點柱式上向水平分層充填法充填采場穩(wěn)定性研究

孫 杰，任海鋒

（1．招金礦業(yè)股份有限公司，山東招遠265414；2．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；3．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083）

點柱式上向水平分層充填法充填采場穩(wěn)定性研究

孫 杰1，任海鋒2，3

（1．招金礦業(yè)股份有限公司，山東招遠265414；2．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；3．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083）

為了確保大尹格莊金礦采場安全，提高資源回收率，對－380、－496、－556、－616水平一些采場礦柱進行調(diào)查，總結(jié)發(fā)現(xiàn)礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制，呈現(xiàn)不同的破壞模式，大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面、節(jié)理組與礦柱斜交、節(jié)理面平行于頂板；建立了礦柱寬度、礦房頂板跨度及礦體開采深度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式，分析得到礦柱寬度對礦柱安全系數(shù)的影響作用最大，其次為礦體開采深度，最后為礦房頂板跨度；對目標采場礦柱進行穩(wěn)定性評價，得到各礦柱的安全系數(shù)，圈定出了不穩(wěn)定礦柱；最后對－616水平頂板極限跨度及礦柱尺寸進行計算得到頂板極限跨度為8．2m，礦柱寬度應(yīng)大于4．1m。

礦柱；穩(wěn)定性；破壞模式；安全系數(shù)

隨著我國地下采礦技術(shù)的快速發(fā)展，深部采礦已是不可避免的發(fā)展趨勢，但是隨著開掘深度逐漸增加，地壓等問題逐漸凸顯，直接威脅到采場的穩(wěn)定性。采場的穩(wěn)定性取決于頂柱和礦柱的穩(wěn)定［1－4］，其是采場的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體。礦山地下回采后，隨著采空區(qū)的不斷擴大，礦巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力的重新分布隨著地下采場結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生，當應(yīng)力達到了巖體本身的極限臨界強度時，巖體便會發(fā)生破壞。由于開采深度的增加，作用在礦柱上的地應(yīng)力也隨之增大，造成礦柱發(fā)生不同程度的破壞。采場頂板巖體與礦柱的穩(wěn)定性對上向點柱式開采采場的穩(wěn)定性至關(guān)重要［5－8］，因此，對采場關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體進行穩(wěn)定性理論分析，正確選取合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于采場的安全性和礦山效益具有著重要的意

義［9－11］。

1 工程背景

大尹格莊金礦2＃礦體為該礦主要礦體。由于地面膠結(jié)系統(tǒng)未及時形成，該礦仍沿用最初的上向水平點柱式非膠結(jié)充填采礦方法，其回采步驟如圖1所示。

圖1 回采步驟示意圖Fig．1 Diagram of mining steps

但此類采礦方法對采場圍巖穩(wěn)定性要求較高，采用點柱式護頂，容易形成采場整體性失衡；并且隨著開采深度的加深，采場地壓加大以及上盤斷層帶的影響擴大，使各采場的安全形式日益嚴峻；為了確保大尹格莊金礦采場安全，極大地回收礦山資源，有必要對采場的穩(wěn)定性進行分析。

2 采場地壓顯現(xiàn)特性調(diào)查

為保證礦山下一步生產(chǎn)安全進行，對－380四、六分段，－496五分段、－556一分段、二分段以及－616一分段、二分段各采場等進行實地考察，并對采場礦柱所處形態(tài)進行素描，總結(jié)其破壞模式及破壞規(guī)律。以－616一分段85線為例，其礦柱素描圖以及礦柱形態(tài)描述見圖2所示。

