无底柱分段崩落法覆盖层形成方法研究现状及发展趋势*

谭宝会，李明润，梁 博，贾凯跃

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

无底柱分段崩落法是一种不留任何矿柱、可在矿体走向及延深方向均能实现连续开采的崩落采矿法，适用于地表允许塌陷、矿石稳固性较好、厚大急倾斜的矿床开采，该方法自20世纪50年代在瑞典出现并基本定型后，因其具有结构简单、机械化程度高、回采效率高、采矿成本低、安全性好以及灵活性高等诸多优点，在国内外大中型地下矿山得到了广泛应用[1-3]。对于一个新建的无底柱分段崩落法矿山，在正常分段崩落采矿之前必须先在采场上部形成一定厚度的散体覆盖层，从而为崩落法矿石的回采和回收创造良好的条件。无底柱分段崩落法的覆盖层既可以是崩落(或冒落)的顶板围岩，也可以是崩落(或冒落)的松散矿石，甚至还可以先期利用崩落或冒落的松散矿石作为临时覆盖层，随着顶板围岩的冒落，逐步回收作为临时覆盖层的矿石，覆盖层最终完全由崩落(或冒落)的废石取代。

选择科学、合理的方法形成质量合格的覆盖层，对于无底柱分段崩落法的采矿效果及采场安全至关重要。本文系统分析了无底柱分段崩落法覆盖层的作用机理，以及当前确定合理覆盖层厚度的常用方法，重点介绍了目前几种常用的覆盖层形成方法的工作原理、适用条件、优缺点及其应用现状，并指出了无底柱分段崩落法覆盖层形成方法的发展趋势和需要解决的关键技术问题。

1 覆盖层作用机理分析及其合理厚度确定方法

1.1 覆盖层作用机理分析

覆盖层的存在对于无底柱分段崩落法矿山而言具有多种作用，如及时释放地压、减小冒落冲击危害、改善爆破效果、降低矿石贫化等。具体的作用机理分析如下。

1)及时释放地压

无底柱分段崩落法在回采过程中会形成连续采空区，随着回采面积的不断增大，采空区顶板暴露面积也越来越大，在空区顶板未发生冒落时，顶板围岩及其周边工程所受的地压作用将越来越明显，一旦空区暴露面积达到顶板失稳极限，顶板将可能突发大规模冒落事故，容易在井下引发冒落冲击灾害。因此，及时崩落(或冒落)空区顶板形成覆盖层，可以使采场顶板及其周边地压得到释放，对维持井下工程稳定及采矿作业安全具有重要意义。

2)减小冒落冲击危害

随着崩落法回采面积及采深的不断增大，顶板围岩(或矿体)将发生自然冒落，散体覆盖层的存在可以缩减顶板冒落高差，从而减小顶板垮塌时的冒落势能；同时冒落顶板在冲击覆盖层散体时，可通过覆盖层散体的挤出、二次破碎、压实、压密等行为吸收和耗散冒落冲击能量；此外，覆盖层的存在阻断了回采进路与空区的连通，可以有效避免顶板冒落产生的冲击气浪涌入回采进路造成气流冲击危害。

3)改善爆破效果

覆盖层的存在对拟崩落炮排的正前方及上方起到了挤压限制作用，使爆破体更符合放出体的形态；同时还可防止矿石在崩落时直接以抛掷爆破的形式抛向采空区，与冒落的围岩发生矿岩混杂；此外矿石爆破时还可通过与覆盖层散体发生冲击、碰撞、挤压等作用使崩落的矿石块度更加均匀。

4)降低矿石贫化

在放矿过程中往往是块度较小的颗粒更容易穿过矿石颗粒缝隙提前到达出矿口，因此采用块度适宜的散体覆盖层作为隔离层，可以有效延缓冒落废石提前混入矿石，尤其是在上盘围岩十分破碎、易冒落成碎屑的情况下(如采场上方存在表土层等)覆盖层的作用更加明显。

