充填采矿法的矿块布置与构造形式

姜仁义

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

充填采矿法的矿块布置与构造形式

姜仁义

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

分析了充填采矿法的开采工艺和地下采矿空间结构，将矿块的布置、排列方式及其对地下采矿空间的整体支撑体系作为矿块的构造进行分析，初步讨论了墙式、柱式、棋盘式、类均质、镶嵌式、组合式、叠拱和其他类型的矿块构造形式，并对其矿块的布置、特征及适用条件进行了探讨。结果表明，不同的构造形式适用于不同的矿山条件和开采工艺，矿山在设计和生产过程中应根据具体的条件和开采工艺选择适当的构造形式，确保地下采矿空间结构的安全稳定，提高矿山的经济效益。

充填采矿法 地下采矿空间 矿块构造

在地下充填采矿法的设计、生产和研究中，通常将重点放在矿块结构、开采工艺和充填工艺上[1-3]，事实上，矿块的布置、排列方式及其对地下采矿空间的支撑也属于采矿方法的重要内容。为此，在地下充填采矿法中引入矿块构造的概念，将矿块的布置、排列方式及其对地下采矿空间的支撑作为矿块的构造进行研究，对不同的构造形式进行分析，以便于在矿山设计和生产中，能够根据矿山的具体条件选择适当的构造形式，确保矿山安全高效生产。

1 矿块的结构和构造

充填采矿法矿块的结构主要指矿块的空间结构，包括几何尺寸大小、形状及回采工程布置等，如矿块的长度、宽度、中段高度、分段高度等[4]。一直以来，对充填采矿法中矿块结构的研究、选择和设计大都侧重于单个矿块，更多考虑的是单个矿块的支撑、自身稳定和回采等问题，矿块的布置、排列方式等确保地下采矿空间整体安全稳定、生产协调等问题则主要在矿山岩石力学和回采顺序中进行研究。将充填采矿法矿块按一定方式排列组成的地下采矿空间的支撑体系称为矿块的构造，其延伸意义包括对矿块结构形式的选择和对地下采矿空间结构的建造。如此，矿块结构主要研究单个矿块，矿块构造则主要研究矿块的布置、排列方式等。矿块结构、构造及地下采矿空间的结构关系见图1。

图1 矿块的结构、构造和地下采矿空间的结构

建筑学中的结构指梁、板、柱、墙体等构件组成的承受荷载(或“作用”)的骨架体系，其中的梁、板、柱、墙体等构件与矿块及其结构相似；建筑构造研究建筑结构中构件或配件的组成、构造原理和构造方法，主要是建造的概念，这与矿块构造研究中包含着矿块的排列方式及其对地下采矿空间的支撑是有所区别的。

在地质学中，岩石的结构指岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小和形状，仅限于个体；岩石的构造则指岩石组成部分之间的排列方式及充填方式，包括总体[5]。岩石结构、构造的研究范围划分与充填采矿法中矿块的结构、构造基本一致。

2 矿块的构造形式

2.1 墙式构造

墙式构造是矩形结构、梯形结构或其他近似墙体结构的矿块按一定的方式排列组成的构造形式。墙式构造中起主要支撑作用是胶结充填结构的矿块，即一般充填采矿法中的一步采矿块。为了确保安全，在“三下”开采及其他需要保持围岩稳定的情况下，在采矿空间内也预留强度高、稳固性好的连续矿体作为永久性矿石矿柱支撑围岩，形成由矿石矿柱组成的墙式构造。单中段开采的墙式构造与建筑结构中的排架结构相似，当多中段开采时，中段间可留矿石矿柱或充填强度较高的胶结体，其整体构造形式类似于房屋建筑中的剪力墙结构，支撑地下采矿空间；当中段间连续回采，不留矿柱或不充填强度较高的胶结充填体时，上下中段间承重的矿块应当相对应。墙式构造的承重结构具有方向性，其承重方向应与地下岩体的主应力方向一致。

承重矿块在垂直于承重方向平面内的投影面积越大、强度越高，其承重能力便越大，采矿空间的稳定性则越好。因此，可采用承重矿块在垂直于承重方向平面内的总投影面积与采矿空间在该平面内的总投影面积之比(下称承重比)作为矿块构造的指标，以评价该构造形式对采矿空间的支撑能力。安徽李楼铁矿、周油坊铁矿地表为农田和村庄，一步采胶结承重矿块与二步采尾砂充填矿块结构相同，垂直于矿体走向布置，墙式构造，目前开采范围内地下主应力与重力方向一致，承重比为50%；内蒙古黄岗铁矿、书记沟铁矿地表为古河道、戈壁、草地等，没有村庄等建(构)筑物，矿块垂直于矿体走向布置，一步采胶结承重矿块与二步采尾砂充填矿块采用“一小二大”的结构，墙式构造，开采范围内地下主应力与重力方向一致，一步采胶结承重矿块与二步采尾砂充填矿块的宽度分别为12，18，15，20 m，承重比分别为40%和42.86%；司家营田兴铁矿上部有第四系强含水层，地表为农田、村庄，改进后盘区内矿块的平面布置及构造见图2。

