充填采礦法的礦塊布置與構造形式

姜仁義

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

充填采礦法的礦塊布置與構造形式

姜仁義

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

分析了充填采礦法的開采工藝和地下采礦空間結構，將礦塊的布置、排列方式及其對地下采礦空間的整體支撐體系作為礦塊的構造進行分析，初步討論了墻式、柱式、棋盤式、類均質、鑲嵌式、組合式、疊拱和其他類型的礦塊構造形式，并對其礦塊的布置、特征及適用條件進行了探討。結果表明，不同的構造形式適用于不同的礦山條件和開采工藝，礦山在設計和生產(chǎn)過程中應根據(jù)具體的條件和開采工藝選擇適當?shù)臉嬙煨问剑_保地下采礦空間結構的安全穩(wěn)定，提高礦山的經(jīng)濟效益。

充填采礦法 地下采礦空間 礦塊構造

在地下充填采礦法的設計、生產(chǎn)和研究中，通常將重點放在礦塊結構、開采工藝和充填工藝上[1-3]，事實上，礦塊的布置、排列方式及其對地下采礦空間的支撐也屬于采礦方法的重要內容。為此，在地下充填采礦法中引入礦塊構造的概念，將礦塊的布置、排列方式及其對地下采礦空間的支撐作為礦塊的構造進行研究，對不同的構造形式進行分析，以便于在礦山設計和生產(chǎn)中，能夠根據(jù)礦山的具體條件選擇適當?shù)臉嬙煨问?，確保礦山安全高效生產(chǎn)。

1 礦塊的結構和構造

充填采礦法礦塊的結構主要指礦塊的空間結構，包括幾何尺寸大小、形狀及回采工程布置等，如礦塊的長度、寬度、中段高度、分段高度等[4]。一直以來，對充填采礦法中礦塊結構的研究、選擇和設計大都側重于單個礦塊，更多考慮的是單個礦塊的支撐、自身穩(wěn)定和回采等問題，礦塊的布置、排列方式等確保地下采礦空間整體安全穩(wěn)定、生產(chǎn)協(xié)調等問題則主要在礦山巖石力學和回采順序中進行研究。將充填采礦法礦塊按一定方式排列組成的地下采礦空間的支撐體系稱為礦塊的構造，其延伸意義包括對礦塊結構形式的選擇和對地下采礦空間結構的建造。如此，礦塊結構主要研究單個礦塊，礦塊構造則主要研究礦塊的布置、排列方式等。礦塊結構、構造及地下采礦空間的結構關系見圖1。

圖1 礦塊的結構、構造和地下采礦空間的結構

建筑學中的結構指梁、板、柱、墻體等構件組成的承受荷載(或“作用”)的骨架體系，其中的梁、板、柱、墻體等構件與礦塊及其結構相似；建筑構造研究建筑結構中構件或配件的組成、構造原理和構造方法，主要是建造的概念，這與礦塊構造研究中包含著礦塊的排列方式及其對地下采礦空間的支撐是有所區(qū)別的。

在地質學中，巖石的結構指巖石中礦物的結晶程度、顆粒大小和形狀，僅限于個體；巖石的構造則指巖石組成部分之間的排列方式及充填方式，包括總體[5]。巖石結構、構造的研究范圍劃分與充填采礦法中礦塊的結構、構造基本一致。

2 礦塊的構造形式

2.1 墻式構造

墻式構造是矩形結構、梯形結構或其他近似墻體結構的礦塊按一定的方式排列組成的構造形式。墻式構造中起主要支撐作用是膠結充填結構的礦塊，即一般充填采礦法中的一步采礦塊。為了確保安全，在“三下”開采及其他需要保持圍巖穩(wěn)定的情況下，在采礦空間內也預留強度高、穩(wěn)固性好的連續(xù)礦體作為永久性礦石礦柱支撐圍巖，形成由礦石礦柱組成的墻式構造。單中段開采的墻式構造與建筑結構中的排架結構相似，當多中段開采時，中段間可留礦石礦柱或充填強度較高的膠結體，其整體構造形式類似于房屋建筑中的剪力墻結構，支撐地下采礦空間；當中段間連續(xù)回采，不留礦柱或不充填強度較高的膠結充填體時，上下中段間承重的礦塊應當相對應。墻式構造的承重結構具有方向性，其承重方向應與地下巖體的主應力方向一致。

