矿山充填机理的理论研究现状及发展趋势

厶
场稳定 性 的重要 判 据 。因此 ， 议 采 用 “ 场 体 积 建 采 闭合 率 ” 为 采 场 稳 定 性 设 计 的 控 制 参 数 。一 般 作
１
＝
＿／ “ｄ１ Ｊ ２＇ａ ＋３ ａ）（） ｛， ａ＋ “ｄ２ ｆ ３３ ３ １ ｏ １ ２ １ ｏ “ｄ ＂ ０
膨 胀 引起 的 位 移
填 体对 围岩 的支 撑 作 用 可 能 同时 有 几 种 ， 图 １ 如 所 示 。事实 上 ， １中 （ ） （ ） 示 的情 况 与各 矿 图 ａ和 ｂ所 山 的具 体 开 采 条 件 有 关 ， 于作 统 一 的 理 论 分 析 。 难
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 。 （）
９ ０ｍ， ３ ０ｍ， 均厚 度 １ ． ５ｍ， 质 储量 １ ６ ２ 宽 ０ 平 ４ ３ 地 ２８
万ｔ 。地表 有一 条汇 河在 矿体 上部 流过 ， 源短 流急 属 的间歇性 河 流 ， 长 ４ ｍ， 全 ６ ｋ 流域 面 积 １４ ｋ 历 年 ４ ｍ ， 最 大洪 峰流 量 为 １０ ６ ｍ ／ 。此 外 ， 体 上部 附近 ８ ． ｓ 矿
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
摘
１０ ８ ） ０ ０ ３
要 ： 述 了国 内外 矿 山充填 机理 的理 论研 究现状 ， 概 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 、 平厚 大矿体 充 填法 开采 等方 面的 充填 水 机理研 究工作 进展 ， 出 了矿 山充填 机理 研 究 的发展 趋 势。 指 关键 词 ： 山充填 ； 矿 力学机 理 ； 三 下” 矿 ； “ 采 充填体 强度
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 。
Ｏ
压缩量 （ ｍｍ ）
为 进一 步研 究 图 １ ｃ 所示 的充 填 作用 机 理 ， （） 作 者在 ２ ０世 纪 ９ ０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
图 ２ 岩 芯 在 有 无 充填 料 包 围 条 件 下 的 应 力 应 变 曲 线
一
个 具有 整体 性支 护 （ 充 填料 ） 如 的采 场 ， 察 考
其 围岩 的能量 平衡 关 系 ， 采 场 围岩 与 支护 均 处 于 如
Ｉ Ｎ ６ ＳＳ １ ７１ —２ ０ ９０ ＣＮ ４３ — １ ４ ＴＤ ３ ７／
采矿技 术
第１ １卷
第 ３期
２１ ０ １年 ５月
Ｍ ａ ０１ｌ ｖ２
Ｍ ｉｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｌｇ ｎ ｎ ｃ ｎｏｏ ｙ，Ｖｏ ．１ Ｎｏ． １ １， ３
矿 山 充 填 机 理 的 理 论 研 究 现 状 及 发 展 趋 势
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 ２ ０ ０ ３建成 投产 。矿体 倾角 ７ 。一 Ｏ ， 体 平均 厚 度 为 ２ Ｏ ９ 。矿 ６ ｍ， 目前 分 一 Ｏ 一１０ 一１０ｍ ３个 阶段 开采 。作为我 ５ ， ２ ， ８ 国 国家级 矿 山公园 ， 矿山为保 护其露 天边坡 ， 减小尾
１
地， 采场体积闭合率 可表示为：
＝Ｌ／ Ｌ （） ５
＝
寺｛ｌ １ ０１／ ａ＋ （２ ０ ）２ ２ １ — ／ｄ１ Ｌ ０ － Ｕｄ ） ｏ （ － ）ｔ ， Ｉ － － ｔａ ２
— —
式 中 ： —— 采场 围岩释 放 的能量 ； 采场 支护 系统所 吸 收的能量 ；
３０ ０，
作 用于充 填 料 的水 平压 力 （ ａ ＭＰ ） ＿ ５＿ ： ： 芯 在 剐性 充填料
ｌ
： 于 性 填 二二 Ｉ用 刚 充 二 作
口 一
又可提 供 较 大 的 侧 限压 力 ， 岩 芯 压 缩 变 形 达 到 在 １７ ％ （ ． Ｉ ） ， 未 使 岩 芯破 坏 ； 软 充 填 料 ．５ １４１Ｉ 时 仍 ＴＩ Ｔ 而
以认为 ， 在科 学研 究 的意义 上 ， ２具有 较 大的理 论 图
岩 芯在 软充 填料 中 作用于软充填料
的水 平压 力
Ｏ １ Ｏ２ ． ０４ Ｏ ５ ． Ｏ７ ． ． １０ ． １２ ． ｌ ． ． Ｏ ３ ． ． Ｏ ６ ． ０ ８ ０９ ． １１ ． ３ ＿ １ ４
蔡 嗣 经 ： 矿 山 充填 机 理 的理 论研 究 现 状 及 发 展 趋 势
