1 采矿方法简介

武山铜矿南矿带为一典型的矽卡岩型矿床, 矿体受花岗闪长斑岩与碳酸岩接触带及岩体内围岩残留体控制。有铜矿体109个, 其中产于接触带的8^#Cu、9^#Cu矿体规模最大。矿体形态复杂, 剖面上呈带状或蛇曲状, 分支、复合、膨大、缩小现象明显, 矿体平缓呈环状, 展开长2150m, 平均厚度为14.5m。矿石类型以含铜矽卡岩为主, 其次有含铜大理岩、含铜闪长斑岩等。

采矿方法为上向水平分层进路式水砂充填法, 采用脉外斜坡道采准, 沿矿体走向划分盘区, 盘区长约100m。生产中段高40m, 分段高10m, 由分段平巷、切采巷道进入回采工作面, 各盘区中部设有溜矿井及泄水井, 溜矿井兼作回风井及充填井。回采方式为进路式连续回采。

回采进路层高为3.3m, 宽度一般为3.3~5m。进路回采后, 用江砂或江砂与尾砂组成的混合砂进行水砂充填。为减少矿石的二次贫化, 必须保证回采相邻进路时水砂充填体有足够的自立能力。因而, 分析充填体自立时侧帮的最佳倾角是十分必要的。

2 充填体侧帮不同倾角的稳定性分析

由于水砂充填体强度(内聚力、内摩擦角)很低, 不足以维持充填体侧帮的自立, 往往造成充填体侧帮垮塌, 不仅引起较为严重的矿石贫化, 而且增大了采空区顶板的暴露面, 给安全生产带来不利影响。为保证与改善水砂充填体的自立能力, 分别用纯江砂和江砂与尾砂组成的混合砂作为充填料进行试验, 并在充填体中用竹篱笆予以加固。应用静力学极限平衡分析法, 参照了目前在国内外砂土质边坡稳定性分析中应用较为成熟的Bishop分理原理, 推导出适合本分析课题的Bishop分析法及概率分析法求解充填料侧壁稳定性安全系数及侧壁破坏概率^[1~3]的计算公式。计算时, 按照充填料的类型及选取的侧壁倾角(65°、60°、55°)分别计算其充填体侧壁的安全系数及坍塌破坏概率, 获得如表 1的参数。

由表 1参数可以绘出侧帮不同倾角的充填体安全系数变化关系曲线(如图 1)及坍塌破坏概率变化关系曲线(如图 2)。

从图 1充填体稳定性曲线可知, 混合砂充填体稳定性明显好于江砂充填体的稳定性。当充填体自立侧帮倾角相同时, 前者的安全系数较后者高0.11~0.16;当混合砂充填体自立侧帮倾角为65°时, 其安全系数与倾角为60°的江砂充填体相当; 而倾角为60°的混合砂充填体比倾角为55°的江砂充填体的安全系数高。因而可以获得这样的结论:即安全系数相同时, 混合砂充填体侧帮的倾角可以比江砂充填体增加5°左右。

从图 2充填体坍塌破坏概率曲线可以看出, 混合砂充填体的坍塌概率明显低于江砂充填体的坍塌概率, 因此, 当倾角相同时, 江砂充填体坍塌概率为混合砂坍塌概率的2.5倍以上。倾角大于55°的江砂充填体其破坏概率均大于20%, 而混合砂充体侧帮倾角小于60°时, 其破坏概率均不大于10%。

综述表 1充填体稳定性参数可知, 评价充填体稳定性时, 必须综合考虑其安全系数和破坏概率, 才能获得准确的评价。同时, 还应根据所研究对象的应用条件来确定一个既经济合理又安全可靠的破坏概率作为评价稳定性的参考标准。例如, 江砂充填体, 当其侧帮倾角为65°时, 其安全系数为1.01即大于1, 这在某些工程中是可以接受的, 但其坍塌破坏概率高达47.6%, 这是大多数工程所无法接受的。本分析对象是采矿场充填体自立的稳定性, 在采矿方法试验时, 经多种方案对比实验, 并进行经济比较, 确定在分析评价采场充填体稳定性时, 采用安全系数F₈≥1.2, 破坏概率Pƒ≤10%, 作为一般性分析评价标准。当矿石品位较高, 有较高的经济价值时, 且要求矿石回收率较高, 此时, 即使充填体坍塌概率较高造成矿石二次贫化率也较高时, 该分析评价标准是可以接受的。当矿石品位较低, 为保证出矿品位, 应尽量控制充填体混入造成矿石的二次贫化时, 就必须控制充填体的坍塌破坏概率。

