姜仁義

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

充填采礦法的礦塊布置與構(gòu)造形式

姜仁義

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

分析了充填采礦法的開(kāi)采工藝和地下采礦空間結(jié)構(gòu)，將礦塊的布置、排列方式及其對(duì)地下采礦空間的整體支撐體系作為礦塊的構(gòu)造進(jìn)行分析，初步討論了墻式、柱式、棋盤(pán)式、類(lèi)均質(zhì)、鑲嵌式、組合式、疊拱和其他類(lèi)型的礦塊構(gòu)造形式，并對(duì)其礦塊的布置、特征及適用條件進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，不同的構(gòu)造形式適用于不同的礦山條件和開(kāi)采工藝，礦山在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體的條件和開(kāi)采工藝選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)造形式，確保地下采礦空間結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

充填采礦法 地下采礦空間 礦塊構(gòu)造

在地下充填采礦法的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和研究中，通常將重點(diǎn)放在礦塊結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝和充填工藝上[1-3]，事實(shí)上，礦塊的布置、排列方式及其對(duì)地下采礦空間的支撐也屬于采礦方法的重要內(nèi)容。為此，在地下充填采礦法中引入礦塊構(gòu)造的概念，將礦塊的布置、排列方式及其對(duì)地下采礦空間的支撐作為礦塊的構(gòu)造進(jìn)行研究，對(duì)不同的構(gòu)造形式進(jìn)行分析，以便于在礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，能夠根據(jù)礦山的具體條件選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)造形式，確保礦山安全高效生產(chǎn)。

1 礦塊的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

充填采礦法礦塊的結(jié)構(gòu)主要指礦塊的空間結(jié)構(gòu)，包括幾何尺寸大小、形狀及回采工程布置等，如礦塊的長(zhǎng)度、寬度、中段高度、分段高度等[4]。一直以來(lái)，對(duì)充填采礦法中礦塊結(jié)構(gòu)的研究、選擇和設(shè)計(jì)大都側(cè)重于單個(gè)礦塊，更多考慮的是單個(gè)礦塊的支撐、自身穩(wěn)定和回采等問(wèn)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(diào)等問(wèn)題則主要在礦山巖石力學(xué)和回采順序中進(jìn)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(chēng)為礦塊的構(gòu)造，其延伸意義包括對(duì)礦塊結(jié)構(gòu)形式的選擇和對(duì)地下采礦空間結(jié)構(gòu)的建造。如此，礦塊結(jié)構(gòu)主要研究單個(gè)礦塊，礦塊構(gòu)造則主要研究礦塊的布置、排列方式等。礦塊結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及地下采礦空間的結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 礦塊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地下采礦空間的結(jié)構(gòu)

建筑學(xué)中的結(jié)構(gòu)指梁、板、柱、墻體等構(gòu)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(gòu)件與礦塊及其結(jié)構(gòu)相似；建筑構(gòu)造研究建筑結(jié)構(gòu)中構(gòu)件或配件的組成、構(gòu)造原理和構(gòu)造方法，主要是建造的概念，這與礦塊構(gòu)造研究中包含著礦塊的排列方式及其對(duì)地下采礦空間的支撐是有所區(qū)別的。

在地質(zhì)學(xué)中，巖石的結(jié)構(gòu)指巖石中礦物的結(jié)晶程度、顆粒大小和形狀，僅限于個(gè)體；巖石的構(gòu)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(jié)構(gòu)、構(gòu)造的研究范圍劃分與充填采礦法中礦塊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造基本一致。

