下向分層膠結(jié)充填開采中的協(xié)同性

趙 奎 卓毓龍 曾 鵬 王萬(wàn)銀

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000）

隨著無軌自行設(shè)備在地下金屬礦山的推廣應(yīng)用，下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法以其回收率高、貧化損失小、回采強(qiáng)度大等顯著優(yōu)勢(shì)［1-2］，進(jìn)入現(xiàn)代化采礦技術(shù)之列，我國(guó)一大批有色金屬地下礦山和黃金礦山都采用該種采礦法［3-6］。膠結(jié)充填法的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了該領(lǐng)域的相關(guān)理論研究和技術(shù)研發(fā)，主要包括：通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析進(jìn)而優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序等［7-10］；為降低充填成本，擴(kuò)大充填開采技術(shù)的適用范圍，研究開發(fā)低廉充填材料［11-15］；為保障充填系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，通過理論計(jì)算和各類試驗(yàn)開展了充填料漿管道輸送方面的研究［16-19］；為提高采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了充填接頂方面的理論與技術(shù)開發(fā)［20-23］；膠結(jié)充填體損傷特性、聲發(fā)射特性等方面研究［24-28］。上述研究成果為膠結(jié)充填理論完善和應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但將膠結(jié)充填方面的研究成果作為整體性分析，研究其整體協(xié)同性的成果尚未見報(bào)道。

陳慶發(fā)［29-34］提出了“協(xié)同開采”的基本概念，即通過一定的技術(shù)手段在回收資源的同時(shí)，和諧處理隱患因素的負(fù)面影響。“協(xié)同開采”［35-39］可以是頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)的協(xié)同，也可以是開采工藝之間的協(xié)同，因此，“協(xié)同開采”的科學(xué)內(nèi)涵是運(yùn)用多種方法、技術(shù)或優(yōu)化前后工序以達(dá)到回采作業(yè)所需要的安全環(huán)境、安全時(shí)間等，并降低后續(xù)災(zāi)害發(fā)生概率或避免后續(xù)災(zāi)害發(fā)生的一種開采理念。本研究結(jié)合“協(xié)同開采”理念，并根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法中的協(xié)同性進(jìn)行歸納分析，為建立充填法開采的協(xié)同理論和技術(shù)體系提供借鑒。

1 充填體頂板自身支護(hù)體系的協(xié)同性

下向分層膠結(jié)充填法以膠結(jié)充填體作為分層開采的頂板，進(jìn)路回采斷面大小取決于頂板充填體的穩(wěn)定性。為了提高充填體頂板的穩(wěn)定性，需要提高充填體的灰砂比［40-42］。但充填材料灰砂比的提高將引起充填成本的增加，工程實(shí)際中一般在充填體中布設(shè)一定數(shù)量的鋼筋，使充填體與鋼筋一并構(gòu)成頂板系統(tǒng)。鋼筋和不同配比的充填體一并構(gòu)成了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)“頂板”的2個(gè)重要因素，這里協(xié)同效應(yīng)主要表現(xiàn)在：2 個(gè)要素之間如何發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，提高頂板整體穩(wěn)定性；2個(gè)要素與下個(gè)分層開采之間的協(xié)同性。

相關(guān)研究表明［43］：鋼筋布置方式（豎直布置與水平布置）不影響頂板的最終破壞形式，但豎直布置鋼筋與橫向布置鋼筋相比，更有利于提高頂板整體穩(wěn)定性。其原因在于：下個(gè)分層開采導(dǎo)致充填體下沉，由于充填體下沉變形不均勻，越靠下面變形量越大，豎直布置的鋼筋在上下托盤的作用下，對(duì)充填體變形起到了擠壓加固作用和一定的懸吊作用。某礦山施工中將豎筋在距離端部0.1、0.85、1.7 m處分別截為4 段，每個(gè)豎筋安裝有上、中、下 3 個(gè)鋼筋計(jì)，如圖 1 所示，典型的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 2 所示，圖中G1、G2、G3分別為豎直鋼筋中上、中、下位置的3個(gè)鋼筋計(jì)，力為正表明鋼筋受拉，力為負(fù)則表明鋼筋受壓，第Ⅳ階段鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果說明了在充填體頂板完全暴露前，相鄰進(jìn)路的開采導(dǎo)致鋼筋處于受壓狀態(tài)，充填體頂板完全暴露后，鋼筋由受壓急劇變化為受拉狀態(tài)，鋼筋對(duì)充填體發(fā)揮了擠壓加固作用，限制了充填體頂板的變形量。

