鐘 敏 譚寶會 張志貴 陳星明 朱 強 楊 鵬

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010；3.北京市信息服務(wù)工程重點實驗室，北京 100101）

0 引 言

無底柱分段崩落法的覆蓋層具有多種作用及功能，主要體現(xiàn)在釋放地壓、改善爆破效果、提升礦石回收指標以及預(yù)防冒落沖擊危害等方面［1］。按照相關(guān)規(guī)程要求，新建的無底柱分段崩落法礦山在正常采礦之前必須先在采場上部形成厚度至少為2倍分段高度的覆蓋層。目前常用的覆蓋層形成方法主要有先放頂后回采、集中放頂、邊放頂邊回采以及誘導冒落等幾種方法［2-4］，見圖1所示。在利用前3種方法形成覆蓋層時均需要在頂板圍巖中布置一定的工程量，再利用炸藥將圍巖強制崩落形成覆蓋層，這幾種方法的安全性和可靠性相對較好，但也存在著工序復雜、效率低、成本高等顯著缺點。誘導冒落法是東北大學任鳳玉教授近年提出的一種新型高效采礦方法，該方法自應(yīng)用以來在礦石回采、采空區(qū)處理、覆蓋層形成等方面取得了顯著成效，并引起采礦界的廣泛關(guān)注。在利用誘導冒落法形成覆蓋層時，只需要通過誘導工程崩落礦石形成連續(xù)的采空區(qū)使頂板圍巖失去支撐，臨空圍巖在地壓作用下將發(fā)生破裂并自然冒落，從而形成覆蓋層，在此過程中不僅不需要崩落圍巖，還可以放出一部分崩落的礦石，從而滿足覆蓋層形成過程中的產(chǎn)能需求，總體來說該方法具有生產(chǎn)成本低、效率高、工序簡單等優(yōu)點，但在使用過程中需要嚴格防控頂板突發(fā)大規(guī)模冒落帶來的氣浪沖擊危害。

綜合來看，每種覆蓋層形成方法各具優(yōu)缺點，礦山在實際生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合自身條件及需求，選擇最為合適的覆蓋層形成方法。

1 工程背景

某礦為一大型有色金屬礦山，礦體沿走向長6 500 m，寬20～500 m，在斷層作用下礦體被分割成為4個礦段，分別稱之為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦區(qū)。由于礦石價值高、礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力大且礦巖破碎，各礦區(qū)一直采用下向水平分層進路式膠結(jié)充填法進行采礦。本研究對象為Ⅲ礦區(qū)的西二采區(qū)，該采區(qū)礦體厚大陡立，礦體埋藏于地表100 m以下，頂板圍巖從下至上依次為50 m厚的片麻巖和50 m厚的第四系表土，圍巖中富含光滑陡立的節(jié)理面，并充填有次生物質(zhì)如綠泥石、滑石等，增加其不穩(wěn)定性。該礦區(qū)礦體屬貧礦資源，礦石品位大約僅為富礦的三分之一，經(jīng)濟價值相對較低，但由于在基建前期礦產(chǎn)品價格較高，即便是采用膠結(jié)充填法進行開采礦山仍可盈利。西二采區(qū)于2010年建成投產(chǎn)，為擴大產(chǎn)能采用雙中段同時作業(yè)的回采模式，見圖2所示，產(chǎn)能可達165萬t/a。

然而，近年來全球礦業(yè)經(jīng)濟不景氣，礦產(chǎn)品價格持續(xù)走低，在此背景下，礦山利用高成本的膠結(jié)充填采礦法回采低品位礦石，使得礦山瀕臨虧損，給礦山的生存和發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。采用其他效率更高、生產(chǎn)成本更低的采礦方法來替代現(xiàn)行的高成本膠結(jié)充填法，成為西二采區(qū)突破困境的主要途徑。

鑒于礦山地表允許塌陷，且礦體厚大陡立，適合采用生產(chǎn)成本較低的崩落法進行回采，經(jīng)過深入分析之后，認為無底柱分段崩落法的技術(shù)優(yōu)點更為突出，與當前膠結(jié)充填法的銜接和過渡也更為順暢。因此，礦山?jīng)Q定率先在上部中段進行采礦方法轉(zhuǎn)變的工業(yè)試驗。但是在無底柱分段崩落法正常采礦之前，必須先在采場上部形成一定厚度的覆蓋層，此時就需要將上部中段平面面積超過30 000 m2、厚度接近30 m的膠結(jié)充填體及其上部覆巖崩落以形成覆蓋層。因此需要針對西二采區(qū)的采礦條件及生產(chǎn)需求，系統(tǒng)研發(fā)安全高效、低成本的覆蓋層形成方法。