图2 司家营田兴铁矿标准盘区矿块布置及构造示意

由图2可知，除了胶结充填的一步采矿块外，盘区间、矿块间还布置了矿石间柱，按承重面积计算出的总承重比为58.03%，其中矿石间柱的承重比为12.80%，一步采胶结充填矿块的承重比为45.23%。标准盘区承重比的计算结果见表1。

表1 司家营田兴铁矿标准盘区矿块承重比

除了承重、支撑围岩外，墙式构造中的一步采矿块还具有隔离作用，将矿体、盘区分割成不同的矿块、回采区段，采用“隔一采一”、“隔三采一”或其他方式进行开采，增加了回采作业面，开采强度较大。墙式构造中，胶结充填的比例即胶结比通常略大于承重比，主要是为了确保矿块底部封堵工程、底部矿石的回采及顶部设备的安全作业，二步采矿块(尾砂充填)顶、底部也采用胶结充填。在李楼铁矿设计中，二步采矿块底部6 m、顶部1 m均采用胶结充填，因此，该铁矿承重比为50%，胶结比为53.5%。胶结比越大，充填成本就越高，在确保安全的前提下，应尽可能降低胶结比。在司家营田兴铁矿、李楼铁矿、周油坊铁矿、冬瓜山铜矿、黄岗铁矿等大中型地下金属矿山的厚大矿体开采过程中均采用墙式构造。墙式构造的矿块结构属大型块状结构，有利于采用大型采掘设备开采，生产能力较大。

2.2 柱式构造

采用柱形结构的矿石矿柱、人工矿柱支撑围岩，确保地下采矿空间安全稳定的构造形式可划为柱式构造。典型的柱式构造有点柱充填采矿法、房柱采矿嗣后充填采矿法等。矿石价值不高或矿体中有柱状岩石时，采用原始的矿岩作为柱体支撑顶板围岩，生产成本较低。采用大型柱式结构矿块的矿山，胶结充填的一步采矿块与尾砂充填的二步采矿块间隔布置，一步采矿块支撑围岩，属于柱式构造。原岩水平应力明显时，可采用柱式构造，灵活布置，以减轻原岩应力对整体构造的影响。采用柱式构造多中段开采时，中段间可留矿石矿柱或充填强度较高的胶结充填体，整体形成框架式结构；当中段间连续回采，不留矿柱或不充填强度较高的胶结充填体时，上下中段间承重的矿块应当相对应。柱式构造的承重比、胶结比与墙式构造相似，承重比越大、胶结比则越大，地下采矿空间的整体结构就越稳定，但生产成本也相应增加。

2.3 棋盘式构造

胶结充填的一步采柱式结构、矩形结构矿块按棋盘格式布置，尾砂充填的二步采矿块布置于棋盘格式中的方格内，便形成了棋盘式构造见图3。

图3 棋盘格式构造示意

图3中，胶结充填的一步采矿块宽为a，尾砂充填的二步采矿块为正方形，宽为b，设b与a的比值为k，则b=ka。胶结充填矿块组成的棋盘格起主要支撑作用，其承重比λ为

当k=2时，λ为55.56%；当k=1时，λ为75%，承重比较高，相应的胶结比也较高。棋盘式构造整体类似于剪力墙结构，整体稳定性较好，因其承重比、胶结比较高，因而充填成本也较高。

2.4 类均质构造

在某一区域内，一步采矿块、二步采矿块均采用同一种材料充填的构造可以划为类均质构造。虽然充填体一般都属多相非均质体，但同一种充填材料形成的充填体宏观力学性质相似，可以采用同一力学参数进行分析评价。“三下”开采时，为了保护地表，一、二步采矿块均采用胶结充填即全胶结充填的构造形式属全胶结类均质构造；上向连续回采及小矿体、单矿块采用全尾砂充填的构造属全尾砂类均质构造；一、二步采矿块交替上向回采，分别采用胶结与尾砂交替充填区段的构造也属于类均质构造，整体上属散体结构。全胶结类均质构造承重比为100%，承重能力大，在地表需要保护、回收矿柱、下行式回采时应用较多。

2.5 镶嵌式构造

镶嵌式构造或称拼板式、积木式构造，是矩形、菱形、六角形、“凸”形等结构矿块相互拼接、镶嵌在一起而形成的构造形式，镶嵌式构造一般不留矿柱。典型的镶嵌式构造之一是由六角形结构矿块拼接而成的，回采进路拼接、镶嵌成一个整体见图4。

