凡口铅锌矿间柱采场稳定性分析

阮喜清，黄宣东，刘 博,3，史秀志

(1.凡口铅锌矿， 广东 韶关市 512325； 2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083;3.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

0 引 言

凡口铅锌矿目前主要采用盘区机械化上向水平浅孔分层充填法、盘区机械化上向水平中深孔分层充填法和无底柱后退式大直径深孔爆破嗣后充填采矿法[1](即FDQ法)。这些采矿方法均是垂直矿体走向布置采场，分两步骤回采，划分间柱作为回采矿房时的支柱，间柱对整个矿体起着“骨架”的作用，矿房充填后，再依据一定的开采顺序回采间柱。

经过数十年的开采，矿房采场数量越来越少，同时产生了不少的间柱。资料[2]显示目前凡口铅锌矿间柱采场占总采场数的26.2%。这些间柱受矿房回采时应力扰动的影响，部分区域应力集中，节理、裂隙进一步扩展，断层出现局部活动。就规模而言，从局部裂隙扩展直到岩层大范围移动；就时间而言，顶板松弛、底臌及片帮等缓慢破坏过程延续时间可能是几周甚至几个月；诸如塌方、冒顶、岩爆，甚至采场大规模、一次性冒落等冲击式破坏是瞬间的，且危害极大。目前在凡口铅锌矿间柱回采条件越来越复杂的情况下，间柱采场的稳定性等安全问题越来越突出，因此研究间柱采场的稳定性具有重要意义。

1 间柱采场稳定性分析

1.1 间柱采场稳定性影响因素

(1) 采场构造地应力。在矿房采场开挖的过程中，由间柱吸收地应力，而矿房充填体隔离了地应力的传递，使间柱产生应力集中。

(2) 矿房充填体作用。间柱回采时，矿房充填体起接触支撑间柱的作用。充填体作为间柱回采时的人工矿柱结构，当具有刚性的间柱逐步回采后，低模量的充填体则不得不承受转移过来的载荷，间柱的自重依赖于充填体与间柱之间的剪切力和上下围岩对矿体的固定约束力，因此其稳定性受充填体影响。

(3) 采场崩矿方式。凡口铅锌矿目前采用的3种崩矿方式[3]都会引起采场形态发生快速变化，使次生应力场不断变化，因此间柱可能发生局部或大面积破坏。

(4)采场爆破震动。矿房和间柱爆破时，规模都比较大，单段药量难以控制，且采场的爆破作业频繁，不仅对采场本身的矿岩结构造成破坏，而且对相邻的采场、巷道和充填体造成破坏。

1.2 间柱采场失稳形式

根据上述因素分析和实践经验总结，间柱采场的失稳破坏主要体现在以下几方面：

(1) 采掘过程中岩块失稳，局部冒落，这种现象比较普遍；

(2) 采场内点柱承载过大，点柱破坏后失去支撑力，采场局部失稳；

(3) 采场整体结构受力不平衡，出现整体滑落，这种现象比较少，但后果严重；

(4) 采空区侧向暴露不合理，充填体垮塌，增加矿石贫化损失，威胁出矿安全。

2 间柱采场力学分析

2.1 间柱采场回采步骤

间柱采场采准切割步骤：下部出矿硐室拉底巷使进路与通风巷道贯穿，或者掘进到指定的位置垂直向上施工通风天井，然后沿拉底巷后退式扩帮到两侧充填体；扩帮过程中根据设计要求或实际需要留下点柱支撑顶板。下部硐室扩帮完成后开始施工上部凿岩硐室，根据设计要求或实际留下点柱或连续矿柱来支撑硐室顶板；上部硐室扩帮后一般用锚杆铁丝网对顶板进行全面锚护，以保证作业人员的安全，然后采用潜孔钻钻凿下向深孔。

间柱采场回采步骤：一般是先在采场的端头采用VCR法进行切割拉槽，多次拉槽后留最后一层适当厚度进行一次大药量破顶爆破；余下矿体进行侧向崩矿，分配合理的装药量多次完成。深孔采矿法回采间柱一般步骤见图1。

图1 间柱采场采准切割回采一般步骤

2.2 间柱采场应力转移规律

间柱采场形成应力的原因有：

(1) 回采空间的扩大及其与上下盘的相互作用；

(2) 矿柱的刚性与屈服性能；

(3) 充填体的反作用力；

(4) 破碎矿石流动应力转移效果。

采场应力的主要特征是动态变化的。矿房采场回采时，地层应力向两侧的间柱采场和上下盘的围岩转移，矿房充填体对间柱采场和上下盘围岩进行侧向约束，阻止其进一步发生大的位移，但由于充填体刚度小于矿体，其所能支承来自间柱与围岩的应力很有限，矿房充填体总是被动接受来自间柱采场转移的应力。采场回采过程的应力转移情况见图2。

图2 采场回采过程的应力转移

2.3 间柱采场力学模型

根据采场回采时的应力转移规律，分析深孔采矿法回采间柱的受力情况，其力学模型可分为3种情况[4]：

(1) VCR法分层崩矿适用于跨度较小的近似立柱体的矿体，其稳定性的关键在于最后一分层厚度的控制和充填体的自立高度。

(2) VCR法切槽-分段侧向崩矿适用于长度适中、高度较大的矿体，回采时切割拉槽高度高于分段侧向崩矿，这种崩矿方式地压较易控制，其稳定性的关键在于采场跨度的控制与最后破顶层的厚度。