2 西二采區(qū)覆蓋層安全高效形成方法

單從技術(shù)角度來看，在西二采區(qū)利用傳統(tǒng)的鉆爆方法強制崩落膠結(jié)充填體來形成覆蓋層也是可行的，但該方案成本高、工期長，而且在形成覆蓋層過程中基本只有投入沒有產(chǎn)出，很難滿足礦山在過渡期的產(chǎn)能需求，因此也就排除了在西二采區(qū)應(yīng)用的可能性?；谡T導冒落法在技術(shù)及經(jīng)濟等方面所具有的獨特優(yōu)勢，可考慮將該方法作為西二采區(qū)覆蓋層形成的主要技術(shù)方案，即將無底柱分段崩落法的首采分段（也稱誘導工程）布置在膠結(jié)充填體下部合適位置，通過首采分段的回采形成連續(xù)采空區(qū)誘導膠結(jié)充填體和上部覆巖自然冒落形成覆蓋層。

首采分段的布置位置直接決定了頂板膠結(jié)充填體能否順利冒落。在充分考慮各項因素后，認為將首采分段布置在1 595 m水平是比較適宜的，理由有三：一是礦山在充填采礦時已經(jīng)完成了通往1 595 m水平的5行和7行分層聯(lián)絡(luò)道，將首采分段布置在1 595 m水平可以加快工程進度并充分利用已有工程；二是1 595 m水平回采面積超過30 000 m2，如此大的回采面積必然能夠誘導頂板膠結(jié)充填體自然冒落；三是將首采分段布置在1 595 m水平時崩礦高度可達18.5 m，可以為頂板的冒落提供足夠的碎脹空間。

圖3給出了西二采區(qū)大面積膠結(jié)充填體下誘導冒落形成覆蓋層的技術(shù)方案。

需要強調(diào)的是，在以往的工程案例中，誘導冒落的對象通常為單一的礦體或巖體，因而所積累的冒落控制經(jīng)驗也都針對的是礦巖體。而本次誘導冒落的對象為膠結(jié)充填體和頂板圍巖構(gòu)成的復雜結(jié)構(gòu)巖層，膠結(jié)充填體作為一種人工構(gòu)筑體，其強度僅為礦巖體的1/10～1/20，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也與普通礦巖體存在較大差異，而且在井下與圍巖長期相互作用，處于復雜的地壓環(huán)境之中。因而需要具體分析這種復雜結(jié)構(gòu)巖層的誘導冒落模式、機理及其冒落時可能引發(fā)的井下災(zāi)害，并制定相應(yīng)的防治措施，確保覆蓋層的安全形成。

3 充填體及圍巖的可冒性及冒落形式

3.1 膠結(jié)充填體的可冒性及冒落形式

限于采充工藝等因素的影響，在下向分層膠結(jié)充填法中會出現(xiàn)充填體沉縮、分層離析、接頂不完全等問題，導致膠結(jié)充填體內(nèi)部具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)。因此可參照層狀巖體的冒落特性對膠結(jié)充填體的可冒性及冒落形式進行分析。根據(jù)層狀巖體的受力特點，將膠結(jié)充填體的每一層分開研究，此處以單一分層為研究對象建立兩端固支梁力學模型，如圖4所示，由底層巖梁開始逐層向上進行分析，整體視為固定梁疊加結(jié)構(gòu)。

在圖4中，h為膠結(jié)充填體分層巖梁厚度；L為拉底空間長度；R為巖梁端部豎向集中應(yīng)力；σh為巖梁端部水平集中應(yīng)力；σv為巖梁所受的垂直應(yīng)力；Q為巖梁所受剪切力；M為巖梁所受彎矩。

考慮到充填體在井下受垂向荷載和水平荷載的共同作用，因此采用摩爾—庫倫破壞準則對膠結(jié)充填體進行破壞分析更為合適，即當膠結(jié)充填體分層巖梁中最大剪應(yīng)力達到其極限抗剪強度時，膠結(jié)充填體便發(fā)生剪切破壞，此時的破壞面長度即為該層的臨界冒落跨度Lc，可通過下式［5］進行計算：

式中，λ為側(cè)壓比，即水平壓力σh與垂向壓力σv之比；c，φ分別為分層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