承重礦塊在垂直于承重方向平面內的投影面積越大、強度越高，其承重能力便越大，采礦空間的穩(wěn)定性則越好。因此，可采用承重礦塊在垂直于承重方向平面內的總投影面積與采礦空間在該平面內的總投影面積之比(下稱承重比)作為礦塊構造的指標，以評價該構造形式對采礦空間的支撐能力。安徽李樓鐵礦、周油坊鐵礦地表為農(nóng)田和村莊，一步采膠結承重礦塊與二步采尾砂充填礦塊結構相同，垂直于礦體走向布置，墻式構造，目前開采范圍內地下主應力與重力方向一致，承重比為50%；內蒙古黃崗鐵礦、書記溝鐵礦地表為古河道、戈壁、草地等，沒有村莊等建(構)筑物，礦塊垂直于礦體走向布置，一步采膠結承重礦塊與二步采尾砂充填礦塊采用“一小二大”的結構，墻式構造，開采范圍內地下主應力與重力方向一致，一步采膠結承重礦塊與二步采尾砂充填礦塊的寬度分別為12，18，15，20 m，承重比分別為40%和42.86%；司家營田興鐵礦上部有第四系強含水層，地表為農(nóng)田、村莊，改進后盤區(qū)內礦塊的平面布置及構造見圖2。

圖2 司家營田興鐵礦標準盤區(qū)礦塊布置及構造示意

由圖2可知，除了膠結充填的一步采礦塊外，盤區(qū)間、礦塊間還布置了礦石間柱，按承重面積計算出的總承重比為58.03%，其中礦石間柱的承重比為12.80%，一步采膠結充填礦塊的承重比為45.23%。標準盤區(qū)承重比的計算結果見表1。

表1 司家營田興鐵礦標準盤區(qū)礦塊承重比

除了承重、支撐圍巖外，墻式構造中的一步采礦塊還具有隔離作用，將礦體、盤區(qū)分割成不同的礦塊、回采區(qū)段，采用“隔一采一”、“隔三采一”或其他方式進行開采，增加了回采作業(yè)面，開采強度較大。墻式構造中，膠結充填的比例即膠結比通常略大于承重比，主要是為了確保礦塊底部封堵工程、底部礦石的回采及頂部設備的安全作業(yè)，二步采礦塊(尾砂充填)頂、底部也采用膠結充填。在李樓鐵礦設計中，二步采礦塊底部6 m、頂部1 m均采用膠結充填，因此，該鐵礦承重比為50%，膠結比為53.5%。膠結比越大，充填成本就越高，在確保安全的前提下，應盡可能降低膠結比。在司家營田興鐵礦、李樓鐵礦、周油坊鐵礦、冬瓜山銅礦、黃崗鐵礦等大中型地下金屬礦山的厚大礦體開采過程中均采用墻式構造。墻式構造的礦塊結構屬大型塊狀結構，有利于采用大型采掘設備開采，生產(chǎn)能力較大。

2.2 柱式構造

采用柱形結構的礦石礦柱、人工礦柱支撐圍巖，確保地下采礦空間安全穩(wěn)定的構造形式可劃為柱式構造。典型的柱式構造有點柱充填采礦法、房柱采礦嗣后充填采礦法等。礦石價值不高或礦體中有柱狀巖石時，采用原始的礦巖作為柱體支撐頂板圍巖，生產(chǎn)成本較低。采用大型柱式結構礦塊的礦山，膠結充填的一步采礦塊與尾砂充填的二步采礦塊間隔布置，一步采礦塊支撐圍巖，屬于柱式構造。原巖水平應力明顯時，可采用柱式構造，靈活布置，以減輕原巖應力對整體構造的影響。采用柱式構造多中段開采時，中段間可留礦石礦柱或充填強度較高的膠結充填體，整體形成框架式結構；當中段間連續(xù)回采，不留礦柱或不充填強度較高的膠結充填體時，上下中段間承重的礦塊應當相對應。柱式構造的承重比、膠結比與墻式構造相似，承重比越大、膠結比則越大，地下采礦空間的整體結構就越穩(wěn)定，但生產(chǎn)成本也相應增加。

