摘要：為了安全回采松散礦碴及低強度充填體壓覆下的階段水平礦柱，采用古典楊森散體壓力理論及矩形等厚薄板力學模型分析了留設頂板受載情況及安全厚度，并通過工程實例進行了驗證。結果表明，當上中段破碎底部結構不予回采，下中段頂柱留設安全厚度時，可通過進路式充填采礦法實現水平礦柱的安全開采;其中，下中段頂柱高5m，采高3.5m，頂板安全厚度1.5m，礦石回收率68%，貧化率3%，取得了較好的安全與經濟效益平衡。
關鍵詞：充填體壓覆;矩形等厚薄板;頂板安全厚度;進路式回采;安全論文發表
隨著國家對礦山開采安全與環保重視程度的加深，越來越多的地下金屬礦山選擇或改用充填法進行開采。出于節約投資、加快投產的目的，很多礦山采用多中段同時自下而上進行充填法開采，從而在中段間留下了數量眾多的水平礦柱。據統計，國內受充填體壓覆或影響的礦柱礦量占礦山總儲量的20%～40%。階段水平礦柱的回采歷來是采礦界的難題[1]，其結構完整性及穩定性不僅受到開采過程中應力的二次分布及開采擾動的影響，同時也與相鄰中段充填體的接頂質量密切相關，因此表現出極其復雜的受力狀態，加劇了開采的安全隱患。如雞冠嘴銅礦在低強度高水充填體條件下采用兩步驟進路充填間隔回采頂底柱，發現開采前底柱上覆充填體拉應力遠超其極限抗拉強度，容易在開采時發生破壞[2]。銅綠山充填體下階段水平礦柱存在表面剝落、裂隙擴展、損傷積聚、剪切破壞的風險，因此盤區殘礦采用上向分層充填法進行回采時必須留設護頂層和點柱[3]。瑯琊山銅礦頂柱回采時上下中段礦房均已回采并充填，仍發現水平礦柱處于高度受力狀態，回采難度大，安全系數低[4]。
平衡好回采過程中的安全性與經濟效益是充填體下水平礦柱回收的關鍵問題，其中最重要的參數是留設頂板的安全厚度，留設頂板過厚，則礦石損失率大;反之，則存在頂板垮塌、破壞的風險。眾多學者采用模型物理試驗、數值模擬、半定量分析等方法進行頂板安全厚度的計算[5-7]，對充填體壓覆條件下的階段水平礦柱安全回采提供了良好的設計基礎。本文以石頭嘴銅鐵礦高中段充填體壓覆下的階段水平礦柱回采為工程背景，基于古典楊森散體壓力理論、彈性矩形薄板力學模型來分析階段水平礦柱的受力狀態及護頂層厚度，并通過進路式充填采礦法進行工程驗證，保障了充填體下水平礦柱的安全回采。
1安全厚度計算
1.1水平礦柱開采技術條件
石頭嘴銅鐵礦-270m中段11B#線以西階段水平礦柱高5m，長60m，平均厚度15m，礦體傾角75o;礦柱上部依次為電耙底部結構及-270m中段充填體，下部為-320m中段充填體;其中底部結構較破碎且不規則地分布大小不均的殘礦碴，上下中段充填體高度均為50m。采場采用低灰砂比的分級尾砂膠結充填，采場上部充填體強度低(部分為純尾砂體)，底部強度稍高;但總體上充填體強度分布極不均勻，整體性較低，穩定性一般，且均未完全接頂。
礦體位于風化帶之下，頂板主要為大理巖，底板為花崗閃長巖及閃長斑巖，局部地段為矽卡巖。大理巖整體性好，銅鐵礦石次之，花崗閃長斑巖最差;其中，礦體與大理巖的接觸帶部位的巖體強度相對較低，但接觸影響寬度較小;礦體與花崗閃長斑巖的接觸帶礦巖破碎，遇水容易膨脹崩解且強度迅速降低，穩定性最差。主要礦巖物理力學參數見表1。
1.2矩形等厚薄板力學模型由于階段水平礦柱長高比較大，因此可將最終留設的安全厚度頂板簡化為均布載荷下的四邊固支彈性矩形薄板力學模型，并采用重三角級數解法求解撓度及應力[8-9]。
2進路充填采礦法
2.1采場結構參數