圖2 －616水平85線礦柱形態(tài)Fig．2 Pillar forms of line 85at the－616level

由圖2可以看出，－616水平85線節(jié)理發(fā)育完全，這也是礦柱發(fā)生破壞的主要原因，并且多數(shù)礦柱已破壞失效。6＃礦柱寬度已嚴重不足4m，呈倒錐形且破壞嚴重，3＃、4＃、5＃、6＃礦柱跨度過大，以致5＃、6＃礦柱應(yīng)力集中過大，使礦柱破壞嚴重。某些礦柱雖然沒有明顯破壞，但是礦柱表面節(jié)理發(fā)育，容易受到爆破或其它工程擾動發(fā)生失穩(wěn)破壞，例如1＃礦柱。由于不同區(qū)域的礦巖地質(zhì)條件和受力狀態(tài)不同，因而礦柱的破壞形狀也不相同，礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制，所呈現(xiàn)的礦柱破壞模式大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面（如假1號礦柱）、節(jié)理組與礦柱斜交（如5＃、7＃、1＃等礦柱）、節(jié)理面平行于頂板（如3＃礦柱）。對于完整性較好的礦柱，即受地質(zhì)構(gòu)造影響較小的礦柱，其穩(wěn)定性主要取決于本身受力狀態(tài)以及內(nèi)部裂隙發(fā)育狀態(tài)。

綜合各個采場調(diào)查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年的無序開采，井下采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，預(yù)留的礦柱形狀多種多樣，尺寸大小不一，雖然井下并未出現(xiàn)大面積的地壓活動，但在局部時常出現(xiàn)頂板巖層冒落、礦柱開裂或片幫等現(xiàn)象，尤其靠近上盤斷層附近的采場，頂板較破碎，即使采取了錨索支護，常發(fā)生楔形礦體滑落，因此急需對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，提高回收率的同時避免發(fā)生較大的安全事故。

3 礦柱穩(wěn)定性分析

利用該礦現(xiàn)行采礦方法回采礦體時，地應(yīng)力受擾動后會轉(zhuǎn)移到預(yù)留礦柱上。所以，進行礦柱穩(wěn)定性分析主要從礦柱載荷、承載強度、礦房與礦柱尺寸（高度與寬度）等方面進行。

3．1 礦柱穩(wěn)定性影響因素

影響礦柱穩(wěn)定性的因素較多，在進行礦柱穩(wěn)定性分析計算時所考慮的影響因素主要有：1）礦柱受載荷大小；2）礦柱的高寬比；3）礦房尺寸與礦柱尺寸；4）構(gòu)造因素；5）礦柱自身強度，主要決定于其單軸抗壓和抗剪強度，即巖體本身的c、φ值；6）礦體開采深度；7）上覆巖層容重；8）其它因素，如爆破動載、開采強度等對于采場穩(wěn)定性影響也較為顯著。

3．2 礦柱荷載分析研究

對礦柱穩(wěn)定性進行研究，確定礦柱所承受荷載是礦柱穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵之一。國內(nèi)外學者針對礦柱載荷分析提出了許多假設(shè)和分析，包括壓力拱理論、Wilson理論及面積承載理論等［12］。本文采用應(yīng)用范圍較廣泛的面積承載理論進行礦柱荷載的分析研究。礦柱截面積承載理論的實質(zhì)就是礦柱所承受的荷載是其所支撐的頂柱范圍內(nèi)直通地表的上覆巖層的重量與礦柱本身重量之和。根據(jù)大尹格莊金礦采場現(xiàn)狀，采場回采完畢后，礦柱基本為方形點柱，則其荷載公式為：

式中：σp—礦柱荷載；γ—上覆巖層容重；H—礦體開采深度；Wo—頂板跨度；Wp—礦柱寬度。

3．3 礦柱承載強度

礦柱穩(wěn)定性分析中必須面對兩個十分重要的問題，即尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)。巖石力學試驗告訴我們，試件的尺寸越大，其各項強度指標就越低，一些學者結(jié)合理論分析提出了10余種礦柱強度計算公式，然而每個礦柱計算公式都是在特定的條件下得出的?？紤]到大尹格莊金礦圍巖和礦體性質(zhì)，這里選擇適用于硬巖的Sjoberg公式作為礦柱強度的計算公式。

式中：w—礦柱寬度；h—礦柱高度。

3．4 礦柱安全系數(shù)