2.3 棋盤式構造

膠結充填的一步采柱式結構、矩形結構礦塊按棋盤格式布置，尾砂充填的二步采礦塊布置于棋盤格式中的方格內，便形成了棋盤式構造見圖3。

圖3 棋盤格式構造示意

圖3中，膠結充填的一步采礦塊寬為a，尾砂充填的二步采礦塊為正方形，寬為b，設b與a的比值為k，則b=ka。膠結充填礦塊組成的棋盤格起主要支撐作用，其承重比λ為

當k=2時，λ為55.56%；當k=1時，λ為75%，承重比較高，相應的膠結比也較高。棋盤式構造整體類似于剪力墻結構，整體穩(wěn)定性較好，因其承重比、膠結比較高，因而充填成本也較高。

2.4 類均質構造

在某一區(qū)域內，一步采礦塊、二步采礦塊均采用同一種材料充填的構造可以劃為類均質構造。雖然充填體一般都屬多相非均質體，但同一種充填材料形成的充填體宏觀力學性質相似，可以采用同一力學參數(shù)進行分析評價。“三下”開采時，為了保護地表，一、二步采礦塊均采用膠結充填即全膠結充填的構造形式屬全膠結類均質構造；上向連續(xù)回采及小礦體、單礦塊采用全尾砂充填的構造屬全尾砂類均質構造；一、二步采礦塊交替上向回采，分別采用膠結與尾砂交替充填區(qū)段的構造也屬于類均質構造，整體上屬散體結構。全膠結類均質構造承重比為100%，承重能力大，在地表需要保護、回收礦柱、下行式回采時應用較多。

2.5 鑲嵌式構造

鑲嵌式構造或稱拼板式、積木式構造，是矩形、菱形、六角形、“凸”形等結構礦塊相互拼接、鑲嵌在一起而形成的構造形式，鑲嵌式構造一般不留礦柱。典型的鑲嵌式構造之一是由六角形結構礦塊拼接而成的，回采進路拼接、鑲嵌成一個整體見圖4。

圖4 六角形礦塊鑲嵌式構造

圖4中，下向開采全膠結充填同時具有類均質構造特征，在金川鎳礦礦體穩(wěn)固性較差的條件下，取得了較好的效果；上向開采膠結、尾砂間隔充填鑲嵌式構造可在礦巖條件中等穩(wěn)固或穩(wěn)固性稍差的條件下使用；3/4膠結、1/4尾砂充填的鑲嵌式構造與棋盤式構造相似，上向開采、下向開采均可采用。下向采深較大時，整體構造的支撐力與穩(wěn)固性劣于下向開采全膠結充填構造。

2.6 組合式構造

在礦山開采范圍內，根據(jù)不同的開采技術條件，采用墻式、柱式、棋盤式、類均質、鑲嵌式等基本構造中2種以上的構造形式屬組合式構造，也可稱為混合式構造。由于開采范圍內不同礦體甚至同一礦體不同部位的產(chǎn)狀、厚度、物理力學性質、地表等開采技術條件不盡相同，其構造形式也有所差異。因此，相當一部分礦山的構造形式為組合式構造，如中關鐵礦中厚以上礦體均為傾斜或急傾斜礦體，傾角較陡，設計采用階段空場嗣后充填采礦法或分段空場嗣后充填采礦法，采用矩形的塊狀結構，膠結充填的一步采礦塊與尾砂充填的二步采礦塊垂直于礦體走向間隔布置，膠結充填礦塊承重，屬墻式構造；中厚以下的Ⅰ-1#、Ⅰ-2#礦體西部區(qū)段和Ⅴ#礦體為緩傾斜或水平礦體，礦體厚度小，設計采用房柱采礦嗣后充填采礦法，采用礦石礦柱承重，屬柱式構造。組合式構造的承重比、膠結比可根據(jù)其基本構造形式的承重比、膠結比進行加權平均估算得到。