以整個階段水平礦柱為一個回采單元。根據頂板安全厚度分析結果，-270m中段高8m的破碎底部結構不予回采，回采區域為-320m中段厚5m的頂柱，設計回采高度為3.5m，上部1.5m作為護頂層。回采區域中央布置一條垂直礦體走向的出礦穿脈，故采場沿走向布置，長30m，寬15m，高3.5m。考慮到下中段充填體未完全接頂，因此，在-320m頂柱設計標高下沉0.5m向礦體掘進工程，采用“邊探邊充、先充后掘”的方式，一旦遇到采空區即進行充填處理，在充填體凝固到所需強度后再繼續向前掘進，以保證進路下方不留采空區。回采進路寬3m，高3m，其中充填體內0.5m，礦體內2.5m;進路上方為1m的挑頂層。
2.2采礦工藝
1)回采順序
回采單元內，沿礦體走向的采場按“隔一采一”的形式，從礦體下盤回采至上盤。豎直方向上，先進行進路式采礦，待整條進路開采完后進行上向淺孔挑頂，再進行充填處理。
2)采準切割
根據現場條件，從上盤斜坡道-275.5m標高(即頂柱開采標高下0.5m)開口布置采準工程，首先，從斜坡道開口施工斜坡道聯絡道連通礦體，再從上盤相應位置向兩側施工上盤運輸巷道聯通相鄰區的溜井;其次，繼續向礦體內掘進出礦穿脈(規格3m×3m)至下盤礦巖界線;從穿脈可依次向礦體兩側掘進回采進路，進路沿礦體走向布置，規格3m×3m。
3)鑿巖爆破
鑿巖采用YT7655鑿巖機鑿巖，鉆頭直徑40mm，孔深2.3m，設計每個循環進尺為2.0m，鑿巖臺效為約70m/臺班。炸藥單耗為0.7kg/t。
4)通風
進路式開采時，按巷道獨頭掘進方式進行通風。進路工作面采用JK58-1No4.0(5.5kW)或JK58-1No4.5(11kW)局扇輔助通風。當送風距離短時采用抽出式通風，當送風距離較長時，可采用壓、抽混合式通風。
5)支護
根據Mathews穩定圖法分析，3m×3m的進路基本可在回采過程中保持穩定。考慮到礦山曾在-320m中段巷道掘進時遇到過采動地壓及巷道片幫、冒頂現象，因此，對穿脈巷及回采進路采場，應在爆破后及時撬毛，并視具體情況采用管縫式錨桿或液壓木支柱加固處理，必要時采用錨網噴支護。
6)出礦
進路內崩落礦石采用WJD-1.0型柴油鏟運機，通過穿脈出礦進路、上盤運輸巷運至上盤礦石溜井，然后放至-320m中段水平，再通過主井提升至地表。
7)充填
充填分成兩部分，一是穿脈運輸巷道及分層進路掘進時，需采用尾砂膠結充填對-320m頂柱下方空區進行處理，再在充填實體上繼續掘進;二是進路采場的充填，一步驟礦房采場用灰砂比為1∶4的充填料漿充填，二步驟礦柱采場采用灰砂比1∶10的充填體進行充填。回采一步驟采場時，在穿脈運輸巷道兩側各布設1架充填擋墻，保證二步驟采場開采時的出礦通道;回采二步驟采場時，在進路內布設1架充填擋墻。
2.3技術經濟指標
進路式充填采礦法回采區域為-320m中段高5m的頂柱，回采高度3.5m，其余1.5m作為護頂層不予回采。自現場應用以來，采場進路并未發現明顯的垮塌、冒頂與片幫事故，留設頂板保持了較好的穩定性。開采區域一般同時布置3條進路同時回采，單條進路采場生產能力70t/d，礦塊生產能力約200t/d，礦石綜合回收率68%(表2);由于采場上方留設了1.5m的護頂層，礦石貧化率得到較好的控制，貧化率僅3%。進路式充填采礦法實現了階段水平礦柱的安全回采，也取得了較好的經濟效益。
3結論
1)古典楊森散體壓力理論適用于松散殘礦及低強度充填體壓覆下的階段水平礦柱受載荷分析，結合彈性矩形等厚薄板力學模型可計算留設頂板的安全厚度。
2)石頭嘴銅鐵礦-270m階段水平礦柱由上中段破碎底部結構與下中段頂柱組成，采用進路式充填采礦法時底部結構不予回采，下中段5m高頂柱設計回采下部3.5m，留設上部1.5m作為護頂層不予回采。
3)采場進路及留設頂板在開采周期內保持了較好的穩定性，通過進路式回采及上向淺孔挑頂，實現了階段水平礦柱的安全回采，礦塊生產能力200t/d，礦石回收率68%，貧化率3%。
