大面積膠結充填體下覆蓋層安全高效形成方法研究

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.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；3.北京市信息服務工程重點實驗室，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，主要體現在釋放地壓、改善爆破效果、提升礦石回收指標以及預防冒落沖擊危害等方面［1］。按照相關規程要求，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，該方法自應用以來在礦石回采、采空區處理、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的采空區使頂板圍巖失去支撐，臨空圍巖在地壓作用下將發生破裂并自然冒落，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能需求，總體來說該方法具有生產成本低、效率高、工序簡單等優點，但在使用過程中需要嚴格防控頂板突發大規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缺點，礦山在實際生產中應結合自身條件及需求，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。由于礦石價值高、礦區構造應力大且礦巖破碎，各礦區一直采用下向水平分層進路式膠結充填法進行采礦。本研究對象為Ⅲ礦區的西二采區，該采區礦體厚大陡立，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理面，并充填有次生物質如綠泥石、滑石等，增加其不穩定性。該礦區礦體屬貧礦資源，礦石品位大約僅為富礦的三分之一，經濟價值相對較低，但由于在基建前期礦產品價格較高，即便是采用膠結充填法進行開采礦山仍可盈利。西二采區于2010年建成投產，為擴大產能采用雙中段同時作業的回采模式，見圖2所示，產能可達165萬t/a。

然而，近年來全球礦業經濟不景氣，礦產品價格持續走低，在此背景下，礦山利用高成本的膠結充填采礦法回采低品位礦石，使得礦山瀕臨虧損，給礦山的生存和發展帶來巨大挑戰。采用其他效率更高、生產成本更低的采礦方法來替代現行的高成本膠結充填法，成為西二采區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，適合采用生產成本較低的崩落法進行回采，經過深入分析之后，認為無底柱分段崩落法的技術優點更為突出，與當前膠結充填法的銜接和過渡也更為順暢。因此，礦山決定率先在上部中段進行采礦方法轉變的工業試驗。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的采礦條件及生產需求，系統研發安全高效、低成本的覆蓋層形成方法。

2 西二采區覆蓋層安全高效形成方法

單從技術角度來看，在西二采區利用傳統的鉆爆方法強制崩落膠結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出，很難滿足礦山在過渡期的產能需求，因此也就排除了在西二采區應用的可能性。基于誘導冒落法在技術及經濟等方面所具有的獨特優勢，可考慮將該方法作為西二采區覆蓋層形成的主要技術方案，即將無底柱分段崩落法的首采分段（也稱誘導工程）布置在膠結充填體下部合適位置，通過首采分段的回采形成連續采空區誘導膠結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完成了通往1 595 m水平的5行和7行分層聯絡道，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給出了西二采區大面積膠結充填體下誘導冒落形成覆蓋層的技術方案。

需要強調的是，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驗也都針對的是礦巖體。而本次誘導冒落的對象為膠結充填體和頂板圍巖構成的復雜結構巖層，膠結充填體作為一種人工構筑體，其強度僅為礦巖體的1/10～1/20，其內部結構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，處于復雜的地壓環境之中。因而需要具體分析這種復雜結構巖層的誘導冒落模式、機理及其冒落時可能引發的井下災害，并制定相應的防治措施，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，在下向分層膠結充填法中會出現充填體沉縮、分層離析、接頂不完全等問題，導致膠結充填體內部具有明顯的層狀結構。因此可參照層狀巖體的冒落特性對膠結充填體的可冒性及冒落形式進行分析。根據層狀巖體的受力特點，將膠結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構。

在圖4中，h為膠結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力；σh為巖梁端部水平集中應力；σv為巖梁所受的垂直應力；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充填體進行破壞分析更為合適，即當膠結充填體分層巖梁中最大剪應力達到其極限抗剪強度時，膠結充填體便發生剪切破壞，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分別為分層的內聚力和內摩擦角。

膠結充填體的臨界冒落面積S計算公式為

西二采區上部中段崩落法首采分段采空區頂板膠結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膠結充填體，其密度分別為2 200 kg/m3、2 700 kg/m3、2 200 kg/m3。根據海姆學說和金尼克學說可求得空區頂板分層橫梁所受的垂向壓力σv＝3 MPa。根據實測，西二采區地應力側壓比λ介于1～2之間，充填體內聚力c=2 MPa，內摩擦角φ=36°，分層厚度h=5 m。將以上數據代入式（1）中，可求得膠結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充填體的受力狀態立即發生改變，垂向應力開始轉移至空區兩幫，造成兩幫剪切應力集中，當兩幫的剪切應力超過膠結充填體的抗剪強度時發生剪切破壞。但由于西二采區水平應力相對較大，一定程度上會增大膠結充填體的臨界冒落跨度，而膠結充填體的強度又較小，當空區兩側的剪應力達到膠結充填體的極限破壞強度時，膠結充填體的破壞可能迅速向上發展，因此更容易發生大規模的批量冒落。