布設(shè)豎筋和下部布設(shè)的鋼絲網(wǎng)是為了防止下個(gè)分層開采充填體頂板在爆破作用下及拉應(yīng)力作用下局部掉塊，鋼筋網(wǎng)布設(shè)如圖3 所示。該工程實(shí)例中，充填體、豎筋、托盤、鋼絲網(wǎng)組成了頂板結(jié)構(gòu)，由于施工不便，難以將豎筋布置在穩(wěn)定巖體或上個(gè)分層的充填體中，依靠充填體自身變形非均勻性的特點(diǎn)，豎筋限制了充填體下部變形過大導(dǎo)致頂板受拉破壞，其實(shí)質(zhì)是對(duì)充填體起到了擠壓加固作用，同時(shí)，通過托盤加大了豎筋與充填體之間的受力范圍，使得擠壓力增加，提高了頂板結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。鋼絲網(wǎng)一方面增加了頂板整體抗拉強(qiáng)度，另一方面可防止充填不均導(dǎo)致下個(gè)分層開采時(shí)產(chǎn)生局部掉塊。實(shí)例中體現(xiàn)了整個(gè)頂板結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)協(xié)同效應(yīng)。工程實(shí)踐證明，鋼筋與充填體協(xié)同支護(hù)方式是提高充填體頂板穩(wěn)定性的有效方法，某礦山充填體頂板盡管有時(shí)出現(xiàn)裂縫，但雷達(dá)探測(cè)結(jié)果表明，頂板充填體裂縫深度一般均在20 cm左右［44］，如圖4所示，在鋼絲網(wǎng)保護(hù)下，不會(huì)造成安全隱患。

2 回采進(jìn)路的協(xié)同性

充填體需要一定的養(yǎng)護(hù)周期才能達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，為了保證相鄰進(jìn)路回采作業(yè)安全，暫時(shí)不回采剛作業(yè)完的相鄰進(jìn)路的礦體，先對(duì)間隔進(jìn)路礦體進(jìn)行回采，以相鄰進(jìn)路充填體養(yǎng)護(hù)達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度為時(shí)間間隔對(duì)該相鄰進(jìn)路進(jìn)行回采作業(yè)，即同一分層進(jìn)路回采一般采用“隔一采一”方法。對(duì)于厚大礦體，同一分層進(jìn)路方向及上下分層之間的進(jìn)路方向與開采穩(wěn)定性有關(guān)。

對(duì)于同一分層而言，不同進(jìn)路方向側(cè)幫可動(dòng)塊體的數(shù)量和體積不同，對(duì)進(jìn)路側(cè)幫的穩(wěn)定性有影響；通過理論與實(shí)踐，提出了下向進(jìn)路側(cè)幫與充填體交接處可動(dòng)塊體的形成條件；根據(jù)塊體理論并結(jié)合充填體的作用特點(diǎn)，推導(dǎo)了在充填體頂板作用下側(cè)幫塊體穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式［45］；在此基礎(chǔ)上，提出了基于進(jìn)路側(cè)幫的關(guān)鍵塊體、進(jìn)路方向與破碎帶走向的銳夾角、進(jìn)路方向與最大水平應(yīng)力的銳夾角3個(gè)指標(biāo)，由該3個(gè)指標(biāo)建立了相應(yīng)的進(jìn)路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型［46］。上述評(píng)價(jià)模型在某礦山得到了實(shí)際應(yīng)用，該礦山某分層的回采進(jìn)路方向及回采順序如圖5所示。

上下分層進(jìn)路交錯(cuò)布置有利于回采進(jìn)路整體穩(wěn)定性，在上個(gè)分層進(jìn)路方向和回采順序確定后，下個(gè)分層進(jìn)路方向以垂直于上個(gè)分層進(jìn)路方向?yàn)樵瓌t，結(jié)合上述進(jìn)路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)化進(jìn)路方向。

進(jìn)路方向、回采順序、上下分層進(jìn)路方向關(guān)系等均可視作下向分層膠結(jié)充填法的采礦要素，同一分層進(jìn)路方向選擇主要考慮了進(jìn)路側(cè)幫圍巖不穩(wěn)定塊體。結(jié)合“協(xié)同”理念分析可知，進(jìn)路方向體現(xiàn)了進(jìn)路與圍巖的協(xié)同性，達(dá)到整體穩(wěn)定性好的效應(yīng)；回采順序主要考慮了礦體與充填體作為進(jìn)路支撐幫的協(xié)同性，其目的是為了提高采礦日產(chǎn)量；上下分層進(jìn)路方向之間的協(xié)同性，則主要考慮提高回采作業(yè)的整體穩(wěn)定性?？傊?，回采進(jìn)路方案充分體現(xiàn)了資源開采過程中和諧處理開采不穩(wěn)定性的影響因素，保持要素間及要素自身的協(xié)作性，使采礦協(xié)同性良好，整體效應(yīng)最佳［47-50］。