为提高充填体的稳定性, 降低充填体侧帮倾角是一有效的措施。但在实际施工时，为形成较缓的倾角(如55°), 势必给采矿施工带来不便, 在进路式采矿中, 在55°的进路壁面下。用大型无轨设备出矿是十分困难的。因此, 在确定进路壁倾角时, 必须保证施工方便, 在正常情况下, 采矿进路壁倾角在60°以上时, 只要采取可行的爆破措施, 可以解决进路壁面下的出矿死角区, 此时, 用铲运机出矿是可行的。

3 增强充填体稳定性的措施

从充填体稳定性分析中可知, 在不采取措施的情况下, 江砂充填体侧帮倾角不大于5°时, 方可保证充填体安全系数大于1.2, 充填体坍塌破坏概率小于10%;对于混合砂充填体, 要使其安全系数大于1.2, 坍塌概率小于10%, 就必须使充填体侧帮倾角大于60°。从施工角度讲, 要使充填体侧帮倾角小于60°, 凿岩及出矿必会遇到很多困难, 因而充填体侧帮倾角不宜小于60°, 由此可见, 若既要保证施工的方便, 又要保证江砂充填体的稳定性, 就必需采取增强充填体稳定性的措施。

在采矿过程中, 为保证充填体的稳定性, 从许多方面采取了措施以提高充填体质量。其中措施之一就是采用竹篱笆预加固充填体。具体方法是, 在进路充填前, 进路靠近矿体一侧, 沿进路走向钉一排竹篱笆, 尺寸为1.0m×1.5m, 并分别取加固高度为1.5m和1.0m, 充填料为江砂和混合砂在采场进行充填试验, 根据同样方法进行计算^[1~3], 可得出充填体安全系数及其坍塌破坏概率与加固高度的关系曲线(如图 3、图 4)。

从充填体稳定性安全系数可知, 用竹篱笆加固充填体, 可明显改善充填体的稳定性。用混合砂作充填体, 当加固高度为1.0m时, 其安全系数由不加固时的1.2增大为1.53, 当加固高度为1.5m时, 其安全系数达到1.84;用纯江砂作充填体, 加固高度为1.0m时, 其安全系数由不加固时的1.12增大为1.40, 加固高度为1.5m时, 其安全系数可达1.63。可见, 在其他条件不变的情况下, 充填体加固高度1.0m时, 安全系数较不加固时提高了25%左右, 加固高度1.5m时, 安全系数较不加固时提高近50%。

从充填体破坏概率与加固高度关系可知, 用竹篱笆预加固充填体后, 可大大降低充填体的坍塌破坏概率。对于混合砂充填体, 当加固高度为1.0m时, 其破坏概率由加固前的9.3%降低为0.8%, 当加固高度为1.5m时, 其破坏概率仅为0.2%;对于江砂充填体, 当加固高度为1.0m时, 其破坏概率由加固前的25.1%降低为5.5%, 当加固高度为1.5m时, 其破坏概率仅为1.9%。

4 结语

(1) 选用含分级尾砂20%的混合砂作为水砂充填料, 与纯江砂相比, 不仅具有良好的输送及滤水性能, 而且具有较好的自立能力, 有利于增强充填体的稳定性。

(2) 在上向水平分层进路式水砂充填采矿方法应用时, 进路侧壁倾角确定以60°为宜, 这一倾角既有利于充填体的稳定性, 同时也具有采矿施工的可行性。

(3) 对于贫化率要求不高的采场, 进路侧壁倾角为60°时, 用混合砂可不采取加固措施, 充填体的安全系数可达1.2, 其坍塌破坏概率小于10%, 若用纯江砂充填, 充填体破坏概率为25%。

(4) 对于充填体稳定性要求高或对矿石贫化率要求较严的采场, 需对水砂充填体采取加固措施。对于混合砂充填体, 加固高度为1.0m时, 即可保证侧帮为60°倾角的充填体有足够的自立性能。对于江砂充填体, 加固高度为1.0m时, 侧帮60°倾角充填体破坏概率不大于6%, 一般可满足对充填体稳定性的要求。

(5) 在分析充填体稳定性时, 建议采用安全系数F_S≥1.2, 且破坏概率Pƒ≤10%作为评价标准。