礦山充填機理的理論研究現狀及發展趨勢

蔡嗣經

(北京科技大學土木與環境工程學院資源工程系， 北京 100083)

礦山充填機理的理論研究現狀及發展趨勢

蔡嗣經

(北京科技大學土木與環境工程學院資源工程系， 北京 100083)

概述了國內外礦山充填機理的理論研究現狀，闡述了北京科技大學近年來在露天礦山轉地下充填法開采、河流下礦床充填法開采、水平厚大礦體充填法開采等方面的充填機理研究工作進展，指出了礦山充填機理研究的發展趨勢。

礦山充填;力學機理;“三下”采礦;充填體強度

1 礦山充填機理的理論研究現狀

在20世紀70～80年代，國內外許多學者和工程技術人員都進行了礦山充填力學機理的研究工作，獲得了較多的理論成果。Brady和Brown認為充填體對圍巖的支撐作用可能同時有幾種[1]，如圖1所示。事實上，圖1中(a)和(b)所示的情況與各礦山的具體開采條件有關，難于作統一的理論分析。因此，可以認為在考慮采場內充填體的力學作用時，主要是參照圖1(c)所示的模式。

圖1 充填體支撐采場圍巖的可能模式

Blight用石英巖芯模擬充填材料包圍中的礦柱[2]，通過試驗得出這種“礦柱”的應力應變曲線，如圖2所示。剛性充填料即可限制巖芯橫向變形，又可提供較大的側限壓力，在巖芯壓縮變形達到1.75%(1.4 mm)時，仍未使巖芯破壞;而軟充填料包圍中的巖芯其強度與沒有任何充填料包圍的巖芯強度相差無幾，但可限制巖芯的側向變形，并使巖芯的殘余強度增大，達到其破壞強度的85%以上。可以認為，在科學研究的意義上，圖2具有較大的理論價值，在某種程度上使人們對充填體支撐采場圍巖的力學作用機理的認識前進了一步。

圖2 巖芯在有無充填料包圍條件下的應力應變曲線

為進一步研究圖1(c)所示的充填作用機理，作者在20世紀90年代初，曾提出用采場圍巖的力學響應特性來研究礦山充填機理。采場圍巖的力學響應特性可用圍巖中存儲的應變能以及圍巖的位移量來表示。而對于充填法采場來說，圍巖的位移量不大，但圍巖中存儲的應變能卻相當多[3]。

一個具有整體性支護(如充填料)的采場，考察其圍巖的能量平衡關系，如采場圍巖與支護均處于彈性變形狀態，并且這個采場不受其他采場的影響，則其圍巖的能量變化為:

式中:WR——采場圍巖釋放的能量;

Wa——采場支護系統所吸收的能量;

WS——采場圍巖中存儲的能量;

a1、a2、a3——分別為垂直于原巖主應力 σ1、σ2、σ3的采場圍巖壁面積;

σ′1、σ′2、σ′3——支 護 系 統 對 圍 巖 的 支 撐反力;

u′1、u′2、u′3——圍巖壁在承受原巖應力和支護反力聯合作用之后尚具有的位移。

當多個采場同時開采且相距不遠時，由于相互影響，圍巖釋放的應變能將增大。此時對于彈性狀態可用迭加的方法計算圍巖釋放的應變能WR。

據式(1)可得

若令:σav為原巖的平均主應力，即σav=(σ1+σ2+σ3)/3;σs為主護系統對圍巖的平均支護反力，即σs=( σ′1+σ′2+σ′3)/3;Vc為采場的體積閉合量。

如果無支護，即σs=0或Wa=0時，此時若采場圍巖壁不出現破壞，則有WR=WS;若采場圍巖壁出現一些破壞，則有WR＞WS;如果有支護，采場處于穩定狀態則式(2)成立[3]。