2 礦塊的構(gòu)造形式

2.1 墻式構(gòu)造

墻式構(gòu)造是矩形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)或其他近似墻體結(jié)構(gòu)的礦塊按一定的方式排列組成的構(gòu)造形式。墻式構(gòu)造中起主要支撐作用是膠結(jié)充填結(jié)構(gòu)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(kāi)采及其他需要保持圍巖穩(wěn)定的情況下，在采礦空間內(nèi)也預(yù)留強(qiáng)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(gòu)造。單中段開(kāi)采的墻式構(gòu)造與建筑結(jié)構(gòu)中的排架結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)多中段開(kāi)采時(shí)，中段間可留礦石礦柱或充填強(qiáng)度較高的膠結(jié)體，其整體構(gòu)造形式類(lèi)似于房屋建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)，支撐地下采礦空間；當(dāng)中段間連續(xù)回采，不留礦柱或不充填強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填體時(shí)，上下中段間承重的礦塊應(yīng)當(dāng)相對(duì)應(yīng)。墻式構(gòu)造的承重結(jié)構(gòu)具有方向性，其承重方向應(yīng)與地下巖體的主應(yīng)力方向一致。

承重礦塊在垂直于承重方向平面內(nèi)的投影面積越大、強(qiáng)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(nèi)的總投影面積與采礦空間在該平面內(nèi)的總投影面積之比(下稱(chēng)承重比)作為礦塊構(gòu)造的指標(biāo)，以評(píng)價(jià)該構(gòu)造形式對(duì)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(jié)承重礦塊與二步采尾砂充填礦塊結(jié)構(gòu)相同，垂直于礦體走向布置，墻式構(gòu)造，目前開(kāi)采范圍內(nèi)地下主應(yīng)力與重力方向一致，承重比為50%；內(nèi)蒙古黃崗鐵礦、書(shū)記溝鐵礦地表為古河道、戈壁、草地等，沒(méi)有村莊等建(構(gòu))筑物，礦塊垂直于礦體走向布置，一步采膠結(jié)承重礦塊與二步采尾砂充填礦塊采用“一小二大”的結(jié)構(gòu)，墻式構(gòu)造，開(kāi)采范圍內(nèi)地下主應(yīng)力與重力方向一致，一步采膠結(jié)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(yíng)田興鐵礦上部有第四系強(qiáng)含水層，地表為農(nóng)田、村莊，改進(jìn)后盤(pán)區(qū)內(nèi)礦塊的平面布置及構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖2 司家營(yíng)田興鐵礦標(biāo)準(zhǔn)盤(pán)區(qū)礦塊布置及構(gòu)造示意

由圖2可知，除了膠結(jié)充填的一步采礦塊外，盤(pán)區(qū)間、礦塊間還布置了礦石間柱，按承重面積計(jì)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(jié)充填礦塊的承重比為45.23%。標(biāo)準(zhǔn)盤(pán)區(qū)承重比的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 司家營(yíng)田興鐵礦標(biāo)準(zhǔn)盤(pán)區(qū)礦塊承重比

除了承重、支撐圍巖外，墻式構(gòu)造中的一步采礦塊還具有隔離作用，將礦體、盤(pán)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(jìn)行開(kāi)采，增加了回采作業(yè)面，開(kāi)采強(qiáng)度較大。墻式構(gòu)造中，膠結(jié)充填的比例即膠結(jié)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(shè)備的安全作業(yè)，二步采礦塊(尾砂充填)頂、底部也采用膠結(jié)充填。在李樓鐵礦設(shè)計(jì)中，二步采礦塊底部6 m、頂部1 m均采用膠結(jié)充填，因此，該鐵礦承重比為50%，膠結(jié)比為53.5%。膠結(jié)比越大，充填成本就越高，在確保安全的前提下，應(yīng)盡可能降低膠結(jié)比。在司家營(yíng)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(kāi)采過(guò)程中均采用墻式構(gòu)造。墻式構(gòu)造的礦塊結(jié)構(gòu)屬大型塊狀結(jié)構(gòu)，有利于采用大型采掘設(shè)備開(kāi)采，生產(chǎn)能力較大。

