三山岛金矿下向进路采矿法人工假顶参数设计研究

况丹阳，周玉成，万串串，刘立顺，潘桂海

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

对于深部高应力较破碎矿体，下向充填采矿法是极有效的开采方法，其通过构造安全性比原岩顶板更好的人工假顶充当下向采矿的直接顶板，使采矿作业区域位于应力释放区，有利于控制深部开采的岩爆动力灾害风险，安全条件更有保障[1]。由于人工假顶在下向充填采矿法中具有“承上启下”的作用，因此合理的充填体假顶强度及配筋参数是保证下向充填采矿法安全、高效、经济回采的关键。目前，诸多学者对于充填体假顶进行了研究[2-6]，郭忠平等[7]采用“嵌固梁”模型作为上覆充填体力学模型，通过计算充填体承载层厚度，并采用FLAC3D数值模拟软件研究了不同采深下采场围岩与充填体塑性区及应力分布规律。尚雪义等[8]采用下向进路薄板力学模型，结合可靠度理论及安全系数法，对承载层拉应力进行研究，并对所得结果进行了比较，优化出最佳进路断面。黄明清等[9]采用古典杨森散体压力理论及矩形等厚薄板力学模型分析了留设顶板受载情况及安全厚度，并通过工程实例进行了验证。国内外对于充填体假顶配筋参数研究较少，黄丹等[10]通过将钢筋混凝土结构设计方法应用于下向进路充填假顶配筋率计算，形成下向充填采矿人工假顶强度及配筋率的整体方案。李小松等[11]利用经济配筋率理论，确定了大跨度假顶纵筋及横筋的配筋参数。范文录等[12]使用可靠度理论分析了各参数对假顶强度的影响程度，探讨出人工假顶可靠概率下的合理取值，得出钢筋混凝土顶板可靠概率为90%时的假顶承载强度，以及该强度下的假顶厚度值和合理配筋值。

本文通过对下向进路充填采矿法人工假顶所受载荷进行计算，结合薄板理论，计算其抗压强度及人工假顶最大弯矩，并计算最优假顶配筋参数，为矿山人工假顶设计和施工提供借鉴和技术支撑。

1 工程概况

三山岛金矿是海底大型金属矿山，顶部覆盖有5 m深的海水，其矿体属于构造破碎带热液蚀变岩型金矿床，西山矿区范围内主要控矿构造为F1断层，矿体主要赋存在F1断层蚀变带内，其控制长度1 700 m，倾向延伸1 000 m。矿岩中间为黄铁绢英岩带，上、下盘为绢英岩化碎裂岩、绢英岩及绢云母化(硅化)碎裂状花岗岩带。F2断层带位于F1断层西侧约200 m，受三山岛断裂的次级断裂带控制，走向50°，倾向、倾角目前尚不清楚。三山岛金矿浅部矿体主要位于F1断裂带下盘的黄铁矿化绢英岩中，深部矿体在F1断裂带的上下盘均有分布。矿体平均倾角40°，平均厚度40 m，属于典型的倾斜破碎厚大矿体[13]。其中的西山矿区目前开采深度已达千米，地压及高温灾害突显，井下作业环境差，由于断层的存在，矿体上盘稳定性很差，矿体下盘稳定性相对较好，矿岩质量等级为Ⅲ～Ⅳ级，采场顶板易冒落、塌方。

为有效解决深部采矿面临的地压灾害风险高、作业环境差、劳动生产率低、作业面多、安全管理难度大等系列技术难题，矿山深部使用下向进路充填采矿法。其回采方式为隔一采一，进路尺寸为5 m×4 m，回采结束后在采场底部采用高强度的充填体进行充填作为下一分段采场的人工假顶，采场其余部分采用低强度的充填体进行充填。采矿方法示意图见图1。

图1 采矿方法示意图Fig.1 Sketch map of mining method in the deep mine

2 人工假顶载荷分析

在下向开采方案中，通常由高配比充填体和钢筋构筑的人工假顶代替原岩顶板。人工假顶构筑过程中，相邻的高配比充填体通过钢筋网进行搭接形成一个整体，因此人工假顶可将所受荷载传递给上下盘围岩和左右两侧采场的矿体或充填体，从而实现承载[14]。人工假顶所受载荷q为其自重q0和上部低浓度充填体载荷q1之和，如图2所示。

图2 上部低浓度充填体施加荷载情况Fig.2 Loading by upper low concentration backfill

考虑到围岩对低浓度充填体的承载力和低浓度充填体与上下盘围岩之间的摩檫力[15]，人工假顶上所受载荷q为：

q=q0+q1=ρ0gh+0.7ρ1g(M-h)

(1)