5)保温及防漏风

无底柱分段崩落法回采进路常采用独头通风，覆盖层的存在可以对出矿口起到封闭作用，减少风量的损失，使采场通风排污效果更佳；同时在严寒地带或寒冷季节，覆盖层还犹如一道屏障隔断了井下采场与地表的连接，起到防止外部寒风侵入采场的作用。

6)阻滞雨水及地下水入渗

无底柱分段崩落法在开采过程中，随着顶板的冒落会在地表形成塌陷坑，从而对雨水起到汇聚作用并为其提供了涌入井下的通道；此外随着围岩的崩落也将会对地下水系产生破坏并使其向处于低位的采场方向汇聚，增大了井下发生涌水和泥石流事故的概率。覆盖层的存在可以在地表雨水及地下水向采场汇聚时对其起到阻滞和吸收作用，从而降低井下水患的发生概率。

1.2 覆盖层合理厚度确定方法

对于无底柱分段崩落法覆盖层合理厚度这一问题，《金属非金属矿山安全规程》中已明确要求：“回采工作面的上方，应有大于分段高度的覆盖岩层，以保证回采工作的安全；若上盘不能自行冒落或冒落的岩石量达不到所规定的厚度，应及时进行强制放顶，使覆盖岩层厚度达到分段高度的二倍左右”。

许多专家、学者及矿山技术人员从不同角度对覆盖层的合理厚度进行了探讨研究。王述红等[4]从采空区安全与矿石回采工艺两方面分析了覆盖层的合理厚度，结果表明，当采用低贫化放矿方式时，可取分段高度作为覆盖层的保有厚度；鲁宇等[5]通过放矿模拟实验和PFC2D数值计算软件研究了眼前山铁矿露天转地下过程中不同厚度覆盖层在地下采矿活动中的移动情况，最终在综合考虑覆盖层回填经济指标的情况下推荐在18 m的分段高度下采用35 m的覆盖层厚度较为合理；余正方[6]从阻滞雨水渗入井下的角度建立了覆盖层合理厚度的计算公式，并以此为依据计算出大红山铁矿在暴雨时要确保井下安全所需的覆盖层合理厚度为56 m；李海英[7]从预防冒落冲击气浪危害的角度，对海南铁矿挂帮矿回采覆盖层合理厚度进行了计算，结果表明，在出矿口上方留下厚度不小于3 m的覆盖层即可保障工作面不受采空区冒落冲击影响；张毅[8]从采场防漏风的角度研究了漏风量与覆盖层厚度的关系，随着覆盖层厚度的增加矿井漏风量逐渐减小，若要使漏风量接近于零，则理论上的覆盖层厚度至少为60 m；王平等[9]从实现低贫化放矿的角度研究了矿石覆盖层合理厚度的确定方法，本着放出体尽可能大、生产中维持矿石覆盖层厚度不变的原则，先按照一次最大出矿量计算放出椭球体高度，再由松动椭球体高度和合理覆盖层厚度之间的关系确定覆盖层厚度，并根据此思路确定程潮铁矿矿柱回收采场在分段高度17.5 m、进路间距15.0 m的结构下，覆盖层合理厚度为40 m，并通过室内放矿实验对其合理性进行了验证；崔志平[10]从防冲击地压能力角度对石宝铁矿露天转地下覆盖层合理厚度进行了研究，结果表明，在40 m的覆盖层厚度下冲击地压不会使矿石层发生破坏，能够保证地下生产的安全。

总体而言，目前的研究主要是从采矿安全、贫化控制、阻滞雨水入渗、防漏风、防冲击地压等角度入手来确定覆盖层的合理厚度，常用的研究手段有数值模拟、物理模拟、理论计算等。在实际应用中，建议在满足国家相关安全规程的基础上，结合矿山具体需求综合考虑确定覆盖层的合理厚度。