2.2 柱式構(gòu)造

采用柱形結(jié)構(gòu)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(gòu)造形式可劃為柱式構(gòu)造。典型的柱式構(gòu)造有點(diǎn)柱充填采礦法、房柱采礦嗣后充填采礦法等。礦石價(jià)值不高或礦體中有柱狀巖石時(shí)，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(jié)構(gòu)礦塊的礦山，膠結(jié)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(gòu)造。原巖水平應(yīng)力明顯時(shí)，可采用柱式構(gòu)造，靈活布置，以減輕原巖應(yīng)力對(duì)整體構(gòu)造的影響。采用柱式構(gòu)造多中段開(kāi)采時(shí)，中段間可留礦石礦柱或充填強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填體，整體形成框架式結(jié)構(gòu)；當(dāng)中段間連續(xù)回采，不留礦柱或不充填強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填體時(shí)，上下中段間承重的礦塊應(yīng)當(dāng)相對(duì)應(yīng)。柱式構(gòu)造的承重比、膠結(jié)比與墻式構(gòu)造相似，承重比越大、膠結(jié)比則越大，地下采礦空間的整體結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，但生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加。

2.3 棋盤(pán)式構(gòu)造

膠結(jié)充填的一步采柱式結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)礦塊按棋盤(pán)格式布置，尾砂充填的二步采礦塊布置于棋盤(pán)格式中的方格內(nèi)，便形成了棋盤(pán)式構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 棋盤(pán)格式構(gòu)造示意

圖3中，膠結(jié)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(shè)b與a的比值為k，則b=ka。膠結(jié)充填礦塊組成的棋盤(pán)格起主要支撐作用，其承重比λ為

當(dāng)k=2時(shí)，λ為55.56%；當(dāng)k=1時(shí)，λ為75%，承重比較高，相應(yīng)的膠結(jié)比也較高。棋盤(pán)式構(gòu)造整體類(lèi)似于剪力墻結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較好，因其承重比、膠結(jié)比較高，因而充填成本也較高。

2.4 類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造

在某一區(qū)域內(nèi)，一步采礦塊、二步采礦塊均采用同一種材料充填的構(gòu)造可以劃為類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造。雖然充填體一般都屬多相非均質(zhì)體，但同一種充填材料形成的充填體宏觀力學(xué)性質(zhì)相似，可以采用同一力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。“三下”開(kāi)采時(shí)，為了保護(hù)地表，一、二步采礦塊均采用膠結(jié)充填即全膠結(jié)充填的構(gòu)造形式屬全膠結(jié)類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造；上向連續(xù)回采及小礦體、單礦塊采用全尾砂充填的構(gòu)造屬全尾砂類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造；一、二步采礦塊交替上向回采，分別采用膠結(jié)與尾砂交替充填區(qū)段的構(gòu)造也屬于類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造，整體上屬散體結(jié)構(gòu)。全膠結(jié)類(lèi)均質(zhì)構(gòu)造承重比為100%，承重能力大，在地表需要保護(hù)、回收礦柱、下行式回采時(shí)應(yīng)用較多。

2.5 鑲嵌式構(gòu)造

鑲嵌式構(gòu)造或稱(chēng)拼板式、積木式構(gòu)造，是矩形、菱形、六角形、“凸”形等結(jié)構(gòu)礦塊相互拼接、鑲嵌在一起而形成的構(gòu)造形式，鑲嵌式構(gòu)造一般不留礦柱。典型的鑲嵌式構(gòu)造之一是由六角形結(jié)構(gòu)礦塊拼接而成的，回采進(jìn)路拼接、鑲嵌成一個(gè)整體見(jiàn)圖4。

圖4 六角形礦塊鑲嵌式構(gòu)造

圖4中，下向開(kāi)采全膠結(jié)充填同時(shí)具有類(lèi)均質(zhì)構(gòu)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(kāi)采膠結(jié)、尾砂間隔充填鑲嵌式構(gòu)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(jié)、1/4尾砂充填的鑲嵌式構(gòu)造與棋盤(pán)式構(gòu)造相似，上向開(kāi)采、下向開(kāi)采均可采用。下向采深較大時(shí)，整體構(gòu)造的支撐力與穩(wěn)固性劣于下向開(kāi)采全膠結(jié)充填構(gòu)造。