膠結(jié)充填體的臨界冒落面積S計算公式為

西二采區(qū)上部中段崩落法首采分段采空區(qū)頂板膠結(jié)充填體分層橫梁的埋深為128.5 m，從上至下依次為50 m厚第四系表土、50 m厚片麻巖和28.5 m膠結(jié)充填體，其密度分別為2 200 kg/m3、2 700 kg/m3、2 200 kg/m3。根據(jù)海姆學說和金尼克學說可求得空區(qū)頂板分層橫梁所受的垂向壓力σv＝3 MPa。根據(jù)實測，西二采區(qū)地應(yīng)力側(cè)壓比λ介于1～2之間，充填體內(nèi)聚力c=2 MPa，內(nèi)摩擦角φ=36°，分層厚度h=5 m。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）中，可求得膠結(jié)充填體的臨界冒落跨度Lc=9.3～14.1 m，進而通過式（2）可求得膠結(jié)充填體的臨界冒落面積S=68～156 m2。

通過理論分析可知，當誘導空間形成后頂板膠結(jié)充填體的受力狀態(tài)立即發(fā)生改變，垂向應(yīng)力開始轉(zhuǎn)移至空區(qū)兩幫，造成兩幫剪切應(yīng)力集中，當兩幫的剪切應(yīng)力超過膠結(jié)充填體的抗剪強度時發(fā)生剪切破壞。但由于西二采區(qū)水平應(yīng)力相對較大，一定程度上會增大膠結(jié)充填體的臨界冒落跨度，而膠結(jié)充填體的強度又較小，當空區(qū)兩側(cè)的剪應(yīng)力達到膠結(jié)充填體的極限破壞強度時，膠結(jié)充填體的破壞可能迅速向上發(fā)展，因此更容易發(fā)生大規(guī)模的批量冒落。

2.1 一般資料 42例患者 CT 檢查均提示存在明確的慢性硬膜下血腫（血腫最厚處超過 1 cm），腦室及中線受壓，腦溝消失。42例患者中 36例為單側(cè)慢性硬膜下血腫，6例為雙側(cè)慢性硬膜下血腫（3例行雙側(cè)鉆孔引流術(shù)，3例僅行單側(cè)鉆孔引流術(shù)）。

3.2 頂板圍巖的可冒性及冒落形式分析

目前在工程實踐中觀察到的礦巖體冒落形式主要可分為三類，分別為拱形冒落、柱狀冒落和沿破碎帶抽冒。西二采區(qū)頂板圍巖十分軟破，且分布有大量的連續(xù)性較好的光滑陡立節(jié)理。根據(jù)工程經(jīng)驗可知，此種結(jié)構(gòu)形式的巖體在得到暴露后很難形成應(yīng)力平衡拱，更可能的是以柱狀形式發(fā)生整體剪切陷落［6］，再加之頂板圍巖埋深較淺，當冒落發(fā)展至頂板圍巖時可能迅速向上部擴展，通常會一次冒透地表［7］。因而，此處采用極限平衡理論來分析上覆巖層的受力情況及冒落模式，為便于計算將陷落巖柱形狀假設(shè)為矩形，圖5給出了假想的陷落巖柱形態(tài)示意圖。

在極限平衡狀態(tài)下，巖柱發(fā)生垂直剪切滑動的安全系數(shù)可通過下式［8］進行計算：

式中，F(xiàn)為巖柱發(fā)生垂直剪切滑動的安全系數(shù)；σc為巖塊單軸抗壓強度，MPa；σtm為巖體抗拉強度，MPa；A、B為取決于給定巖體材料的常量；z為從地表算起的深度，m；γ為巖體密度，kg/m3；λ為側(cè)壓比；a、b為巖柱底部邊界的長和寬，m。

鑒于西二采區(qū)上覆巖層十分破碎，參照類似案例［9-10］，取σtm≈0，A=0.05，B=0.5，σc=22.1 MPa（此處按上覆巖層全為片麻巖計算），γ=27 kN/m3，巖柱高度z=100 m，側(cè)壓比λ=1～2，假設(shè)空區(qū)跨度a=45 m（大約為3條進路同時退采時的采空區(qū)跨度），將以上各參數(shù)代入式（3），并令F=1，則可解得b=33～67 m。也就是說當西二采區(qū)上覆巖層的暴露跨度a=45 m、長度b=33～67 m時，上覆巖層便可能發(fā)生直通地表的整體陷落，此時所需的暴露面積僅為1 500～3 000 m2。由此可見，當冒落發(fā)展至上覆巖層時，很容易發(fā)生直通地表的大規(guī)模冒落。