2.7 疊拱構造

疊拱構造是多個相鄰中段或區(qū)段的多個礦塊(采場)相互錯疊呈近似拱形的構造形式[6]。通過對礦塊的回采、采切進行統(tǒng)籌規(guī)劃布置，使得疊拱構造中的大部分采場、采掘作業(yè)面處于免壓拱之內，充分發(fā)揮礦巖、充填體自身的成拱、支撐作用，有利于采場、采掘作業(yè)面的安全穩(wěn)定，減少支護量，改善作業(yè)環(huán)境。疊拱構造是一種動態(tài)的構造形式，是在開采過程中形成的，礦山開采結束后，最終的構造形式仍會受到開采范圍內礦體形態(tài)的限制，是上述墻式、柱式、棋盤式、類均質、鑲嵌式等構造形式或其組合形成的構造形式。

2.8 其他構造

對于不規(guī)則礦體，難以按照標準礦塊布置成典型的構造形式，一般根據(jù)具體情況劃分礦塊、設計礦塊的結構，布置礦塊，形成特定的、不規(guī)則的構造形式，該類構造形式稱為其他構造形式。如透鏡狀礦體、背斜或向斜礦體的樞紐處、礦體端部尖滅處等，均無法采用規(guī)則的礦塊結構和構造形式，僅能根據(jù)具體情況規(guī)劃布置成近似錐形、圓弧等不規(guī)則的礦塊結構及不規(guī)則的其他構造形式。可用于地下采礦充填的材料有尾砂、廢石、水泥、粉煤灰等，地下充填形成的充填體也不全為統(tǒng)一指標的膠結體或散體。膠結體中可加鋼筋，散體中也可添加一定量的膠結材料。在實際設計和生產(chǎn)中應選擇成本低、易于充填、能滿足支撐要求的充填材料，規(guī)劃布置出適合具體條件的其他構造形式。

3 結 論

(1)充填采礦法礦塊布置和構造屬于采礦方法的研究范疇，將礦塊的布置、排列方式及其對地下采礦空間的整體支撐體系作為礦塊的構造進行分析研究，優(yōu)化充填采礦法，是礦山設計和生產(chǎn)中的一項重要內容。

(2)充填采礦法礦塊的構造形式可分為墻式、柱式、棋盤式、類均質、鑲嵌式、組合式、疊拱和其他等多種形式，其中墻式、柱式、棋盤式、類均質、鑲嵌式為基本構造形式。

(3)充填采礦法礦塊在回采充填后構成地下采礦空間的結構體，選擇適合礦山具體條件的構造形式，合理布置礦塊，對于確保礦山地下采礦空間的安全穩(wěn)定及安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

[1] 蔡美峰．巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用[J]．金屬礦山，2006(1)：28-33.

[2] 李 欣，李俊華．充填法采礦礦塊結構參數(shù)優(yōu)化設計[J]．金屬礦山，2011(7)：39-42.

[3] 何哲祥，王 寧，謝長江．充填采礦法開采對地表河床影響的數(shù)值分析[J]．金屬礦山，2000(3)：20-22.

[4] 陳 暢，譚卓英，陳首學，等．淺孔房柱嗣后充填采礦法AHP-Fuzzy參數(shù)優(yōu)化[J]．金屬礦山，2014(7)：32-36.

[5] 徐九華，謝玉玲，李建平，等．地質學[M]．3版．北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[6] 姜仁義．多中段多采場疊拱開采技術研究[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2013(11)：9-13.

2015-01-10)

姜仁義(1959—)，男，教授級高級工程師，066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)龍海道71號。