图4 六角形矿块镶嵌式构造

图4中，下向开采全胶结充填同时具有类均质构造特征，在金川镍矿矿体稳固性较差的条件下，取得了较好的效果；上向开采胶结、尾砂间隔充填镶嵌式构造可在矿岩条件中等稳固或稳固性稍差的条件下使用；3/4胶结、1/4尾砂充填的镶嵌式构造与棋盘式构造相似，上向开采、下向开采均可采用。下向采深较大时，整体构造的支撑力与稳固性劣于下向开采全胶结充填构造。

2.6 组合式构造

在矿山开采范围内，根据不同的开采技术条件，采用墙式、柱式、棋盘式、类均质、镶嵌式等基本构造中2种以上的构造形式属组合式构造，也可称为混合式构造。由于开采范围内不同矿体甚至同一矿体不同部位的产状、厚度、物理力学性质、地表等开采技术条件不尽相同，其构造形式也有所差异。因此，相当一部分矿山的构造形式为组合式构造，如中关铁矿中厚以上矿体均为倾斜或急倾斜矿体，倾角较陡，设计采用阶段空场嗣后充填采矿法或分段空场嗣后充填采矿法，采用矩形的块状结构，胶结充填的一步采矿块与尾砂充填的二步采矿块垂直于矿体走向间隔布置，胶结充填矿块承重，属墙式构造；中厚以下的Ⅰ-1#、Ⅰ-2#矿体西部区段和Ⅴ#矿体为缓倾斜或水平矿体，矿体厚度小，设计采用房柱采矿嗣后充填采矿法，采用矿石矿柱承重，属柱式构造。组合式构造的承重比、胶结比可根据其基本构造形式的承重比、胶结比进行加权平均估算得到。

2.7 叠拱构造

叠拱构造是多个相邻中段或区段的多个矿块(采场)相互错叠呈近似拱形的构造形式[6]。通过对矿块的回采、采切进行统筹规划布置，使得叠拱构造中的大部分采场、采掘作业面处于免压拱之内，充分发挥矿岩、充填体自身的成拱、支撑作用，有利于采场、采掘作业面的安全稳定，减少支护量，改善作业环境。叠拱构造是一种动态的构造形式，是在开采过程中形成的，矿山开采结束后，最终的构造形式仍会受到开采范围内矿体形态的限制，是上述墙式、柱式、棋盘式、类均质、镶嵌式等构造形式或其组合形成的构造形式。

2.8 其他构造

对于不规则矿体，难以按照标准矿块布置成典型的构造形式，一般根据具体情况划分矿块、设计矿块的结构，布置矿块，形成特定的、不规则的构造形式，该类构造形式称为其他构造形式。如透镜状矿体、背斜或向斜矿体的枢纽处、矿体端部尖灭处等，均无法采用规则的矿块结构和构造形式，仅能根据具体情况规划布置成近似锥形、圆弧等不规则的矿块结构及不规则的其他构造形式。可用于地下采矿充填的材料有尾砂、废石、水泥、粉煤灰等，地下充填形成的充填体也不全为统一指标的胶结体或散体。胶结体中可加钢筋，散体中也可添加一定量的胶结材料。在实际设计和生产中应选择成本低、易于充填、能满足支撑要求的充填材料，规划布置出适合具体条件的其他构造形式。

3 结 论

(1)充填采矿法矿块布置和构造属于采矿方法的研究范畴，将矿块的布置、排列方式及其对地下采矿空间的整体支撑体系作为矿块的构造进行分析研究，优化充填采矿法，是矿山设计和生产中的一项重要内容。

(2)充填采矿法矿块的构造形式可分为墙式、柱式、棋盘式、类均质、镶嵌式、组合式、叠拱和其他等多种形式，其中墙式、柱式、棋盘式、类均质、镶嵌式为基本构造形式。

(3)充填采矿法矿块在回采充填后构成地下采矿空间的结构体，选择适合矿山具体条件的构造形式，合理布置矿块，对于确保矿山地下采矿空间的安全稳定及安全高效生产具有重要意义。

[1] 蔡美峰．岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用[J]．金属矿山，2006(1)：28-33.

[2] 李 欣，李俊华．充填法采矿矿块结构参数优化设计[J]．金属矿山，2011(7)：39-42.

[3] 何哲祥，王 宁，谢长江．充填采矿法开采对地表河床影响的数值分析[J]．金属矿山，2000(3)：20-22.

[4] 陈 畅，谭卓英，陈首学，等．浅孔房柱嗣后充填采矿法AHP-Fuzzy参数优化[J]．金属矿山，2014(7)：32-36.

[5] 徐九华，谢玉玲，李建平，等．地质学[M]．3版．北京：冶金工业出版社，2001.

[6] 姜仁义．多中段多采场叠拱开采技术研究[J]．现代矿业，2013(11)：9-13.

2015-01-10)

姜仁义(1959—)，男，教授级高级工程师，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。