安全系數(shù)的選取直接關(guān)系到礦柱載荷與礦柱承載強度公式的選取，不同的礦柱強度公式、不同的開采方法以及不同的地表情況，對礦柱安全系數(shù)的要求可能不同。根據(jù)礦山現(xiàn)階段實際采礦條件，每個循環(huán)向上開采的高度相對穩(wěn)定，可認為采場中礦柱的高度為一定值，根據(jù)以上所述礦柱載荷與礦柱承載強度可建立礦柱寬度、頂板跨度及采場埋深與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式：

對于同一分段的同一采場，采場埋深可視為恒定，以－496m水平采場為例，將礦柱高度與開采深度賦以定值后可得到采場頂板跨度、礦柱尺寸與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系圖，如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著礦柱寬度的增加，礦柱安全系數(shù)明顯加大；隨著頂板跨度的增大，礦柱安全系數(shù)逐漸降低，但趨勢較礦柱安全系數(shù)隨礦柱寬度的變化平緩。因此可以得到礦柱寬度對礦柱安全系數(shù)的影響作用更大。當?shù)V柱的寬度小于4m時，礦柱安全系數(shù)均小于1，反映了礦柱寬度小于4m時采場穩(wěn)定性極差，因此在礦柱尺寸設(shè)計時，礦柱寬度不宜小于4m。同時隨著礦房跨度的增大，需要預(yù)留更寬的礦柱以保證礦柱安全系數(shù)大于1，如此會造成礦石回收率大幅度下降，因此在進行礦房參數(shù)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮選擇合適的礦房跨度。

圖3 采場參數(shù)與安全系數(shù)關(guān)系圖Fig．3 The relationship between the stope parameters and safety factor

若規(guī)定礦柱寬度為一確定值，則可以得到頂板跨度、礦體開采深度與礦柱安全系數(shù)關(guān)系趨勢面，由于篇幅原因，這里不再列出。分析可知：礦體開采深度對礦柱安全系數(shù)的影響作用明顯大于頂板跨度對礦柱安全系數(shù)的影響，說明礦柱安全系數(shù)對礦體開采深度更加敏感。

綜合以上分析可以得到：礦柱安全系數(shù)對礦柱寬度最敏感，其次為礦體開采深度，最后為頂板跨度。

3．5 礦柱穩(wěn)定性評價

以－496水平為例，對該分段各采場礦柱進行調(diào)查，利用上述礦柱安全系數(shù)與礦柱寬度、頂板跨度關(guān)系計算其安全系數(shù)，計算結(jié)果見表1。

表1 礦柱穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 1 The calculation results of pillars stability

由表1計算結(jié)果可知，1＃礦柱、3＃、5＃、6＃礦柱安全系數(shù)接近或超過1．5，屬于穩(wěn)定礦柱，不易受到外界條件擾動而發(fā)生破壞失穩(wěn)。4＃、10＃、12＃礦柱安全系數(shù)雖然越過1，但安全系數(shù)較低，屬于較穩(wěn)固礦柱，然而在爆破振動等條件下，礦柱穩(wěn)固性會變差，容易發(fā)生破壞失穩(wěn)。

8＃、9＃礦柱安全系數(shù)較低，均未超過1，由于在礦柱邊緣處應(yīng)力集中較大，同時受到爆破振動的影響，礦柱邊緣極易發(fā)生破裂，失去承載能力，進而影響礦柱內(nèi)部，直到使礦柱核部失去承載能力，采場失穩(wěn)。若一個礦柱發(fā)生破壞，容易造成相鄰礦承載應(yīng)力加重，引起礦柱破壞連鎖反應(yīng)。2＃礦柱、7＃礦柱、11＃號礦柱安全系數(shù)均小于1，因此其情況與8＃、9＃兩個礦柱安全形勢相似，需對礦柱不穩(wěn)定區(qū)域加強支護以保證其安全性。