3 超前護(hù)幫充填的協(xié)同性

當(dāng)下個(gè)分層進(jìn)路開采至端部（礦體上盤）遇到巖體破碎泥化帶時(shí)，由于泥化帶容易帶著上部充填體一起冒落，此時(shí)，或者端部不回采造成資源浪費(fèi)或者在不安全巖體下作業(yè)?；诖耍岢龀白o(hù)幫充填技術(shù)，即進(jìn)路回采后超前掘進(jìn)破碎泥化帶，預(yù)先充填高強(qiáng)度充填體，使下一分層的回采在高強(qiáng)度充填體頂板的保護(hù)下進(jìn)行，從而大大提高了采場(chǎng)安全性。垂直走向的超前護(hù)幫充填模式如圖6所示。

為了進(jìn)一步揭示超前護(hù)幫充填提高采場(chǎng)穩(wěn)定性的機(jī)理，采用了數(shù)值模擬研究方法，模擬了2個(gè)方案：模擬方案一為：第一步模擬開采前應(yīng)力場(chǎng)，第二步模擬上一分層進(jìn)路開挖，第三步模擬本分層進(jìn)路回采；模擬方案二為：第一步模擬開采前應(yīng)力場(chǎng)，第二步模擬上一分層進(jìn)路開挖，第三步模擬上一分層進(jìn)路充填，第四步模擬本分層進(jìn)路回采。模型各種參數(shù)依據(jù)某下向分層膠結(jié)充填法礦山實(shí)際確定，兩種方案的最終計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8 所示。其中開挖邊界模擬為礦體實(shí)際邊界。

通過對(duì)比圖7 和圖8 可知：兩種方案開挖本分層進(jìn)路后，在本分層進(jìn)路端部朝向臨空面的方向均存在位移；但方案二對(duì)上分層進(jìn)路采用超前掘進(jìn)并對(duì)其充填后，剪應(yīng)變?cè)隽考袇^(qū)域有所改善，剪應(yīng)變?cè)隽肯蛏戏謱舆M(jìn)路超挖充填段轉(zhuǎn)移，減弱了本分層進(jìn)路端部的剪應(yīng)變?cè)隽浚环桨敢坏乃苄詤^(qū)主要集中在進(jìn)路端部，而方案二塑性區(qū)向本分層進(jìn)路的后上方轉(zhuǎn)移，相比之下，方案二提高了回采本分層端部時(shí)的穩(wěn)定性。

超前護(hù)幫充填的協(xié)同性具體表現(xiàn)為：在上分層回采充填后，如果不進(jìn)行超前護(hù)幫充填，則下分層回采至端部時(shí)，頂板將出現(xiàn)充填體和破碎巖體不同介質(zhì)，容易發(fā)生頂板冒落的安全事故；實(shí)施超前護(hù)幫充填，其實(shí)質(zhì)就是在上個(gè)分層資源開采過程中，同時(shí)將下個(gè)分層開采存在的頂板冒落災(zāi)害進(jìn)行處理，體現(xiàn)了開采過程中的整體協(xié)同效應(yīng)。

4 結(jié) 論

（1）工程實(shí)際中應(yīng)用的充填體頂板，是下向分層膠結(jié)充填開采中最重要的承載單元；豎直鋼筋、托盤、鋼絲網(wǎng)及充填體之間符合整體協(xié)同性要求，充填體頂板支護(hù)系統(tǒng)的協(xié)同性在于提高了頂板的整體穩(wěn)定性。

（2）回采進(jìn)路方案充分體現(xiàn)了實(shí)際采礦過程的良好協(xié)同性及整體效應(yīng)。

（3）超前護(hù)幫充填方案的實(shí)質(zhì)是開采過程中避免后續(xù)災(zāi)害發(fā)生的“協(xié)同開采”理念的有效體現(xiàn)。

（4）通過對(duì)下向分層膠結(jié)充填開采中協(xié)同性的歸納分析表明，“協(xié)同開采”理念可為采礦方法整體性論證和內(nèi)在關(guān)系研究提供有效手段。