矿山充填机理的理论研究现状及发展趋势

蔡嗣经

(北京科技大学土木与环境工程学院资源工程系， 北京 100083)

矿山充填机理的理论研究现状及发展趋势

蔡嗣经

(北京科技大学土木与环境工程学院资源工程系， 北京 100083)

概述了国内外矿山充填机理的理论研究现状，阐述了北京科技大学近年来在露天矿山转地下充填法开采、河流下矿床充填法开采、水平厚大矿体充填法开采等方面的充填机理研究工作进展，指出了矿山充填机理研究的发展趋势。

矿山充填;力学机理;“三下”采矿;充填体强度

1 矿山充填机理的理论研究现状

在20世纪70～80年代，国内外许多学者和工程技术人员都进行了矿山充填力学机理的研究工作，获得了较多的理论成果。Brady和Brown认为充填体对围岩的支撑作用可能同时有几种[1]，如图1所示。事实上，图1中(a)和(b)所示的情况与各矿山的具体开采条件有关，难于作统一的理论分析。因此，可以认为在考虑采场内充填体的力学作用时，主要是参照图1(c)所示的模式。

图1 充填体支撑采场围岩的可能模式

Blight用石英岩芯模拟充填材料包围中的矿柱[2]，通过试验得出这种“矿柱”的应力应变曲线，如图2所示。刚性充填料即可限制岩芯横向变形，又可提供较大的侧限压力，在岩芯压缩变形达到1.75%(1.4 mm)时，仍未使岩芯破坏;而软充填料包围中的岩芯其强度与没有任何充填料包围的岩芯强度相差无几，但可限制岩芯的侧向变形，并使岩芯的残余强度增大，达到其破坏强度的85%以上。可以认为，在科学研究的意义上，图2具有较大的理论价值，在某种程度上使人们对充填体支撑采场围岩的力学作用机理的认识前进了一步。

图2 岩芯在有无充填料包围条件下的应力应变曲线

为进一步研究图1(c)所示的充填作用机理，作者在20世纪90年代初，曾提出用采场围岩的力学响应特性来研究矿山充填机理。采场围岩的力学响应特性可用围岩中存储的应变能以及围岩的位移量来表示。而对于充填法采场来说，围岩的位移量不大，但围岩中存储的应变能却相当多[3]。

一个具有整体性支护(如充填料)的采场，考察其围岩的能量平衡关系，如采场围岩与支护均处于弹性变形状态，并且这个采场不受其他采场的影响，则其围岩的能量变化为:

式中:WR——采场围岩释放的能量;

Wa——采场支护系统所吸收的能量;

WS——采场围岩中存储的能量;

a1、a2、a3——分别为垂直于原岩主应力 σ1、σ2、σ3的采场围岩壁面积;

σ′1、σ′2、σ′3——支 护 系 统 对 围 岩 的 支 撑反力;

u′1、u′2、u′3——围岩壁在承受原岩应力和支护反力联合作用之后尚具有的位移。

当多个采场同时开采且相距不远时，由于相互影响，围岩释放的应变能将增大。此时对于弹性状态可用迭加的方法计算围岩释放的应变能WR。

据式(1)可得

若令:σav为原岩的平均主应力，即σav=(σ1+σ2+σ3)/3;σs为主护系统对围岩的平均支护反力，即σs=( σ′1+σ′2+σ′3)/3;Vc为采场的体积闭合量。

如果无支护，即σs=0或Wa=0时，此时若采场围岩壁不出现破坏，则有WR=WS;若采场围岩壁出现一些破坏，则有WR＞WS;如果有支护，采场处于稳定状态则式(2)成立[3]。

在弹性状态下，围岩中存储的能量WS取决于采场的开采体积，而围岩释放的能量WR取决于采场的体积闭合量Vc[6]。因此，采场围岩的稳定主要与围岩释放的能量WR有关;采场围岩中的应力分布状态和应力集中程度主要与存储的能量WS有关。当采场的体积闭合量 Vc减少至 V′c时，WS减小了 ΔWS，WR减小了ΔWR，且有:

当使用孔隙率较大的充填料支护采场围岩时，由于充填料的压缩特性，采场围岩的能量平衡关系将如图3所示。此时，有:

图3 充填法采场围岩的能量平衡关系

综上可得，采场的体积闭合量Vc是综合评估采场稳定性的重要判据。因此，建议采用“采场体积闭合率”作为采场稳定性设计的控制参数。一般地，采场体积闭合率Rs可表示为:

式中:Vc——采场的体积闭合量;

Vt——采场的开采体积。

2 北京科技大学充填机理研究进展

2.1 大冶铁矿露天转地下充填法开采

大冶铁矿东露天转地下开采工程于2003建成投产。矿体倾角70°～90°，矿体平均厚度为26 m，目前分－50，－120，－180 m 3个阶段开采。作为我国国家级矿山公园，矿山为保护其露天边坡，减小尾矿库尾矿排放量，东采区－180 m阶段采用全尾砂胶结充填法开采，如图4所示。

图4 大冶铁矿充填法开采的矿块位置示意

宋卫东、杜建华等[4]在2010年采用实验室相似模拟试验和数值分析等方法研究充填体的作用机理，得出结论为:充填体将支撑上覆散体岩层的部分重力。因此，按经验公式法及经验类比法，确定胶结充填体的设计强度为2.0 MPa。