利用同樣的方法可以對調(diào)查區(qū)域內(nèi)其他礦柱進行穩(wěn)定性評價，圈定不穩(wěn)定礦柱，對井下采礦作業(yè)具有重要的意義。

4 頂板極限跨度與礦柱尺寸設(shè)計

4．1 基于拉應(yīng)力條件求解極限跨度

目前大尹格莊金礦傾角為20°～40°，開采深度遠遠大于開采跨度3倍以上，根據(jù)力學試驗可知，礦房頂板中心部位的拉應(yīng)力最大，只有當跨度很小的時候，頂板才處于壓應(yīng)力。隨著跨度的增加，拉應(yīng)力增大，并且拉應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)有關(guān)，隨著側(cè)壓系數(shù)的加大而變小。頂板中心的拉應(yīng)力經(jīng)驗公式為：

式中：H—采場距地表高度；γ—巖石容重；λ—側(cè)壓系數(shù)；a—礦房跨度。

將上式中的拉應(yīng)力換為許用拉應(yīng)力值［σt］，可得到計算礦房極限跨度的公式。

目前礦山開采已開采至－616水平，根據(jù)上述經(jīng)驗公式可以計算得到大尹格莊金礦－616水平極限跨度為8．2m。

4．2 礦柱尺寸設(shè)計

礦柱計算中一般不考慮礦柱自重，只有當?shù)V柱很高時才考慮其自重。保證礦柱強度所必需的截面積，可按許用承載強度計算：

式中：S—礦柱支撐面積；γ—覆巖容重；H—采場距地表深度；k—載荷系數(shù)；kf—礦柱的形狀系數(shù)；s—礦柱橫截面積；σ0—礦柱礦石單向抗壓強度；n—安全系數(shù)。

針對大尹格莊金礦－616水平，根據(jù)上述公式，取kf＝1．2，側(cè)壓系數(shù)λ取0．75，k取0．6，安全系數(shù)n取2，可以得到礦柱寬度應(yīng)滿足的條件為a≥4．1m。

根據(jù)以上理論計算得到了礦柱及頂板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是這是基于單跨進行的計算，對于多跨開采，應(yīng)力分布是非常復(fù)雜的，一般的理論計算無法完成，因此需要采用數(shù)值模擬或其它方法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

1）隨著開采深度增加，礦柱的破壞逐漸加劇，造成礦柱破壞的主要因素是深部礦體發(fā)育節(jié)理以及高地壓。

2）礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制所呈現(xiàn)的破壞模式大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面、節(jié)理組與礦柱斜交、節(jié)理面平行于頂板。

3）建立了礦柱寬度、礦房頂板跨度及礦體開采深度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式，通過分析礦柱寬度對礦柱安全系數(shù)的影響作用最大，其次為礦體開采深度，最后為礦房頂板跨度。

4）對各采場礦柱進行了穩(wěn)定性評價，圈定出了不穩(wěn)定礦柱，對于安全系數(shù)小于1的礦柱，需加強該處的支護強度，保證采礦作業(yè)的安全性。

5）通過理論計算得到大尹各莊金礦－616水平頂板極限跨度為8．2m，礦柱寬度應(yīng)大于4．1m。

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Study on filling stope stability of upward horizontal slicing filling method with point pillars

SUN Jie1，REN Haifeng2，3
（1．Zhaojin Mining Industry Co．，Ltd．，Zhaoyuan Shandong 265414，China；2．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；3．School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

In order to ensure the stope safety of Dayingezhuang Gold Mine and improve resource recovery，through investigating some stope pillars on the level of－380，－496，－556，－616，it is concluded that parts of pillars controlled by structure of direction showing different failure modes which can be divided into parallel between joint and pillars，skew between joint set and pillars and parallel between joint and roof．Through establishing the relationship between width of pillar，stope span，mining depth and safety coefficient of pillars，the result shows that the effect of pillar width on safety coefficient is the most important one，followed by mining depth，and the last one is stope span．Through evaluating the stability of pillars，safety coefficient of every pillar and unstable pillars are got．Finally by means of calculating，the conclusion can be drawn that the minimal roof span is 8．2meters and the width of the pillar should be greater than 4．1meters．

pillar；stability；failure mode；safetycoefficient

TD853．34

Α

1671－4172（2015）04－0019－05

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．005

孫杰（1964－），男，工程師，采礦工程專業(yè)，主要從事金礦采礦研究工作。