讨了尾随作业实现方式，运用数值模拟方式分析了下阶段充填体对顶底板桃形矿柱影响及对上阶段矿体回采的安全性影响，提出了尾随作业安全保障措施，对选择提高矿山规模实现方式具有一定的借鉴作用。

尾随作业 顶板稳定性 有限元分析 安全措施

随着矿业的快速发展，矿山开采规模越来越大，对地下矿山增加回采中段是加大开采规模最直接的方式。根据回采工艺特点，空场法和充填法都有条件实现多阶段回采。例如弓长岭铁矿空场法、金川二矿区充填法等[1]。充填法开采时可能会造成中段地压集中，使该中段回采困难，而采用自下而上尾随作业，下一中段的回采超前于上一中段，避免了上、下部中段回采后中段应力集中的问题，且尾随作业增加了回采作业面，提高回采强度，年平均下降速度比单中段回采提高约50%。笔者就某充填矿山采用尾随作业提高矿山规模的方式，分析了顶底板桃形矿柱的安全性和保障措施。

1 尾随作业实现方式及过程

1.1 实现尾随作业的技术条件

某矿南部矿体走向长度平均1 km，主要采用大直径深孔凿岩、阶段出矿、嗣后充填采矿法，矿块垂直矿体走向布置，平均长度50 m，宽度15～20 m，高度60 m，运输中段高度120 m。一步采矿块和二步采矿块间隔布置，首先回采一步采矿块，待充填养护完毕后，回采二步采矿块，其中一步采矿块和二步采矿块出矿高度均为60 m。尾随作业见图1。

1.2 实现尾随作业的过程

按照可布矿块数、有效矿块数、同时回采矿块数进行生产能力验证。可布矿块数统计是根据分层平面图和采矿方法布置，分阶段统计矿块数量；有效矿块数是剔除不完整块矿、上下重合不能同时回采矿块，并折合成标准矿块统计出阶段矿块数；根据统计的有效矿块再乘以0.25的矿块利用系数求得回采矿块数，乘以矿块综合生产能力后得出该阶段生产能力。矿块综合生产能力是根据采准切割、回采出矿、充填工序所需时间与出矿量比求得，因此回采矿块数还包括采准切割、回采出矿、充填工序所需要的所有矿块数。

图1 二步采回采关系示意

通过上述分析，一个阶段同时回采的矿块数只是占全部有效矿块数的1/4，还有3/4的有效矿块可以利用。由于采用阶段充填采矿法，一步采和二步采矿块间隔布置，达到阶段生产能力时，单中段工作矿块的工作面长度需要占阶段全部工作面长度的1/2，为尾随作业创造了条件。

为实现尾随作业，下中段宜从中间向两端回采。下部段一步采和二步采间隔布置，先进行一步采，待一步充填养护后，再进行二步采，二步充填养护后，下中段至少有5个矿块已充填养护好，这时上中段一步采矿块(下中段对应的一步采矿块)即可进行回采作业，即上中段尾随作业正式开始，上、下中段同时进行。尾随作业时，下中段的生产要超前于上中段的回采，其特点：①上中段采准工作必须是在下中段充填体上作业，故对应的充填体必须具备设备安全行走条件；②上中段回采矿块与下中段回采矿块平面距离至少为60 m(具体应根据矿岩和充填体的稳定性)以上，遇不稳定情况应加大间距。尾随作业上下相邻中段回采关系见图2。

图2 尾随作业示意

2 尾随作业安全分析及论证

尾随作业是上中段在充填体上作业，而充填体因沉缩不会完全接顶，制约尾随作业的影响因素主要有：岩体稳定性、原岩应力、采场结构参数、充填体质量、回采工艺技术等。设计采用大型有限元分析软件-ANSYS对其进行稳定性分析和评价，以确保矿体的安全回采[2-6]。