2.6 組合式構(gòu)造

在礦山開(kāi)采范圍內(nèi)，根據(jù)不同的開(kāi)采技術(shù)條件，采用墻式、柱式、棋盤(pán)式、類(lèi)均質(zhì)、鑲嵌式等基本構(gòu)造中2種以上的構(gòu)造形式屬組合式構(gòu)造，也可稱(chēng)為混合式構(gòu)造。由于開(kāi)采范圍內(nèi)不同礦體甚至同一礦體不同部位的產(chǎn)狀、厚度、物理力學(xué)性質(zhì)、地表等開(kāi)采技術(shù)條件不盡相同，其構(gòu)造形式也有所差異。因此，相當(dāng)一部分礦山的構(gòu)造形式為組合式構(gòu)造，如中關(guān)鐵礦中厚以上礦體均為傾斜或急傾斜礦體，傾角較陡，設(shè)計(jì)采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法或分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，采用矩形的塊狀結(jié)構(gòu)，膠結(jié)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(jié)充填礦塊承重，屬墻式構(gòu)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(shè)計(jì)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(gòu)造。組合式構(gòu)造的承重比、膠結(jié)比可根據(jù)其基本構(gòu)造形式的承重比、膠結(jié)比進(jìn)行加權(quán)平均估算得到。

2.7 疊拱構(gòu)造

疊拱構(gòu)造是多個(gè)相鄰中段或區(qū)段的多個(gè)礦塊(采場(chǎng))相互錯(cuò)疊呈近似拱形的構(gòu)造形式[6]。通過(guò)對(duì)礦塊的回采、采切進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃布置，使得疊拱構(gòu)造中的大部分采場(chǎng)、采掘作業(yè)面處于免壓拱之內(nèi)，充分發(fā)揮礦巖、充填體自身的成拱、支撐作用，有利于采場(chǎng)、采掘作業(yè)面的安全穩(wěn)定，減少支護(hù)量，改善作業(yè)環(huán)境。疊拱構(gòu)造是一種動(dòng)態(tài)的構(gòu)造形式，是在開(kāi)采過(guò)程中形成的，礦山開(kāi)采結(jié)束后，最終的構(gòu)造形式仍會(huì)受到開(kāi)采范圍內(nèi)礦體形態(tài)的限制，是上述墻式、柱式、棋盤(pán)式、類(lèi)均質(zhì)、鑲嵌式等構(gòu)造形式或其組合形成的構(gòu)造形式。

2.8 其他構(gòu)造

對(duì)于不規(guī)則礦體，難以按照標(biāo)準(zhǔn)礦塊布置成典型的構(gòu)造形式，一般根據(jù)具體情況劃分礦塊、設(shè)計(jì)礦塊的結(jié)構(gòu)，布置礦塊，形成特定的、不規(guī)則的構(gòu)造形式，該類(lèi)構(gòu)造形式稱(chēng)為其他構(gòu)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(wú)法采用規(guī)則的礦塊結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(jié)構(gòu)及不規(guī)則的其他構(gòu)造形式?？捎糜诘叵虏傻V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(biāo)的膠結(jié)體或散體。膠結(jié)體中可加鋼筋，散體中也可添加一定量的膠結(jié)材料。在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中應(yīng)選擇成本低、易于充填、能滿(mǎn)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(gòu)造形式。

3 結(jié) 論

(1)充填采礦法礦塊布置和構(gòu)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(duì)地下采礦空間的整體支撐體系作為礦塊的構(gòu)造進(jìn)行分析研究，優(yōu)化充填采礦法，是礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

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

(3)充填采礦法礦塊在回采充填后構(gòu)成地下采礦空間的結(jié)構(gòu)體，選擇適合礦山具體條件的構(gòu)造形式，合理布置礦塊，對(duì)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(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用[J]．金屬礦山，2006(1)：28-33.

[2] 李 欣，李俊華．充填法采礦礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．金屬礦山，2011(7)：39-42.

[3] 何哲祥，王 寧，謝長(zhǎng)江．充填采礦法開(kāi)采對(duì)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(xué)，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(zhì)學(xué)[M]．3版．北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

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

2015-01-10)

姜仁義(1959—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)龍海道71號(hào)。