2 覆盖层形成方法种类及其应用现状

2.1 确定覆盖层形成方法需要遵循的原则

在选择覆盖层形成方法时，应综合考虑现场实际情况及矿山生产需求。一般来说，一个矿山在确定覆盖层的形成方法时，需要重点考虑以下几项原则。

1)方法的可靠性

这是指所选择的方法在实施后能够按预期目标(如面积、厚度、块度等)保质保量地形成覆盖层，即使因意外原因导致覆盖层未能按预期形成，也应该有二次补救的机会和措施，以确保最终形成目标覆盖层。

2)方法的安全性

这是指所选择的覆盖层形成方法在执行过程中能够确保各项施工作业的安全，覆盖层形成过程中不会对下部采场产生冲击地压、冲击气浪等危害，同时应配套制订各项安全管控措施，确保安全形成覆盖层。

3)方法的经济性

这是指所选择的覆盖层形成方法除了满足可靠性和安全性外，在经济上也应该是可行的，是矿山企业所能承受的。

4)满足矿山具体生产需求

这是指在选择覆盖层形成方法时除满足以上几项基本原则外，还应考虑矿山的实际需求，如计划在多长周期内形成覆盖层、覆盖层形成过程中是否有产量要求、对所形成的覆盖层是否有块度要求等。大多数矿山都希望所选择的方法能够在最短的时间内、以最低的成本形成覆盖层，同时最好还能够有一定的矿石产出，以满足矿山对产量的要求，此外也希望所形成的覆盖层散体块度保持在合理尺寸，以便于后期控制矿石贫化。

2.2 覆盖层形成方法种类及应用现状

目前矿山常用的覆盖层形成方法主要有先放顶后回采、集中放顶、边放顶边回采以及诱导冒落等，分别阐述如下。

1)先放顶后回采

采用该方法形成覆盖层时，在采矿前需要在顶板围岩中按照采场结构形式布置1～2个分段，再利用上向扇形中深孔像崩落矿石一样将顶板围岩崩落，同时在崩落过程中为了有足够的爆破补偿空间，往往需要运出一部分废石，最终利用留在采场内的崩落废石作为覆盖层。该方法形成覆盖层的采场结构如图1(a)所示，国内的符山铁矿等矿山在20世纪90年代就曾采用该方法形成覆盖层[11]。一般来说这种方法主要应用于上盘围岩较为坚硬稳固、尚处于基建期且需要形成较大规模覆盖层的矿山，利用这种方法形成覆盖层时其安全性和可靠性较高，但经济性较差，覆盖层都是通过穿孔爆破形成的，同时在形成覆盖层过程中为了确保有足够的爆破补偿空间，还需要将一部分崩落围岩运出，这就导致利用该方法形成覆盖层所需的周期较长、工程量较大、前期投资多，且在覆盖层形成过程中基本没有矿石产出，因此目前已经很少有矿山单纯地采用该方法形成覆盖层。

2)集中放顶

采用该方法形成覆盖层时，先正常回采第一分段的矿石，并将崩落的矿石运出，为顶板围岩的崩落提供足够的补偿空间。放顶工程一般根据空区的高度布置于空区两侧，在放顶巷道中向空区顶板围岩方向钻水平扇形中深孔，扇形孔的深度根据采空区的跨度确定，最后利用中深孔下压式爆破，将顶板围岩崩落形成覆盖层。该方法形成覆盖层的采场结构如图1(b)所示，下告铁矿等矿山曾采用该方法形成覆盖层[12]。该方法主要用于上盘围岩较为稳固的矿山，无论是对于新建矿山初始形成覆盖层还是为已经在生产的矿山后期补充覆盖层均可采用该方法；总体来说，该方法形成覆盖层的安全性较好，可靠性也较高，且不需要运出废石。不过该方法还是无法避免需要在顶板围岩中布置凿岩工程，因此依然存在工程量大、效率低、成本较高等弊端；同时，由于一次放顶的炮孔一般较长，容易发生堵孔、错孔，需要重新补孔。

