点柱式上向水平分层充填法充填采场稳定性研究

孙 杰，任海锋

（1．招金矿业股份有限公司，山东招远265414；2．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；3．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

点柱式上向水平分层充填法充填采场稳定性研究

孙 杰1，任海锋2，3

（1．招金矿业股份有限公司，山东招远265414；2．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；3．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

为了确保大尹格庄金矿采场安全，提高资源回收率，对－380、－496、－556、－616水平一些采场矿柱进行调查，总结发现矿柱受结构面的方向控制，呈现不同的破坏模式，大致可分为节理组平行矿柱壁面、节理组与矿柱斜交、节理面平行于顶板；建立了矿柱宽度、矿房顶板跨度及矿体开采深度与矿柱安全系数的关系式，分析得到矿柱宽度对矿柱安全系数的影响作用最大，其次为矿体开采深度，最后为矿房顶板跨度；对目标采场矿柱进行稳定性评价，得到各矿柱的安全系数，圈定出了不稳定矿柱；最后对－616水平顶板极限跨度及矿柱尺寸进行计算得到顶板极限跨度为8．2m，矿柱宽度应大于4．1m。

矿柱；稳定性；破坏模式；安全系数

随着我国地下采矿技术的快速发展，深部采矿已是不可避免的发展趋势，但是随着开掘深度逐渐增加，地压等问题逐渐凸显，直接威胁到采场的稳定性。采场的稳定性取决于顶柱和矿柱的稳定［1－4］，其是采场的关键结构体。矿山地下回采后，随着采空区的不断扩大，矿岩原始应力平衡状态被打破，应力的重新分布随着地下采场结构的变化而发生，当应力达到了岩体本身的极限临界强度时，岩体便会发生破坏。由于开采深度的增加，作用在矿柱上的地应力也随之增大，造成矿柱发生不同程度的破坏。采场顶板岩体与矿柱的稳定性对上向点柱式开采采场的稳定性至关重要［5－8］，因此，对采场关键结构体进行稳定性理论分析，正确选取合理的采场结构参数，对于采场的安全性和矿山效益具有着重要的意

义［9－11］。

1 工程背景

大尹格庄金矿2＃矿体为该矿主要矿体。由于地面胶结系统未及时形成，该矿仍沿用最初的上向水平点柱式非胶结充填采矿方法，其回采步骤如图1所示。

图1 回采步骤示意图Fig．1 Diagram of mining steps

但此类采矿方法对采场围岩稳定性要求较高，采用点柱式护顶，容易形成采场整体性失衡；并且随着开采深度的加深，采场地压加大以及上盘断层带的影响扩大，使各采场的安全形式日益严峻；为了确保大尹格庄金矿采场安全，极大地回收矿山资源，有必要对采场的稳定性进行分析。

2 采场地压显现特性调查

为保证矿山下一步生产安全进行，对－380四、六分段，－496五分段、－556一分段、二分段以及－616一分段、二分段各采场等进行实地考察，并对采场矿柱所处形态进行素描，总结其破坏模式及破坏规律。以－616一分段85线为例，其矿柱素描图以及矿柱形态描述见图2所示。

图2 －616水平85线矿柱形态Fig．2 Pillar forms of line 85at the－616level

由图2可以看出，－616水平85线节理发育完全，这也是矿柱发生破坏的主要原因，并且多数矿柱已破坏失效。6＃矿柱宽度已严重不足4m，呈倒锥形且破坏严重，3＃、4＃、5＃、6＃矿柱跨度过大，以致5＃、6＃矿柱应力集中过大，使矿柱破坏严重。某些矿柱虽然没有明显破坏，但是矿柱表面节理发育，容易受到爆破或其它工程扰动发生失稳破坏，例如1＃矿柱。由于不同区域的矿岩地质条件和受力状态不同，因而矿柱的破坏形状也不相同，矿柱受结构面的方向控制，所呈现的矿柱破坏模式大致可分为节理组平行矿柱壁面（如假1号矿柱）、节理组与矿柱斜交（如5＃、7＃、1＃等矿柱）、节理面平行于顶板（如3＃矿柱）。对于完整性较好的矿柱，即受地质构造影响较小的矿柱，其稳定性主要取决于本身受力状态以及内部裂隙发育状态。

综合各个采场调查的结果发现，经过多年的无序开采，井下采空区形态复杂，预留的矿柱形状多种多样，尺寸大小不一，虽然井下并未出现大面积的地压活动，但在局部时常出现顶板岩层冒落、矿柱开裂或片帮等现象，尤其靠近上盘断层附近的采场，顶板较破碎，即使采取了锚索支护，常发生楔形矿体滑落，因此急需对采场结构参数进行优化设计，提高回收率的同时避免发生较大的安全事故。