(3)VCR法切槽-全孔侧向崩矿适用于长条式的矿体，其稳定性的关键在于侧向崩矿时采场长宽比和长高比的合理性以及充填体的稳定性。采场破顶后，采场与上盘围岩分离，不受上盘围岩的约束，采场的边界受力发生变化，主要靠充填体与矿体之间的相互作用力和下盘围岩的支撑力，若点柱设计不合理，则后退式侧向崩矿时采场失去点柱支撑，有可能失稳破坏。

另外，凡口铅锌矿浅部矿体的采场稳定性也受断层的影响，断层弱化了矿体与围岩的连续性，而加大了充填体与间柱的接触面的荷载，当采场结构参数不合理时，充填体的支撑荷载就可能超过接触面的抗剪强度，最终导致采场失稳。凡口铅锌矿间柱采场侧向崩矿见图3。

图3 间柱回采侧向崩矿

3 间柱采场失稳极限平衡分析

3.1 极限平衡理论分析法

极限平衡法[5]广泛应用于边坡稳定性分析，该法以条分法为基础，将潜在的滑动块体划分为若干条块，计算各条块所受的下滑力和抗滑力，根据边坡上的滑体或滑体分块的静力平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态以及边坡滑体上的抗滑力与下滑力之间的关系。

极限平衡理论不考虑岩体内部的应力位移情况，而只考虑研究对象的静力平衡和极限剪切破坏条件。极限平衡计算的形式之一是潜在不稳定岩体或块体的抗滑安全系数，安全系数的定义为沿着最危险破坏面作用的最大抗滑力(或力矩)与下滑力(或力矩)的比值。

3.2 间柱失稳力学模型

前文已经分析了间柱采场的力学模型，认为长条式间柱采场最容易产生失稳的情况是在破顶之后的侧向崩矿过程，并且下部出矿硐室没有留点柱支撑，因为即使留下保安点柱，在采矿崩矿过程中也要与采场同时爆破，况且点柱可能因岩体存在结构裂隙而受压破坏，承载力下降。因此分析这种最不利情况下的采场稳定性很有必要。间柱回采侧向崩矿滑动失稳的三维楔体模型见图4。

3.3 安全系数计算

应用极限平衡理论分析，根据文献[6]的研究，分析图4的失稳力学模型，建立极限平衡方程组，得到安全系数Fs为：

图4 间柱回采侧向崩矿滑动失稳力学模型简图

式中，G为间柱矿体自重；γm为矿体的体重；H、W、L分别为间柱矿体滑体的高、宽、长；θ为断层面与水平方向的夹角；T1为充填体与矿体之间的剪切阻力；T2为矿体沿断层面滑动的剪切阻力；Fs为安全系数，表示抗滑力与下滑力的比值；S1为充填体与矿体的接触面积，即面ABCD；S2为断层与矿体的接触面积，即面AEHD；N1为充填体对矿体的侧压力的合力；N2为断层面对矿体的支撑合力；C1，φ1分别为充填体与矿体接触面的粘聚力和内摩擦角；C2，φ1分别为断层与矿体接触面的粘聚力与内摩擦角。

3.4 间柱结构参数与安全系数的关系

在安全系数公式中代入间柱采场的物理力学参数，其中C=C1=0.1 MPa，C2=0.05 MPa，γm=38000 kN/m3，θ=80°，φ1=30°，φ2=30°得到不同间柱采场结构参数下的安全系数(见图5)。

图5 安全系数与采场结构参数的关系

从图5可知，采场结构参数对安全系数影响很大，随着采场宽度W的增加，安全系数下降；随着长高比L/H的增大，采场安全系数降低。根据实践经验，这是符合实际的。充填体与间柱矿体之间的粘结力和充填体的粘结力越强，越有利于安全；同时断层等结构面的强度对采场的稳定性至关重要。

4 结 论

(1) 通过分析凡口铅锌矿间柱采场稳定性的影响因素及失稳形式，分析间柱采场在采切时的应力转移情况，根据凡口铅锌矿的崩矿方式，分析认为长条式间柱采场全孔侧向崩矿时最容易失稳。

(2) 用极限平衡理论中的安全系数法分析稳定性有一定的局限性，因为材料参数的选取对结果影响很大，而要得到完全符合实际的参数相当困难，因此计算的结果偏向保守。

(3) 采场的宽度越大安全系数下降越快；减小采场的长高比有利于提高安全系数；充填体和断层处的粘结力强弱对安全系数的影响也很大。因此提高充填体的粘结力或者选择合适的采场结构参数可改善间柱采场的稳定性。

参考文献：

[1]张木毅.凡口铅锌矿采矿技术的创新与发展[J]. 采矿技术, 2010, 10(3): 6-9.

[2]姚 曙. 异质界面控制爆破技术在凡口铅锌矿的应用[J]. 采矿技术, 2012, 12(1): 90-91.

[3]史秀志, 邱贤阳, 张木毅, 等. 凡口铅锌矿无底柱深孔后退式崩矿嗣后充填采矿法[J]. 采矿技术, 2011, 11(4): 11-12.

[4]吴 璟, 姚 曙. 凡口铅锌矿VCR法采矿工艺的应用发展与技术创新[J]. 中国矿业, 2012(Z1): 265-271.

[5]蔡美峰, 何满潮, 刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[6]李俊平, 连民杰, 周创兵. 矿山岩石力学[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2011..