3)边放顶边回采

采用该方法形成覆盖层时，需要在矿体顶板与矿岩交界处掘进一个回采分段作为放顶工程，在该分段中进路间距和崩矿步距可以适当大于正常采矿进路的间距，以减少工程量，采矿时正常进路和放顶进路同时退采，但为了采矿安全，放顶进路的退采速度要快于正常回采进路的退采速度，确保正常回采进路在覆盖层下爆破生产，在此过程中不需要将崩落的废石运出。该方法形成覆盖层的采场结构如图1(c)所示。近年来该方法出现了新的变种方法，即不需要在上盘围岩中布置凿岩巷道，而是直接将第一分段中深孔打入上盘围岩，在第一分段炮排在退采过程中同时将矿石和顶板围岩崩落，继而将矿石运出，废石留在采场作为覆盖层[13]。该方法主要用于上盘围岩中等稳固至稳固的矿山，利用该方法形成覆盖层的优点是可靠性高、安全性好、效率较高、不需运出废石，还能在形成覆盖层的同时有一定的矿石产出；缺点是依然需要在上盘围岩中布置工程将其强制崩落，增加了采矿成本。总体来说，该方法应用效果较好，近年来已有不少矿山采用该方法形成覆盖层。

4)诱导冒落

该方法是由东北大学任凤玉教授提出的一种新型采矿方法，在利用该方法形成覆盖层时，不需要在顶板围岩中布置专门的放顶工程，而是通过在围岩下方布置诱导工程，利用上向扇形中深孔崩落矿石形成连续采空区，借助地压作用使采空区顶板围岩自然冒落形成覆盖层，在此过程中不仅不需要崩落和运出废石，同时还可以在首采分段回采过程中放出一部分矿石，经济效益相对较好。该方法形成覆盖层的采场结构如图1(d)所示。小汪沟铁矿[14]、桦树沟铁矿[15]、黑山铁矿[16]、尖山铁矿[17]、龙首矿[18]等矿山均利用该方法成功形成了覆盖层。诱导冒落法主要适用于顶板围岩破碎至中等稳固的矿山，在诱导作用下顶板能够尽早冒落形成覆盖层，但如果矿体较为厚大或考虑采取辅助诱导措施，该方法也可以用于上盘围岩较为稳固的矿山。由于该方法几乎不需要在顶板围岩中布置工程，可以完全依靠地压作用使顶板围岩自然冒落形成覆盖层，因此具有工程量小、生产成本低、兼顾产能等优点。但在利用该方法形成覆盖层时，需做好采矿顺序规划及放矿管理，通过均匀扩展采空区及时诱导顶板围岩发生冒落、预留矿石垫层封闭出矿口，预防和减小冒落冲击危害。

此外，对于露天转地下的无底柱分段崩落法矿山，既可以考虑采用回填废石作为覆盖层，也可以考虑强制崩落边坡岩体或诱导边坡岩体滑落至坑底作为覆盖层[19]，同时还可以预留崩落矿石作为覆盖层。

综合来看，覆盖层的形成方法可以大体分为两类：一类是通过凿岩爆破崩落顶板围岩形成覆盖层的强制崩落方法，如先放顶后回采、集中放顶等方法，这类方法主要应用于顶板围岩较为稳固不易自然冒落的矿山，其优点是凿岩爆破的可靠性较高、覆盖层形成过程中的安全性也较好，在过去的几十年里，这一类方法在国内无底柱分段崩落法覆盖层形成中应用较为广泛；另一类是借助地压作用使顶板围岩自然垮塌冒落形成覆盖层的自然冒落方法，如诱导冒落法，这种方法主要适用于顶板围岩破碎至中等稳固的矿山，由于该方法不需要强制崩落围岩，经济性较好，同时也能兼顾矿山在覆盖层形成过程中对产能的需求，近年来受到越来越多矿山的关注。