2.2 港里铁矿河流下充填法开采

港里铁矿I号矿体呈似层状，形态简单，产状稳定，走向 N45°E，向东倾斜，倾角 5°～20°，走向长920 m，宽300 m，平均厚度14.35 m，地质储量1268万t。地表有一条汇河在矿体上部流过，属源短流急的间歇性河流，全长46 km，流域面积144 km2，历年最大洪峰流量为180.6 m3/s。此外，矿体上部附近有几个村庄。矿体顶板围岩主要为石炭系板岩、角岩，局部为第三系砂砾岩，稳固性较差。矿体底板围岩为奥陶系大理岩、透辉石矽卡岩、闪长岩、蛇纹岩及蚀变闪长岩等，除透辉石矽卡岩稳固性较差外，其它围岩稳固性较好。矿体稳固性较好，设计采用上向水平分层高进路充填采矿法。由于是“三下”采矿，且充分考虑到充填法采矿地表岩移存在的滞后性，提出了在充填法采场中预留规则的原岩矿柱的方案。

根据矿体赋存状况，明世祥、樊忠华等[5]在2010年进行了实验室相似模拟三维数值模拟研究，分别设置了预留点柱、不预留点柱、充填体灰砂比为(1∶4、1∶8、1∶10)等多种情形，得出的结论主要有:预留点柱和不留点柱对地表位移场、应力场变化敏感，不留点柱地表位移增加了1.35倍，最大主应力增加达1.0倍;充填体强度的改变对地表位移场、应力场变化不敏感，模拟的数据在20%范围内波动，但充填体强度的提高，减小了点柱的塑性分布范围，充填体对矿柱起到了明显的支撑作用;采、充转换时间对地表位移影响明显，尤其是对矿柱应力集中的影响突出，说明了充填体对矿柱良好的支撑作用。从控制地表位移考虑，采、充转换时间越短越利于地表的保护。

2.3 司家营铁矿南区水平厚大矿体充填法开采

司家营铁矿南区Ⅰ号矿体北段S6～S38线之间的地质储量多达11.2856亿t。由于矿体厚大、连续性好，加之矿石品位较低，经过论证设计，规模确定为1500万t/a。为此，设计了阶段空场嗣后充填采矿方法。

周冬冬，高谦等[6]在2010年采用实验室相似模拟和FLAC3D数值模拟方法，通过对采场最大主应力场的模拟分析得出结论:采场在不同采深情况下围岩最大主应力场服从由上至下逐渐增大的基本规律，最大值位于采场的底部、开采区的地板和顶板位置;在充填之后，采场最大应力场有明显变小的趋势，且胶结充填体的支撑作用明显大于尾砂胶结充填体强度;采场的最小主应力场仍遵循由上至下逐渐增大的基本规律。值得注意的是，随着采深的增加，采场地表岩体出现的拉应力范围逐渐扩大，将使采场地表出现裂痕。当开采到－250 m时，采场围岩由于受到开采扰动的影响，采场周边范围内出现了较大的拉应力区。充填后对最小主应力变化较小，尤其当充填体为中等强度尾砂时最小主应力变化甚微。

3 发展趋势

(1)深井开采的高应力、高温、高渗流压力问题。对于深部矿床开采遇到的各种安全问题和工程技术问题，国内外都很重视。在南非，井下黄金矿床开采最深已超过4000 m，其遭遇的岩爆、采矿场和巷道破坏、以及高温等都很严重，矿山采用一些监测仪器和设备进行现场测量和记录，并采用尾砂充填等方法进行控制;国内许多学者、研究人员和现场工程技术人员也对深井开采问题进行了研究[7，8]。一般地说，为了应对深部开采的“三高”(高应力场、高温度场、高渗流压力场)问题，首选采矿方法应是充填采矿法。

在研究深部采矿充填体的作用机理时，应该考虑:应力场与渗流场的耦合作用，应力场与热应力场的耦合作用，及应力场与渗流场、热应力场的多场耦合作用。

(2)复杂性科学理论与方法的应用。矿岩材料、充填材料及其力学机理的非线性、深部开采环境的复杂性决定了深部矿床开采与充填是一个复杂大系统，需要采用复杂性科学的理论与方法，建立起复杂性系统的模型和理论体系[9]。

例如，研究深部矿床开采中充填体的防灾减灾机理。一般来说，深部矿床开采中充填体防灾减灾机理的主要控制变量可分为3类:深部矿岩体及充填体的物理、力学性质;地下开采的几何形状和开挖顺序;以及外部荷载。因此，深部矿床开采充填体防灾减灾机理是一个受多变量控制的复杂非线性系统，可采用自组织映射神经网络(SOM－BP)方法来进行研究。

[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] 蔡嗣经.矿山充填力学基础(第2版)[M].北京:冶金工业出版社，2009.

[4]宋卫东，杜建华，杨幸才，等.深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律[J].北京科技大学学报，2010，32(2):145－151.

[5] 樊忠华.充填体与围岩相互作用机理与应用研究[D].北京:北京科技大学，2010.

[6] 周冬冬，高 谦，余伟健，等.司家营铁矿阶段充填法开采流固藕合数值模拟[J].矿业研究与开发，2010，30(2):19 －22.

[7] 古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术[M].北京:冶金工业出版社，2006.

[8] 周爱民.矿山废料胶结充填(第2版)[M].北京:冶金工业出版社，2010.

[9] 周文略，杨 鹏，蔡嗣经.基于元胞自动机的深部采矿岩体变形的演化模型[J].北京科技大学学报，2007，29(11):1069－1073.

2011－04－06)

蔡嗣经(1952－)，男，博士，北京科技大学教授、博士生导师，主要从事采矿工程、安全技术及工程的教学与科研工作。