2.1 计算参数

计算采用的矿岩及充填体力学参数见表1。

表1 矿岩和充填体力学性质

2.2 ANSYS模拟结果

应力、位移最大值和采场稳定性关系见表2，顶板及充填体矿柱的拉应力分布见图3～图5。

表2 采场应力及位移数值模拟结果

图3 顶板拉应力横剖面

2.3 结果分析

(1)数值模拟结果表明，各采场靠下盘顶板和充填体矿柱底板出现拉应力集中，顶板拉应力最大值为0.7～1.1 MPa，对整体采场稳定性不会造成较大或严重影响。

图4 充填体矿柱位移分布

图5 充填体拉应力分布

(2)充填体矿柱中最大压应力为0.88 MPa，出现于充填体顶部。从受力状态来看，充填体顶部较稳定，由于上部覆岩载荷的影响，充填体底板出现了不同程度的拉应力集中。

(3)从充填体的位移来看，其最大变形主要出现在充填体中央，相对变形值一般为0.03%～0.04%，数值较小，表示充填体和顶板未产生大的变形，顶板上覆岩层的变形很小。

(4)综上所述，矿岩稳固的情况下，顶板极限暴露面积约1 260 m2，为确保上部隔水矿柱不产生导水裂隙，沿矿体走向每200～300 m，垂直矿体走向留30～40 m的条形矿柱，该矿柱要求自上而下统一留设，且要求上下对应。

3 尾随作业保障措施

(1)沿矿体走向，采用由矿床中部向两翼推进回采顺序，减轻上部中段地压应力对回采的影响，为尾随作业创造条件。

(2)在矿房、矿柱采场回采过程中，应严格实行留矿爆破，减少采空区暴露高度。控制凿岩偏斜率，以控制采场崩落界线，优化凿岩爆破参数、装药结构，选择合理的起爆顺序，控制最大单响药量，以便有效减少爆破对采场完整性的破坏。同时，实施强化开采，缩短采场回采周期，减少采空区暴露时间，加强上、下中段的爆破工作管理，做到同时爆破，协调一致，减少爆破振动对上部矿段矿房及充填体的影响，确保人员及设备的安全。

(3)加强生产管理，合理布置尾随作业生产矿块。采用自下而上尾随作业时，下中段回采、出矿、充填、养护，上中段采准、采切；下中段的一步采和二步采矿块超前上中段回采，只有下中段矿块完成充填养护最后一道工序后，在顶部充填不小于1m的高配比胶结充填层，当充填体养护强度至少要达到设备行走所要求的强度时，上部中段才能回采。

(4)采取多点下料、多次接顶等措施保证较高的接顶率，加强充填材料特别是水泥的质量检测、充填料配比控制及充填体强度检验,使充填体强度达到设计要求。

4 结 语

本次数值模拟所使用的力学参数都是在地质报告提供的岩体力学性质条件下，类比其它矿山得到的，即未考虑构造应力的条件下得出的。由于构造应力的复杂性、岩石力学性质试验取样的局限性、岩体结构面的复杂性等因素，计算所需的岩体力学参数难以准确确定。因此，模拟得到的绝对数值(如应力、位移等)与实际工程可能存在差距。建议在矿山投产后尽早开展采矿方法试验，尽快掌握符合矿山实际的地压活动规律，为安全生产提供有力保障。

[1] 王永前，把多恒,高 谦，等.特大型镍矿连续开采地压控制技术[M].北京：科学出版社，2013.

[2] 蔡美峰，来兴平.非线性地下岩土结构与工程安全监控新理论[J].金属矿山，2000(4)：4-7.

[3] 王 进，冯阶明.多中段回采采空区稳定性数值模拟研究[J].科技信息，2008(24)：6-9.

[4] 江文武，丁 铭,张耀平.龙桥铁矿采空区顶板岩层移动及冒落规律研究[J].矿业研究与开发，2011(3)：16-19.

[5] 张五兴，宋嘉栋.三道庄矿区采空区处理方案优化[J].矿业研究与开发，2011(4)：22-26.

[6] 莫 卿，马 驰.基于模糊评价的留矿法采场结构参数优化研究[J].矿业研究与开发，2012(1)：36-39.

2014-07-30)

卢央泽(1981—)，男，硕士，工程师，410011 湖南省长沙市解放中路199号。