(a)先放顶后回采

图1 目前常用的几种覆盖层形成方法

3 覆盖层形成方法发展趋势及关键技术问题

当利用先放顶后回采、集中放顶和边放顶边回采等强制崩落方法形成覆盖层时，均需要在顶板围岩中布置一定的工程，并利用炸药将围岩强制崩落以形成覆盖层，有时为了确保有足够的爆破补偿空间还需要将部分崩落的围岩运出，这也是这几种方法在形成覆盖层时始终无法彻底摆脱工序复杂、效率低、成本高等弊端的根本原因。而利用诱导冒落法形成覆盖层时，只需要通过诱导工程崩落矿石形成连续的采空区使顶板围岩失去支撑，借用地压使临空的顶板围岩发生破裂并自然冒落形成覆盖层，此时不仅不需要崩落围岩，还可以在形成覆盖层的过程中实现一定量的矿石产出，因而该方法具有生产成本低、效率高、工序简单等显著优点。经过十几年的发展，诱导冒落法已经初步形成了一套完整的理论体系，随着对岩体开裂冒落控制技术的逐渐掌握，该方法的适用范围也逐渐由最开始的破碎至中等稳固岩体发展至稳固岩体，同时也能够较好地对顶板围岩冒落灾害进行控制和预防。鉴于诱导冒落法所具有的一系列突出优点，其必将成为无底柱分段崩落法覆盖层形成的首选方法，但在此过程中仍有一些关键技术问题需要解决。

3.1 加强冒落机理及冒落形式的研究

当前研究认为，岩体之所以会发生冒落，是因为开挖采空区改变了岩体内的应力分布状态，空区顶板受拉应力作用，当拉应力超过顶板岩体拉伸破坏极限时，顶板岩体将发生开裂而形成拱形松动区[20-21]，岩体的冒落也主要发生在该区域；当顶板冒落发展至一定程度后，岩体内部应力达到平衡而形成新的稳定拱，冒落中止，随着空区面积的不断增大，应力平衡拱将被再次打破而使冒落继续向上发展，直至达到下一次的应力平衡；随着应力平衡拱周期性地向上发展，冒落范围也将逐渐增大，最终形成覆盖层。图2展示了顶板围岩拱形冒落机理及发展过程。

(a)形成稳定冒落拱 (b)扩展跨度冒落拱向上发展

事实上，根据现场工程实践来看，顶板围岩的冒落并不一定总是按照冒落拱的形式向上周期性发展，通常还会发生柱塞状整体冒落、沿破碎带的抽冒等不同形式的冒落[22]。显然，不同的冒落形式对应着不同的冒落机理，如不探明这些冒落形式的内在机理，就无法根据矿山实际情况制订完善的诱导冒落覆盖层形成方案。因此在后续研究中应重点加强地应力、岩体结构、地质构造、岩体强度、空区几何形状、空区面积、地下水渗流、爆破振动等因素对冒落机理及冒落形式的影响，这也是诱导冒落形成覆盖层方法发展的理论基础。

3.2 完善岩体可冒性评估方法

可冒性是用来评估顶板围岩冒落的难易程度和冒落效果的重要指标，可对诱导冒落形成覆盖层方案的可行性进行初级评估。目前主要采用数学类分级方法和岩体质量分级法对岩体可冒性进行评估。数学类分级方法是将各种影响矿岩可冒性的因素进行权重分析，将定性的参数转化为定量的参数，再根据各因素的参数值建立可冒性模型，但在实际生产中很难完全准确地获得这些因素的参数值[24]；岩体质量分级法是将可冒性级别与岩体质量相对应，实现对矿岩可冒性的合理分级和评价，主要有RQD、RMR、MRMR等评价方法，其中MRMR法综合考虑了RQD值、完整岩石强度、节理间距、节理条件以及地下水状况五个参数，对岩体质量及其可冒性的评价结果比较符合实际，目前在国内外应用较广[25-26]。

但是这些评价方法忽略了工程因素及管理因素对可冒性的影响，如空区扩展顺序、空区几何形状、割帮预裂、出矿方式等因素也会对岩体的可冒性产生至关重要的影响。因此在后续研究中应将工程因素和管理因素纳入可冒性评价体系，以使其更加完善。