在彈性狀態下，圍巖中存儲的能量WS取決于采場的開采體積，而圍巖釋放的能量WR取決于采場的體積閉合量Vc[6]。因此，采場圍巖的穩定主要與圍巖釋放的能量WR有關;采場圍巖中的應力分布狀態和應力集中程度主要與存儲的能量WS有關。當采場的體積閉合量 Vc減少至 V′c時，WS減小了 ΔWS，WR減小了ΔWR，且有:

當使用孔隙率較大的充填料支護采場圍巖時，由于充填料的壓縮特性，采場圍巖的能量平衡關系將如圖3所示。此時，有:

圖3 充填法采場圍巖的能量平衡關系

綜上可得，采場的體積閉合量Vc是綜合評估采場穩定性的重要判據。因此，建議采用“采場體積閉合率”作為采場穩定性設計的控制參數。一般地，采場體積閉合率Rs可表示為:

式中:Vc——采場的體積閉合量;

Vt——采場的開采體積。

2 北京科技大學充填機理研究進展

2.1 大冶鐵礦露天轉地下充填法開采

大冶鐵礦東露天轉地下開采工程于2003建成投產。礦體傾角70°～90°，礦體平均厚度為26 m，目前分－50，－120，－180 m 3個階段開采。作為我國國家級礦山公園，礦山為保護其露天邊坡，減小尾礦庫尾礦排放量，東采區－180 m階段采用全尾砂膠結充填法開采，如圖4所示。

圖4 大冶鐵礦充填法開采的礦塊位置示意

宋衛東、杜建華等[4]在2010年采用實驗室相似模擬試驗和數值分析等方法研究充填體的作用機理，得出結論為:充填體將支撐上覆散體巖層的部分重力。因此，按經驗公式法及經驗類比法，確定膠結充填體的設計強度為2.0 MPa。

2.2 港里鐵礦河流下充填法開采

港里鐵礦I號礦體呈似層狀，形態簡單，產狀穩定，走向 N45°E，向東傾斜，傾角 5°～20°，走向長920 m，寬300 m，平均厚度14.35 m，地質儲量1268萬t。地表有一條匯河在礦體上部流過，屬源短流急的間歇性河流，全長46 km，流域面積144 km2，歷年最大洪峰流量為180.6 m3/s。此外，礦體上部附近有幾個村莊。礦體頂板圍巖主要為石炭系板巖、角巖，局部為第三系砂礫巖，穩固性較差。礦體底板圍巖為奧陶系大理巖、透輝石矽卡巖、閃長巖、蛇紋巖及蝕變閃長巖等，除透輝石矽卡巖穩固性較差外，其它圍巖穩固性較好。礦體穩固性較好，設計采用上向水平分層高進路充填采礦法。由于是“三下”采礦，且充分考慮到充填法采礦地表巖移存在的滯后性，提出了在充填法采場中預留規則的原巖礦柱的方案。

根據礦體賦存狀況，明世祥、樊忠華等[5]在2010年進行了實驗室相似模擬三維數值模擬研究，分別設置了預留點柱、不預留點柱、充填體灰砂比為(1∶4、1∶8、1∶10)等多種情形，得出的結論主要有:預留點柱和不留點柱對地表位移場、應力場變化敏感，不留點柱地表位移增加了1.35倍，最大主應力增加達1.0倍;充填體強度的改變對地表位移場、應力場變化不敏感，模擬的數據在20%范圍內波動，但充填體強度的提高，減小了點柱的塑性分布范圍，充填體對礦柱起到了明顯的支撐作用;采、充轉換時間對地表位移影響明顯，尤其是對礦柱應力集中的影響突出，說明了充填體對礦柱良好的支撐作用。從控制地表位移考慮，采、充轉換時間越短越利于地表的保護。

2.3 司家營鐵礦南區水平厚大礦體充填法開采

司家營鐵礦南區Ⅰ號礦體北段S6～S38線之間的地質儲量多達11.2856億t。由于礦體厚大、連續性好，加之礦石品位較低，經過論證設計，規模確定為1500萬t/a。為此，設計了階段空場嗣后充填采礦方法。