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例為單側慢性硬膜下血腫，6例為雙側慢性硬膜下血腫（3例行雙側鉆孔引流術，3例僅行單側鉆孔引流術）。

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。西二采區頂板圍巖十分軟破，且分布有大量的連續性較好的光滑陡立節理。根據工程經驗可知，此種結構形式的巖體在得到暴露后很難形成應力平衡拱，更可能的是以柱狀形式發生整體剪切陷落［6］，再加之頂板圍巖埋深較淺，當冒落發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為矩形，圖5給出了假想的陷落巖柱形態示意圖。

在極限平衡狀態下，巖柱發生垂直剪切滑動的安全系數可通過下式［8］進行計算：

式中，F為巖柱發生垂直剪切滑動的安全系數；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為側壓比；a、b為巖柱底部邊界的長和寬，m。

鑒于西二采區上覆巖層十分破碎，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，側壓比λ=1～2，假設空區跨度a=45 m（大約為3條進路同時退采時的采空區跨度），將以上各參數代入式（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，當冒落發展至上覆巖層時，很容易發生直通地表的大規模冒落。

4 冒落氣浪沖擊危害及其防治

根據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原理。在繞流沖擊中，空區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四周巖壁，三是受擠壓后沿空區底部通道流出，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。筒流沖擊通常發生在直通地表的冒落過程中，此時冒落在地表產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，這種氣浪產生的沖擊力度大且范圍廣。

無論是理論分析還是數值模擬研究結果均表明，西二采區在誘導冒落過程中極有可能發生直通地表的大規模冒落，此時就容易出現筒流沖擊。生產實踐表明，要預防筒流沖擊所產生的危害，就需要用足夠的礦石散體墊層做隔離，將空區底部通口完全封堵，以保護采礦作業的安全。根據西石門鐵礦、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大規模冒落氣浪沖擊的經驗，總結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為散體墊層基礎穩固性補償量，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給出了預留安全墊層的形態。為便于實際操作和管理，需要根據預留墊層的厚度計算出首采分段的實際出礦量。工程經驗表明空場下散體放出角一般不超過50°，礦石松散系數取1.1～1.3，考慮以上參數后可根據圖9所示估算出要在空區底板預留不少于7.5 m的礦石墊層，則首采分段的出礦比例應控制在崩落礦石的40%～50%。考慮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，因此設定放出量為崩礦量的45%。出礦過程中應始終保持出礦口處于封堵狀態，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保持均勻擴展采空區，確保空區范圍內不留支撐礦柱，促使采空區在初期按照零星冒落，同時封堵冒落區上部聯通口，減少空區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 現場應用及效果

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，避免在回采范圍內留支撐礦柱。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。為確保空區底板預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。為便于出礦管理，將45%的出礦比例轉換為出礦斗數，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，陸續聽到采場內部傳出明顯的巖石開裂與冒落聲，這表明空區頂板正在發生開裂和冒落，此時采空區跨度為45 m，長度為41 m。而最能直接證明空區頂板膠結充填體已發生冒落的證據是冒落膠結充填體散塊被放出，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，則應出礦100鏟，在出礦至第75鏟時，不斷有膠結充填塊體被放出，這些被放出的膠結充填塊體尺寸較大，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。現場放出的膠結充填塊體見圖9所示。

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

通過圖10可以看出，在這一時間段內監測區域地表發生顯著下沉，且下沉區域與井下崩落采礦區域高度相關。據統計，地表監測區域平均下沉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的區域面積約2 000 m2，占井下崩落區面積的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測結果可知，西二采區在首采分段出礦量僅為45%、冒落碎脹空間不大的情況下，地表就已經發生了明顯的下沉，說明頂板膠結充填體及上部覆巖已經整體塌陷，采場內部已無可以發生大面積突然冒落的空區存在，崩落法回采范圍內的覆蓋層已經安全形成，且在形成過程中井下人員基本沒有任何感覺，實現了低成本、安全高效形成覆蓋層的建設目標，取得了良好的應用效果。

6 結 論

（1）當下向分層膠結充填法轉為無底柱分段崩落法時，需要將膠結充填體和頂板圍巖構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，該方法不僅具有經濟、高效以及工序簡單等優點，而且還可在形成覆蓋層的過程中滿足過渡期產能需求。

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

（3）現場生產實踐證明，在西二采區大面積膠結充填體與頂板圍巖互層的復雜結構上覆巖層條件下，采用連續擴展誘導工程與均勻預留安全散體墊層的誘導冒落技術來形成覆蓋層，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。