大直径深孔空场嗣后充填采矿法采场充填体合理强度研究

1. 引言

大直径深孔空场嗣后充填采矿法因高效、安全被广泛应用，尤其适用于倾斜极厚矿体。该方法通过合理的采场结构设计与充填体强度控制，维持稳定性并高效回收资源。然而，充填体强度关乎安全生产、资源利用率和环境保护。过低的强度可能导致采场失稳，增加安全风险；过高则提升充填成本，影响经济效益。因此，研究合理强度具有重要意义。

2. 采场充填体强度影响因素分析

2.1 充填材料性质

充填材料的物理化学性质显著影响充填体强度，胶凝材料和骨料特性是关键。胶凝材料作为主要粘结剂，决定力学性能与稳定性。如硅酸盐水泥因早期强度高和耐久性好而广泛应用。不同胶凝材料在不同环境下表现各异，复合硅酸盐水泥在低浓度条件下抗折性强，普通硅酸盐水泥适合高强度场景。骨料特性如粒径分布、颗粒形状和矿物组成也重要，细骨料提高密实度和抗压强度，表面粗糙的骨料增强粘结力。实验显示，均匀粒径分布且含细骨料的充填体，28 天抗压强度可提高约 20% 。

2.2 充填材料配比

胶凝材料与骨料的比例及水灰比是决定充填体强度的关键。合理配比确保力学性能并降低成本。例如，某矿山应用中，比例从1：6调至 1：8，28 天抗压强度降约 15% ，但成本下降。水灰比低能提高密实度和抗压强度，但流动性过低增加施工难度[1]。

2.3 开采工艺参数

采场结构参数和回采顺序等开采工艺对充填体强度有显著影响。采场长度、宽度和高度变化会改变受力状态，影响稳定性。如长度增加可能导致应力集中，降低强度；高度增加则充填体承受更大垂直荷载，长期稳定性要求更高。数值模拟显示，采场高度从30 米增至 60米时，最大主应力增加约 40% ，塑性区扩大。回采顺序亦重要，“隔三采一”方案中，一步骤矿房充填体作为人工矿柱，改善地压环境，为二步骤矿柱采场提供安全保护。不合理的顺序可能导致充填体过早暴露或承受过大荷载，增加破坏风险。

2.4 地应力环境

地应力的大小和方向对充填体强度和稳定性有重要影响。高地应力环境中，充填体需承受较大外部荷载，这对材料和工艺提出更高要求。地应力方向决定主应力分布，影响破坏模式。如最大主应力方向与充填体轴线一致时，易发生剪切破坏；呈夹角时，抗拉强度成为关键。某铜镍矿监测数据验证了此结论，因地应力方向变化，破坏形式从剪切转变为拉伸，导致局部失稳。地应力大小变化也影响长期稳定性，研究表明当地应力超过抗压强度的50%时，蠕变变形显著增加，可能导致围岩过度变形甚至垮塌。故确定合理强度时，必须考虑地应力影响，采取优化布置或加强支护等措施，确保长期稳定。

3. 基于实际案例的充填体强度分析

3.1 案例矿山概况

以 Jama 铜矿为例，该矿采用大直径深孔空场嗣后充填法进行地下开采，地质条件复杂，矿体特征明显。矿区位于碳酸盐岩层与闪长岩侵入体接触带，矿体稳固性差，受节理构造和断层影响大。矿体倾斜且极厚，平均厚度超35 米，走向短，赋存深，需兼顾安全与高效的采矿方法。目前，矿山实施“隔三采一”方案，并开展了多组采场结构参数优化试验。此外，某金矿也采用类似方法，其采准切割工程包括下盘沿脉巷、溜井及回风巷道等，为后续充填体强度分析提供参考。

3.2 不同条件下充填体强度表现

Jama 铜矿的开采实践表明，不同采场结构参数显著影响充填体强度。例如，顶板跨度15 米、中段高度100 米时，采场长度超过46米会导致顶板位移和塑性区增加，降低稳定性。二步骤矿柱宽度从