周冬冬，高謙等[6]在2010年采用實驗室相似模擬和FLAC3D數值模擬方法，通過對采場最大主應力場的模擬分析得出結論:采場在不同采深情況下圍巖最大主應力場服從由上至下逐漸增大的基本規律，最大值位于采場的底部、開采區的地板和頂板位置;在充填之后，采場最大應力場有明顯變小的趨勢，且膠結充填體的支撐作用明顯大于尾砂膠結充填體強度;采場的最小主應力場仍遵循由上至下逐漸增大的基本規律。值得注意的是，隨著采深的增加，采場地表巖體出現的拉應力范圍逐漸擴大，將使采場地表出現裂痕。當開采到－250 m時，采場圍巖由于受到開采擾動的影響，采場周邊范圍內出現了較大的拉應力區。充填后對最小主應力變化較小，尤其當充填體為中等強度尾砂時最小主應力變化甚微。

3 發展趨勢

(1)深井開采的高應力、高溫、高滲流壓力問題。對于深部礦床開采遇到的各種安全問題和工程技術問題，國內外都很重視。在南非，井下黃金礦床開采最深已超過4000 m，其遭遇的巖爆、采礦場和巷道破壞、以及高溫等都很嚴重，礦山采用一些監測儀器和設備進行現場測量和記錄，并采用尾砂充填等方法進行控制;國內許多學者、研究人員和現場工程技術人員也對深井開采問題進行了研究[7，8]。一般地說，為了應對深部開采的“三高”(高應力場、高溫度場、高滲流壓力場)問題，首選采礦方法應是充填采礦法。

在研究深部采礦充填體的作用機理時，應該考慮:應力場與滲流場的耦合作用，應力場與熱應力場的耦合作用，及應力場與滲流場、熱應力場的多場耦合作用。

(2)復雜性科學理論與方法的應用。礦巖材料、充填材料及其力學機理的非線性、深部開采環境的復雜性決定了深部礦床開采與充填是一個復雜大系統，需要采用復雜性科學的理論與方法，建立起復雜性系統的模型和理論體系[9]。

例如，研究深部礦床開采中充填體的防災減災機理。一般來說，深部礦床開采中充填體防災減災機理的主要控制變量可分為3類:深部礦巖體及充填體的物理、力學性質;地下開采的幾何形狀和開挖順序;以及外部荷載。因此，深部礦床開采充填體防災減災機理是一個受多變量控制的復雜非線性系統，可采用自組織映射神經網絡(SOM－BP)方法來進行研究。

[1] Brady B H G，Brown E T.Rock Mechanics for Underground Mining[M].London:George Allen ＆ Unwin，1985.

[2] Blight G E，Clarke I E.Design and properties of still fill for lateral support[C]∥Mining with Backfill，Proc.of International Symposium，Lulea:Conference of mining with Backfill，1983.

[3] 蔡嗣經.礦山充填力學基礎(第2版)[M].北京:冶金工業出版社，2009.

[4]宋衛東，杜建華，楊幸才，等.深凹露天轉地下開采高陡邊坡變形與破壞規律[J].北京科技大學學報，2010，32(2):145－151.

[5] 樊忠華.充填體與圍巖相互作用機理與應用研究[D].北京:北京科技大學，2010.

[6] 周冬冬，高 謙，余偉健，等.司家營鐵礦階段充填法開采流固藕合數值模擬[J].礦業研究與開發，2010，30(2):19 －22.

[7] 古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京:冶金工業出版社，2006.

[8] 周愛民.礦山廢料膠結充填(第2版)[M].北京:冶金工業出版社，2010.

[9] 周文略，楊 鵬，蔡嗣經.基于元胞自動機的深部采礦巖體變形的演化模型[J].北京科技大學學報，2007，29(11):1069－1073.

2011－04－06)

蔡嗣經(1952－)，男，博士，北京科技大學教授、博士生導師，主要從事采礦工程、安全技術及工程的教學與科研工作。