4 冒落氣浪沖擊危害及其防治

根據(jù)頂板冒落時有無外界氣體補給，冒落氣浪沖擊形式可分為繞流沖擊和筒流沖擊［11］，圖6展示了2種不同氣浪沖擊形式的致災(zāi)原理。在繞流沖擊中，空區(qū)中的氣體被冒落巖塊壓縮后主要有3個去處，一是繞到巖塊上方，二是被壓縮后沖向空區(qū)四周巖壁，三是受擠壓后沿空區(qū)底部通道流出，從而形成沖擊氣浪。由于第一、二部分氣流的存在，降低了第三種氣流的沖擊力度和沖擊范圍，因而繞流沖擊的力度和范圍相對較小。筒流沖擊通常發(fā)生在直通地表的冒落過程中，此時冒落在地表產(chǎn)生的塌陷坑將由相同體積的空氣所充填，這些氣體主要是來自地表大氣，另外還有一小部分來自巖體冒落時通過縫隙向上逃逸的空區(qū)壓縮氣體，由于地表大氣的直接補給量比通過縫隙向上逃逸量大得多，這樣在冒落發(fā)生的過程中就有了外部氣體的補給。此時被冒落體壓縮的氣體，好比“打氣筒”里的壓縮氣體沿通口奔突，直至在出口排除多余的體積量為止，這種氣浪產(chǎn)生的沖擊力度大且范圍廣。

無論是理論分析還是數(shù)值模擬研究結(jié)果均表明，西二采區(qū)在誘導冒落過程中極有可能發(fā)生直通地表的大規(guī)模冒落，此時就容易出現(xiàn)筒流沖擊。生產(chǎn)實踐表明，要預(yù)防筒流沖擊所產(chǎn)生的危害，就需要用足夠的礦石散體墊層做隔離，將空區(qū)底部通口完全封堵，以保護采礦作業(yè)的安全。根據(jù)西石門鐵礦、桃沖鐵礦及書記溝鐵礦等礦山用散體墊層成功防治采空區(qū)大規(guī)模冒落氣浪沖擊的經(jīng)驗，總結(jié)出散體安全墊層最小厚度的估算式［12］為

式中，h為安全墊層最小厚度，m；d為冒落巖體等價圓直徑，m；H為冒落高度，m；ω為散體墊層基礎(chǔ)穩(wěn)固性補償量，對于井、巷封堵條件，取ω=1.5～2.0 m，對于出礦進路端部口封堵條件，取ω≈0。

圖7給出了預(yù)留安全墊層的形態(tài)。為便于實際操作和管理，需要根據(jù)預(yù)留墊層的厚度計算出首采分段的實際出礦量。工程經(jīng)驗表明空場下散體放出角一般不超過50°，礦石松散系數(shù)取1.1～1.3，考慮以上參數(shù)后可根據(jù)圖9所示估算出要在空區(qū)底板預(yù)留不少于7.5 m的礦石墊層，則首采分段的出礦比例應(yīng)控制在崩落礦石的40%～50%?？紤]到首采分段為半空下崩礦，部分礦石在崩落時將被拋擲至前方空場，因此設(shè)定放出量為崩礦量的45%。出礦過程中應(yīng)始終保持出礦口處于封堵狀態(tài)，嚴防冒落氣浪沖擊及冒落滾石危害。

此外，在首采分段回采過程中還應(yīng)保持均勻擴展采空區(qū)，確?？諈^(qū)范圍內(nèi)不留支撐礦柱，促使采空區(qū)在初期按照零星冒落，同時封堵冒落區(qū)上部聯(lián)通口，減少空區(qū)冒落時的外界大氣補給，盡可能地使冒落氣浪沖擊符合繞流模式。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

2019年5月底礦山在1 595 m水平8行勘探線以東布置了18條垂直礦體走向的回采進路做誘導工程，進路間距為15 m。為使頂板膠結(jié)充填體盡早冒落并盡可能減小冒落沖擊危害，采取階梯式退采模式均勻擴展采空區(qū)，避免在回采范圍內(nèi)留支撐礦柱。誘導工程布置及回采順序如圖8所示。