式中，ρ0为人工假顶的密度，kg/m3；g为10 N/kg；h为人工假顶厚度，m；ρ1为低浓度充填体的密度，kg/m3；M为矿房高度，m。

3 人工假顶最大弯矩分析

由于构成人工假顶可视为弹性板，同时考虑到人工假顶各进路间通过钢筋搭接形成一个整体，且充填体假顶与上下盘围岩及左右两侧采场的充填体假顶紧密连接，限制了本采场假顶四面的平动与转动，由于假顶所受水平应力可以忽略不记，在所受竖向载荷的作用下，假顶产生弯曲，假顶内的受力状态与薄板理论的受力状态相同，因此可以将四面固定的薄板模型作为人工假顶的力学模型[16](图3)。

图3 人工假顶力学模型Fig.3 Mechanical model of artificial roof

根据薄板模型理论，人工假顶结构与软支弱板结构相似[17]，由于竖向载荷的作用，人工假顶主要在几何中心线处发生拉伸破坏，则人工假顶产生的最大弯矩为：

(2)

式中，a为采场跨度的一半，m；q为竖向载荷，MPa；其中：

(3)

式中，h为人工假顶厚度，m；M为采场高度，m。

由于人工假顶的抗压强度应能承受最大弯矩带来的压应力，假顶弯矩与压应力的关系为：

(4)

式中，ω为抗弯模量，m2；σmax为最大抗压强度，MPa。

4 人工假顶强度设计

三山岛金矿采用下向进路充填采矿法回采深部矿体，进路尺寸为5 m×4 m，考虑到采场的尺寸，a=2.5 m，M=4 m，则α=0.68h-0.75，αa=1.70h-0.75，α2a2=2.88h-1.5，人工假顶充填体的密度ρ0为1 900 kg/m3，低浓度充填体的密度ρ1为1 800 kg/m3，g为10 N/kg，可得到人工假顶承受的抗压强度为：

由此得到人工假顶所受最大压力σmax和厚度h之间的关系曲线如图4所示。

图4 人工假顶所受最大压应力-厚度函数曲线Fig.4 Curve of maximum compressive stress with height of artificial roof

由图4可知，下向进路充填法采场人工假顶所受的最大压力与人工假顶的厚度呈反比关系，且当人工假顶厚度超过0.8 m后，人工假顶所受的最大压力逐渐达到平衡，并且综合考虑人工假顶充填成本，应尽可能降低人工假顶充填体配比，因此将人工假顶的厚度定为0.8 m，其所受的最大压应力为1.17 MPa，为保证人工假顶的安全，考虑10%～20%的安全系数，人工假顶的抗压强度为1.5 MPa。

5 人工假顶配筋参数设计

为提升假顶抗拉强度，会在其底部铺设钢筋。考虑到铺筋成本，人工假顶的配筋率只需满足其不产生弯曲破坏。为确定人工假顶的配筋率，需计算出人工假顶的最大弯矩。人工假顶厚度为0.8 m时，其最大竖向均布载荷q为55.52 kN/m，则最大弯矩Wmax为1.25×105N·m。

人工假顶高浓度充填体-钢筋网结构与钢筋混凝土结构相似，其设计符合钢筋混凝土经济配筋率理论[18]，人工假顶配筋率计算公式为：

(7)

式中，As为纵向受力钢筋的总面积，m2；b为人工假顶正截面宽度，沿人工假顶长度方向取1.0 m；h0为钢筋距截面受压区边缘的距离，m。

假顶铺筋设计示意图见图5。

人工假顶可视为软支弱板结构，根据人工假顶充填体-钢筋组合结构及材料力学可知[19]，人工假顶承受的弯矩大小与配筋率关系为：

(8)

式中，α1为混凝土强度等级，一般为1.0；fc为人工假顶抗压强度设计值，假顶充填高度h=0.8时，充填体强度约为1.5 MPa；fy为纵向受力钢筋抗拉强度设计值，MPa。

人工假顶铺设钢筋网时选用Φ12 mm钢筋网片，其设计抗拉强度fy=300 MPa，最大弯矩Wmax=1.25×105N·m。计算得出配筋率δ=0.08%，因此可得纵向受力钢筋量为28根，则钢筋纵向间距最大为178 mm，考虑到10%～20%的安全系数，人工假顶配筋使用Φ12 mm螺纹钢钢筋网时，其网度应为150 mm×150 mm。现场施工时，为保障人工假顶安全，钢筋网之间应使用钢丝或卡扣进行搭接，并保证150 mm长的搭接长度。

6 结论

通过对人工假顶进行受力分析可知，人工假顶载荷主要为其自重及上覆充填体重量，在竖向载荷作用下产生弯曲，其主要破坏形式是弯矩对其上表面产生压破坏及弯矩对其下表面产生的拉破坏。基于薄板理论，通过分析人工假顶最大弯矩Wmax及充填体物理力学参数，得出三山岛金矿下向进路采场人工假顶强度及配筋参数，即人工假顶厚度为0.8 m，其强度应达到1.5 MPa，配筋使用Φ12 mm螺纹钢钢筋网，网度为150 mm×150 mm。