3 矿柱稳定性分析

利用该矿现行采矿方法回采矿体时，地应力受扰动后会转移到预留矿柱上。所以，进行矿柱稳定性分析主要从矿柱载荷、承载强度、矿房与矿柱尺寸（高度与宽度）等方面进行。

3．1 矿柱稳定性影响因素

影响矿柱稳定性的因素较多，在进行矿柱稳定性分析计算时所考虑的影响因素主要有：1）矿柱受载荷大小；2）矿柱的高宽比；3）矿房尺寸与矿柱尺寸；4）构造因素；5）矿柱自身强度，主要决定于其单轴抗压和抗剪强度，即岩体本身的c、φ值；6）矿体开采深度；7）上覆岩层容重；8）其它因素，如爆破动载、开采强度等对于采场稳定性影响也较为显著。

3．2 矿柱荷载分析研究

对矿柱稳定性进行研究，确定矿柱所承受荷载是矿柱稳定性分析的关键之一。国内外学者针对矿柱载荷分析提出了许多假设和分析，包括压力拱理论、Wilson理论及面积承载理论等［12］。本文采用应用范围较广泛的面积承载理论进行矿柱荷载的分析研究。矿柱截面积承载理论的实质就是矿柱所承受的荷载是其所支撑的顶柱范围内直通地表的上覆岩层的重量与矿柱本身重量之和。根据大尹格庄金矿采场现状，采场回采完毕后，矿柱基本为方形点柱，则其荷载公式为：

式中：σp—矿柱荷载；γ—上覆岩层容重；H—矿体开采深度；Wo—顶板跨度；Wp—矿柱宽度。

3．3 矿柱承载强度

矿柱稳定性分析中必须面对两个十分重要的问题，即尺寸效应和形状效应。岩石力学试验告诉我们，试件的尺寸越大，其各项强度指标就越低，一些学者结合理论分析提出了10余种矿柱强度计算公式，然而每个矿柱计算公式都是在特定的条件下得出的。考虑到大尹格庄金矿围岩和矿体性质，这里选择适用于硬岩的Sjoberg公式作为矿柱强度的计算公式。

式中：w—矿柱宽度；h—矿柱高度。

3．4 矿柱安全系数

安全系数的选取直接关系到矿柱载荷与矿柱承载强度公式的选取，不同的矿柱强度公式、不同的开采方法以及不同的地表情况，对矿柱安全系数的要求可能不同。根据矿山现阶段实际采矿条件，每个循环向上开采的高度相对稳定，可认为采场中矿柱的高度为一定值，根据以上所述矿柱载荷与矿柱承载强度可建立矿柱宽度、顶板跨度及采场埋深与矿柱安全系数的关系式：

对于同一分段的同一采场，采场埋深可视为恒定，以－496m水平采场为例，将矿柱高度与开采深度赋以定值后可得到采场顶板跨度、矿柱尺寸与矿柱安全系数的关系图，如图3所示。

从图中可以看出，随着矿柱宽度的增加，矿柱安全系数明显加大；随着顶板跨度的增大，矿柱安全系数逐渐降低，但趋势较矿柱安全系数随矿柱宽度的变化平缓。因此可以得到矿柱宽度对矿柱安全系数的影响作用更大。当矿柱的宽度小于4m时，矿柱安全系数均小于1，反映了矿柱宽度小于4m时采场稳定性极差，因此在矿柱尺寸设计时，矿柱宽度不宜小于4m。同时随着矿房跨度的增大，需要预留更宽的矿柱以保证矿柱安全系数大于1，如此会造成矿石回收率大幅度下降，因此在进行矿房参数设计时，应综合考虑选择合适的矿房跨度。

图3 采场参数与安全系数关系图Fig．3 The relationship between the stope parameters and safety factor

若规定矿柱宽度为一确定值，则可以得到顶板跨度、矿体开采深度与矿柱安全系数关系趋势面，由于篇幅原因，这里不再列出。分析可知：矿体开采深度对矿柱安全系数的影响作用明显大于顶板跨度对矿柱安全系数的影响，说明矿柱安全系数对矿体开采深度更加敏感。

综合以上分析可以得到：矿柱安全系数对矿柱宽度最敏感，其次为矿体开采深度，最后为顶板跨度。

3．5 矿柱稳定性评价

以－496水平为例，对该分段各采场矿柱进行调查，利用上述矿柱安全系数与矿柱宽度、顶板跨度关系计算其安全系数，计算结果见表1。

表1 矿柱稳定性计算结果Table 1 The calculation results of pillars stability

由表1计算结果可知，1＃矿柱、3＃、5＃、6＃矿柱安全系数接近或超过1．5，属于稳定矿柱，不易受到外界条件扰动而发生破坏失稳。4＃、10＃、12＃矿柱安全系数虽然越过1，但安全系数较低，属于较稳固矿柱，然而在爆破振动等条件下，矿柱稳固性会变差，容易发生破坏失稳。