礦山于2019年5月28日正式進行回采，首采位置位于4#～6#進路部位，這3條進路同時退采，回采跨度45 m。為確?？諈^(qū)底板預(yù)留有足夠的散體安全墊層，需要將出礦比例嚴格控制在崩礦量的45%以內(nèi)。為便于出礦管理，將45%的出礦比例轉(zhuǎn)換為出礦斗數(shù)，礦山采用6 m3電鏟進行出礦，則每一炮排爆破后最多出礦50鏟，堅決杜絕出礦口被出空。

從2019年7月20日開始，采場工作人員在對4#～6#進路進行中深孔裝藥時，陸續(xù)聽到采場內(nèi)部傳出明顯的巖石開裂與冒落聲，這表明空區(qū)頂板正在發(fā)生開裂和冒落，此時采空區(qū)跨度為45 m，長度為41 m。而最能直接證明空區(qū)頂板膠結(jié)充填體已發(fā)生冒落的證據(jù)是冒落膠結(jié)充填體散塊被放出，2019年8月15日5#進路的第25排和第26排炮孔同時裝藥爆破，爆破后按照兩排炮孔崩礦量的45%進行控制出礦，則應(yīng)出礦100鏟，在出礦至第75鏟時，不斷有膠結(jié)充填塊體被放出，這些被放出的膠結(jié)充填塊體尺寸較大，最長邊大多超過了0.6 m，有的塊體最長邊甚至超過了2 m。現(xiàn)場放出的膠結(jié)充填塊體見圖9所示。

此外，礦山還采用GNSS（Global navigation satellite system）技術(shù)對西二采區(qū)地表巖移情況進行了持續(xù)跟蹤監(jiān)測。圖10展示了2019年7月30日—2019年9月10日西二采區(qū)地表巖移情況，負值代表下沉，正值代表隆起。

通過圖10可以看出，在這一時間段內(nèi)監(jiān)測區(qū)域地表發(fā)生顯著下沉，且下沉區(qū)域與井下崩落采礦區(qū)域高度相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，地表監(jiān)測區(qū)域平均下沉21.3 mm，最大下沉量為104 mm，位于5行勘探線附近，下沉量大于80 mm的區(qū)域面積約2 000 m2，占井下崩落區(qū)面積的70%左右。同時在地表塌陷坑附近可觀察到多條裂縫，這些裂縫大多與井下回采進路的退采方向平行，長20～50 m不等，裂寬1～5 cm不等。

綜合井下冒落信息及地表沉降監(jiān)測結(jié)果可知，西二采區(qū)在首采分段出礦量僅為45%、冒落碎脹空間不大的情況下，地表就已經(jīng)發(fā)生了明顯的下沉，說明頂板膠結(jié)充填體及上部覆巖已經(jīng)整體塌陷，采場內(nèi)部已無可以發(fā)生大面積突然冒落的空區(qū)存在，崩落法回采范圍內(nèi)的覆蓋層已經(jīng)安全形成，且在形成過程中井下人員基本沒有任何感覺，實現(xiàn)了低成本、安全高效形成覆蓋層的建設(shè)目標，取得了良好的應(yīng)用效果。

6 結(jié) 論

（1）當下向分層膠結(jié)充填法轉(zhuǎn)為無底柱分段崩落法時，需要將膠結(jié)充填體和頂板圍巖構(gòu)成的復雜巖層崩落以形成覆蓋層，此時可采用誘導冒落法來形成覆蓋層，該方法不僅具有經(jīng)濟、高效以及工序簡單等優(yōu)點，而且還可在形成覆蓋層的過程中滿足過渡期產(chǎn)能需求。

（2）受礦體埋藏淺、礦區(qū)水平應(yīng)力較大、膠結(jié)充填體強度低且頂板圍巖富含光滑陡立節(jié)理面等一系列因素的綜合影響，西二采區(qū)在利用誘導冒落法形成覆蓋層時，采空區(qū)頂板極易突發(fā)直通地表的大規(guī)模冒落，因而需要嚴格防范頂板冒落引發(fā)的筒流沖擊危害。

（3）現(xiàn)場生產(chǎn)實踐證明，在西二采區(qū)大面積膠結(jié)充填體與頂板圍巖互層的復雜結(jié)構(gòu)上覆巖層條件下，采用連續(xù)擴展誘導工程與均勻預(yù)留安全散體墊層的誘導冒落技術(shù)來形成覆蓋層，可有效解決冒落控制和冒落氣浪沖擊防控難題，保障覆蓋層順利形成和工作面安全。