15 米增至19.5 米时，堑沟两帮易剪切破坏，影响承载能力。某金矿垂直走向的采场，凿岩切割硐室规格15.5m×3.8m，底部设穿脉出矿巷道及受矿硐室，对充填体强度要求高。现场监测显示，采场高度50~60 米时，全尾砂膏体充填需底部胶结充填体强度R7≥1.5MPa，中部可降至R28≥0.1~0.3MPa。这些案例表明，充填体强度受结构参数和材料配比影响。

3.3 案例启示

通过对上述案例的分析，可以得出以下启示：首先，合理的采场结构参数是确保充填体稳定的前提。例如，Mathews 稳定图法结合数值模拟表明，采场顶板跨度与长度相关，需根据矿体特征优化设计。其次，科学选择充填材料配比至关重要。如某铜矿实践中，灰砂比1：5~1：8 的胶结充填体满足底部挡墙需求，而灰砂比1：25~1：30 的全尾砂充填适用于中部空区。最后，现场监测数据的积累与分析为动态调整充填体强度提供依据。如某金矿试验中，非电复式起爆破网络形成的切割槽未出现炮孔变形或堵塞，为后续充填作业提供良好条件。综上所述，合理强度的确定需综合考虑地质条件、开采工艺及充填材料特性，以实现矿山安全高效生产[2]。

4.充填体强度控制措施

4.1 优化充填材料配比

为提升充填体强度并降低成本，优化配比是关键。选择合适的胶凝材料与骨料比例及水灰比，可改善力学性能。水泥等胶凝材料用量增加虽增强充填体强度，但增加成本，需结合经济性与安全性确定最佳用量。骨料特性如粒径分布等也影响密实度和强度，试验表明不同浓度下砂灰比与强度呈非线性关系，存在最优配比，如喀拉通克铜镍矿砂灰比为1：6 时强度峰值。建议根据具体条件开展试验确定合理配比。

4.2 调整开采工艺参数

调整开采参数可控制充填体强度。采场结构如长度、宽度和高度，及回采顺序影响应力分布和稳定性。采场长度增加会导致顶板位移和塑性区增大，使充填体承受更大压力，应合理控制尺寸。优化回采顺序如“隔三采一”可分散地压，减少受力不均。数值模拟显示矿柱宽度增加可减小顶板位移和塑性区，建议动态调整参数以控制强度。

4.3 地应力应对策略

地应力影响充填体强度，需采取措施保障稳定性。高地应力区易受剪切或拉张破坏，应加强支护和优化布置。增加护壁厚度可减少爆破扰动，如炮孔 165mm 时护壁厚度 2.2~2.5m，120mm 时 1.5~1.8m。优化布置使采场方向与最大主应力平行可减少侧向应力，结合监测数据调整支护和计划，确保长期稳定[3]。

5. 结论

大直径深孔空场嗣后充填采矿法在倾斜极厚矿体开采中至关重要。研究采场充填体的合理强度，对矿山安全生产和资源回收意义重大。本文通过理论分析、案例研究与数值模拟，探讨了影响充填体强度的因素，并提出确定合理强度范围的方法。研究表明，充填材料的物理化学性质、配比设计、开采工艺参数及地应力环境均对其有显著影响。

参考文献：

[1]陈霖；黄明清；唐绍辉；张铭；刘青灵.大直径深孔空场嗣后充填法采场结构参数优化及稳定性分析[J].金属矿山，2022，（11）：44-51.

[2]王社光；杨志强；王立杰；王福全；王庆刚；尹爱民.阶段嗣后充填采场充填体合理强度设计[J].现代矿业，2023，39（8）：79-81.

[3]常宝孟；杜翠凤；魏丁一；张爱卿.基于库仑摩擦原理的充填体强度力学模型[J].中南大学学报（自然科学版），2020，51（3）：777-782.