8＃、9＃矿柱安全系数较低，均未超过1，由于在矿柱边缘处应力集中较大，同时受到爆破振动的影响，矿柱边缘极易发生破裂，失去承载能力，进而影响矿柱内部，直到使矿柱核部失去承载能力，采场失稳。若一个矿柱发生破坏，容易造成相邻矿承载应力加重，引起矿柱破坏连锁反应。2＃矿柱、7＃矿柱、11＃号矿柱安全系数均小于1，因此其情况与8＃、9＃两个矿柱安全形势相似，需对矿柱不稳定区域加强支护以保证其安全性。

利用同样的方法可以对调查区域内其他矿柱进行稳定性评价，圈定不稳定矿柱，对井下采矿作业具有重要的意义。

4 顶板极限跨度与矿柱尺寸设计

4．1 基于拉应力条件求解极限跨度

目前大尹格庄金矿倾角为20°～40°，开采深度远远大于开采跨度3倍以上，根据力学试验可知，矿房顶板中心部位的拉应力最大，只有当跨度很小的时候，顶板才处于压应力。随着跨度的增加，拉应力增大，并且拉应力与侧压系数有关，随着侧压系数的加大而变小。顶板中心的拉应力经验公式为：

式中：H—采场距地表高度；γ—岩石容重；λ—侧压系数；a—矿房跨度。

将上式中的拉应力换为许用拉应力值［σt］，可得到计算矿房极限跨度的公式。

目前矿山开采已开采至－616水平，根据上述经验公式可以计算得到大尹格庄金矿－616水平极限跨度为8．2m。

4．2 矿柱尺寸设计

矿柱计算中一般不考虑矿柱自重，只有当矿柱很高时才考虑其自重。保证矿柱强度所必需的截面积，可按许用承载强度计算：

式中：S—矿柱支撑面积；γ—覆岩容重；H—采场距地表深度；k—载荷系数；kf—矿柱的形状系数；s—矿柱横截面积；σ0—矿柱矿石单向抗压强度；n—安全系数。

针对大尹格庄金矿－616水平，根据上述公式，取kf＝1．2，侧压系数λ取0．75，k取0．6，安全系数n取2，可以得到矿柱宽度应满足的条件为a≥4．1m。

根据以上理论计算得到了矿柱及顶板的结构参数，但是这是基于单跨进行的计算，对于多跨开采，应力分布是非常复杂的，一般的理论计算无法完成，因此需要采用数值模拟或其它方法对采场结构参数进一步优化。

5 结论

1）随着开采深度增加，矿柱的破坏逐渐加剧，造成矿柱破坏的主要因素是深部矿体发育节理以及高地压。

2）矿柱受结构面的方向控制所呈现的破坏模式大致可分为节理组平行矿柱壁面、节理组与矿柱斜交、节理面平行于顶板。

3）建立了矿柱宽度、矿房顶板跨度及矿体开采深度与矿柱安全系数的关系式，通过分析矿柱宽度对矿柱安全系数的影响作用最大，其次为矿体开采深度，最后为矿房顶板跨度。

4）对各采场矿柱进行了稳定性评价，圈定出了不稳定矿柱，对于安全系数小于1的矿柱，需加强该处的支护强度，保证采矿作业的安全性。

5）通过理论计算得到大尹各庄金矿－616水平顶板极限跨度为8．2m，矿柱宽度应大于4．1m。

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Study on filling stope stability of upward horizontal slicing filling method with point pillars

SUN Jie1，REN Haifeng2，3
（1．Zhaojin Mining Industry Co．，Ltd．，Zhaoyuan Shandong 265414，China；2．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；3．School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

In order to ensure the stope safety of Dayingezhuang Gold Mine and improve resource recovery，through investigating some stope pillars on the level of－380，－496，－556，－616，it is concluded that parts of pillars controlled by structure of direction showing different failure modes which can be divided into parallel between joint and pillars，skew between joint set and pillars and parallel between joint and roof．Through establishing the relationship between width of pillar，stope span，mining depth and safety coefficient of pillars，the result shows that the effect of pillar width on safety coefficient is the most important one，followed by mining depth，and the last one is stope span．Through evaluating the stability of pillars，safety coefficient of every pillar and unstable pillars are got．Finally by means of calculating，the conclusion can be drawn that the minimal roof span is 8．2meters and the width of the pillar should be greater than 4．1meters．

pillar；stability；failure mode；safetycoefficient

TD853．34

Α

1671－4172（2015）04－0019－05

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．005

孙杰（1964－），男，工程师，采矿工程专业，主要从事金矿采矿研究工作。