3.3 开发更多的诱导破岩方式

一般来说，当顶板围岩不稳固时更适合采用诱导冒落法来形成覆盖层，而对于稳固岩体采用诱导冒落法形成覆盖层时则需要更大的拉底面积以及更长的冒落时间。然而矿山往往总是希望能够尽快形成质量达标的覆盖层，以使采场尽快投入生产，此时就需要考虑采取一些辅助诱导措施(见图3)来加快顶板围岩的冒落进程。按照诱导力的来源不同，可将辅助诱导措施分为两大类：第一类是通过调控地压分布来实现对岩体冒落的控制，也可以称之为“内力诱导”，如在图3(a)中，先通过回采矿块2和矿块4使地压转移至矿块3之上，随着矿块2和矿块4的开采面积不断增大，矿块3及其上部围岩所承受的地压也将越来越大，从而使矿块3上方岩体长期处于高应力状态而被充分破碎，后期对矿块3进行回采后便可获得较大规模的冒落；第二类是外力诱导措施，即对于常规诱导法无法及时实现顶板冒落形成覆盖层的岩体可借助外力或外部工程加速其冒落，如图3(b)、图3(c)所示的预裂爆破技术、水压致裂技术[27-28]。

(a)通过调控地压提升冒落效果的采场布置形式

总之，开发出更多便捷、低成本的诱导破岩方式，提高顶板围岩的冒落效率和可控性，无疑会极大限度地拓展诱导冒落形成覆盖层方法的应用范围，这是诱导冒落法后期需要重点解决的关键技术问题之一。

3.4 加强冒落进程监测方法的研究

实现对顶板围岩冒落发展进程的掌控，不仅对井下作业和地表建筑安全防控有巨大帮助，还能据此判断覆盖层是否已经按预期成功形成。对顶板围岩冒落进程监测的手段主要有监测巷道、监测孔等[29]，即在待冒落区上方施工巷道或钻孔，通过这些巷道或钻孔来观察顶板冒落发展到何种高度，虽然这种方法较为直观，但具有一定的危险性和滞后性。近年来，微地震技术的快速发展给顶板冒落进程的监测提供了一条更为便捷的途径，可以通过在井下布设微地震信号接收传感器，实时对顶板岩体开裂事件进行收集监测，进而分析顶板冒落发展进程[30]。此外，也可以辅以采场地压监测、地表沉降监测等手段，进行顶板围岩冒落发展进程信息的全面、准确收集。

未来，研发更加简便、更加精确、成本更低的监测技术实现对顶板围岩冒落的实时监测和准确预测，对于诱导冒落法的发展具有重要意义。

4 结论

a.覆盖层对于无底柱分段崩落法的作用主要体现在及时释放地压、减小冒落冲击危害、改善爆破效果、降低矿石贫化等方面，矿山在确定覆盖层厚度时除了要满足国家相关安全规程的要求外，还应综合考虑具体需求(如贫化控制、阻滞雨水入渗、防漏风、防冲击地压等)。

b.根据破岩能量来源不同，当前常用的覆盖层形成方法主要分为两类：一类是依靠钻孔爆破的强制崩落法，如放顶后回采、集中放顶、边放顶边回采等方法，这类方法的可靠性和安全性较高，但存在工序复杂、效率低、成本高等弊端；另一类是借助地压作用使顶板围岩自然冒落的方法，如诱导冒落法，这类方法具有生产成本低、效率高、工序简单等显著优点，而且在覆盖层形成过程中还能有一定的矿石产出，相信随着诱导冒落法的不断成熟和完善，这种方法将会成为无底柱分段崩落法形成覆盖层的首选方法。

c.未来，对于诱导冒落法应加强冒落机理及冒落形式的研究，进一步完善岩体可冒性评估方法，研发更多的诱导破岩方式，同时加强冒落进程监测方法的研究，进一步提升此方法的适用性、可靠性、安全性及工作效率。