１ ７
定 ， 向 Ｎ ５ Ｅ， 东 倾 斜 ， 角 ５ 走 ４。 向 倾 。～２ 。 走 向长 ０，
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 一２ ０ ｍ 时 ， 场 围 ５ 采 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
３ 发 展 趋 势
（ ）深 井 开 采 的 高 应 力 、 温 、 渗 流 压 力 问 １ 高 高
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 ４ ０ 其 遭 遇 的 岩 爆 、 矿 场 和 ０ ０ ｍ， 采
凄
： ■ 蛊 ＝
Hale Waihona Puke 岩 石块 体 的刚 体移动 （ ）对卸 载岩 体的滑移趋势提供侧限压力 ａ
土 ：
； ■
兰 ：
（ ｂ）支撑 破裂岩块
（ ）抵 抗采场 围岩 的闭合 Ｃ
图 １ 充 填 体 支 撑 采 场 围 岩 的 可 能 模 式
Ｂｉｈ 用 石 英 岩 芯 模 拟 充 填 材 料 包 围 中 的 矿 ｌ ｔ ｇ 柱 ， 过试 验 得 出 这 种 “ 通 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 ，
由于充 填料 的压缩 特性 ， 场 围岩 的 能量 平 衡 关 系 采
将如 图 ３所 示 。此时 ， ： 有
△ ＝ （ 一（ ） ） （ ） ／２
理 ， 出结 论为 ： 填体将 支撑上覆 散体岩 层 的部分 得 充
重力 。 因此 ， 按经验 公式 法及经验类 比法 ， 确定胶 结
１ 矿 山充 填 机 理 的理 论 研 究现 状
在２ ０世纪 ７ ８ ０～ ０年 代 ， 内外 许 多 学 者 和 工 国 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 。Ｂ ａ ｙ Ｂ ｏ ｎ认 为充 ｒｄ 和 ｒｗ
破裂岩体
包 围 中的岩 芯其 强度 与没 有任 何充 填料 包 围的 岩芯
的
一 ２Ｏ Ｏ
倒 譬 １０ ５
８
一
强 度相 差无 几 ， 可 限制岩 芯 的侧 向变 形 ， 使 岩芯 但 并
构
ｌ０ ０ 暖 ５ Ｏ
的残余 强度 增大 ， 到其 破 坏 强度 的 ８ ％ 以 七。可 达 ５
—
图 ３ 充 填 法 采场 围岩 的能 量 平衡 关 系
、
、
， —
—
围 岩 壁 在 承 受 原 岩 应 力 和 支
式 中 ： —— 采场 的体积 闭合量 ；
—
护反力 联 合 作 用 之 后 尚具 有
的位移 。
采场 的开采 体积 。
２ 北京科技 大学充填机理研 究进展
岩 释放 的能量 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 有 关 。 当采 场 的体积 闭合量 减 少至 时 ， 减 小 了 △ ，
减小 了 △ ， 有 ： 且 △ ＝Ｌｏ （ 一Ｏ ） （ ０ ＂ １ ｒ ／ ２－） 。
小， 尤其 当充 填体 为 中等 强 度尾 砂 时 最 小 主应 力 变
化甚 微 。
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 ， 固性较 差 。矿 体底板 围 稳 岩 为奥 陶系 大理 岩 、 辉 石 矽 卡 岩 、 透 闪长 岩 、 纹 岩 蛇
当多 个采 场 同时 开 采且 相 距不 远 时 ， 于相互 由
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 。 据式 （ ） １ 可得
一
Ｗ ＝ ａ
（） ２
若 令 － ＿ 为原 岩的平 均 主 应力 ， ０ ＝（ － ＋ ｏ ｒ 即－ Ｉ ＋０ Ｔ ：
胶 结充填 法开采 ， 图 ４所示 。 如
场 围岩壁 不 出现 破坏 ， 有 则 出现 一 些 破 坏 ， 则有 于稳定 状态 则式 （ ） ２ 成立 ｊ 。
＞ ； 如果 有 支 护 ， 场 处 采
在 弹性状 态 下 ， 围岩 中存储 的能量 取 决于 采 场 的开 采体积 ， 围岩释 放 的能 量 取决 于采场 的 而 体 积闭合 量 Ｊ 。因此 ， 采场 围岩 的稳 定 主要 与 围
来表示 。而对于 充 填 法采 场 来 说 ， 岩 的位 移 量 不 围
大 ， 围岩 中存储 的应 变 能却 相 当多 。 但
弹性 变形 状态 ， 且这个 采 场不受 其他 采场 的影 响 ， 并
则其 围岩 的能 量变 化 为 ：