韩森 钟炯

摘要：充填采矿技术逐渐被应用到越来越多的矿山。本文针对充填体在控制采场安全方面进行了描述，主要从充填材料、充填支护机理、充填体的破坏形式三个方面进行了研究，对我国矿山行业充填采矿方法的推广具有一定意义。

关键词：充填采矿；采场安全；地应力控制

中图分类号：D922文献标识码： A

随着矿业资源开发的需求，充填采矿技术在实践中不断的革新和完善逐渐成为一种高效安全的采矿方法。尾砂胶结充填是充填采矿方法中重要的类型之一，意在降低开采成本并形成一个持久的有足够强度的充填体。充填开采技术在控制采空区地压、维护采场稳定、防止地表沉陷、保护生态环境等方面具有十分重要的作用[1]。近年来，充填开采技术在国内外金属矿山得到了广泛的应用，南非几乎所有深井矿山都采用充填技术，在我国有色、黑色和黄金矿山采用充填技术的比例也逐年增加。充填采场控制采空区的地压行为属于人工支护的范畴，类似于采用锚杆、喷射混凝土等人工措施支护采场巷道，其目的在于维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力，防止采场或巷道围岩的整体失稳或局部跨冒[2]，对充填材料以及充填体对采场安全的影响进行研究非常有必要。

1常用充填材料

充填材料包括胶结剂、骨料、化学添加剂等，水泥全尾砂作为充填胶结材料应用于井下充填在许多矿山得到推广应用。矿山所用的充填骨料已从传统的河砂、棒磨砂、细石等砂石向以选矿尾砂、粉煤灰、炉渣、煤矸石、建筑垃圾等工业废料过渡。

2充填体作用机理

地下矿体的采出的过程就是原岩的平衡应力场破坏的一个过程。因此，应力必然进行传递和调整，以达到新的平衡。使用充填采矿法的矿山就是利用充填体填充采场与围岩共同受力充填体作用机理以及深井矿山充填体的作用效果是深井采矿方法设计和采矿方案决策的基础。充填体的作用机理体现在以下几个方面：

2.1 充填体的支护作用

国外早就有学者对充填体的支护作用进行研究[3]：

1)表面支护作用

通过对采场边界关键块体的位移施加运动约束，充填体可以防止在低应力条件下开挖空间周边岩体时空间上的渐进破坏。

2）局部支护作用

由邻近的采矿活动引起的采场帮壁岩体的准连续性刚体位移，使得充填体发挥被动抗体的作用。作用在充填体与岩体交界面上的支护压力允许在采场周边产生很高的局部应力梯度。实践证明即使小的表面荷载对摩擦型介质中的屈服区范围也可能产生重大的影响。

3)总体支护作用

如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构中可以起到一种总体支护构件的作用。即，在岩体与充填体交界面上采矿所诱导的位移将引起充填体的变形，而这类变形又导致了整个矿山近场区域中应力状态的降低。

2.2 充填体与围岩的共同受力作用

北科大于学馥教授针对金川矿区所采用的充填材料与充填工艺进行研究，提出充填体三种作用机理[4]：

1)应力转移与吸收

充填体以流体的形式进入空区，最初是不受力的。随着充填体强度的提高，具备了吸收应力和转移应力的能力，参与地层的自组织系统和活动。

2)应力隔离机理

充填体对围岩稳定的应力隔离作用有两种情况：一种是隔离水平应力；另一种是隔离垂直应力。

3)系统的共同作用

充填体充入地下采场后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到控制，围岩能量耗散速度得以减缓，从而可以有效控制矿山结构和围岩破坏的发展，防止发生无阻挡的自由破坏塌落。

2.3 充填体的充填作用

国外学者Kirsten,H.A.D.和stacey,T.R.认为充填在维护采场稳定的作用方式是多种形式的，支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作中充填体的稳定效果。尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的，但其积累起的作用可大大的影响采场覆岩的稳定性，充填体的充填功能主要包括：

1)保持顶板岩层的完整性

由于采场形成的临空面，使得某些结构体具有滑移或冒落的可能。充填体的重要作用之一就是在拱顶石和采场之间提供一种连接，延缓并最终阻止拱顶石移动的任何趋势，从而提高顶板围岩的自身承载能力。

2)减轻地震波的危害

在没有充填物的情况下，岩爆引起的压缩冲击波将在顶板和底板岩石表面处反射，产生拉应力并将孤立的顶、底板切断。充填体的存在使得与岩石的接触让冲击波仅在岩石与充填体界面处部分反射，降低了切断作用。

3)作为节理与裂隙中的填充物

充填后细料将进入上下盘围岩中的裂隙和节理中，起到粘结作用。此外，充填料与岩石之间的接触还能防止在工作面推进时岩层遭受曲率逆转期间节理中出现的任何原生细料跑出，促使节理和裂隙闭合，限制拱顶石的松动，提高顶板围岩的稳定性。

2.4 充填体的综合作用机理

2.4.1充填体力学作用机理

充填体充入采场，改变了采场帮壁的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，大大提高了围岩强度，增强了围岩的自支撑能力。充填体起到支撑作用，提高了围岩自身强度和自支撑能力。

2.4.2充填体结构作用机理

采场充填后，尽管充填体的强度不高、承载时变形大，但是它可以起到维护原岩体结构的作用，使围岩维持稳定，避免围岩结构系统的突变失稳。

2.4.3充填体让压作用机理

由于充填体变形远大于原岩体，故充填体能够在维护围岩系统结构体系的情况下，缓慢让压，使其围岩地压能够缓慢释放；同时，充填体施压于围岩，对围岩起到一种柔性支护的作用。

总而言之，采场充填体的作用一般来说取决于两个方面：一是围岩与充填体所构成的组合结构的形式；二是充填体与围岩的力学与变形特性之比。对于不同的矿体组合形态、围岩体结构类型以及采矿顺序，这两方面影响程度不同。因此，充填体作用机理的研究应针对具体矿山的实际情况，并借鉴己有的工程经验进行综合分析。

3胶结充填体的破坏

充填体的破坏不仅与充填料浆的胶结性能有关，而且受充填体自身完整性的制约。作为人工顶板且呈层状结构的充填体，极易以层状形式片冒。各层充填体内次生应力场分布一般采用梁理论来进行分析。充填体作为一种细集料和硬化水泥浆体组成的复合材料，其强度应当是水泥(或水泥代用品)强度、集料强度以及组分之间相互作用的函数。

充填体在受到外力作用时，充填体内原始损伤(因干缩引起的界面粘结裂纹及大量的孔隙等)部位必将产生应力集中现象，这种局部的应力集中会导致内部微缺陷的闭合或扩张。分析充填体加载实验的宏观力学行为，首先是随外载荷产生的变形，然后是微裂纹的产生、扩展直至材料产生破坏。

4小结

随着科技的发展，矿山开采的机械化程度越来越高，地下矿山开采强度越来越大，对充填的要求也越来越高。笔者通过对充填体在采场安全中的重要作用进行研究，总结了充填体和采场围岩的作用机理以及充填体的破坏形式。本研究对矿山行业充填技术的发展有着一定的积极作用。

参考文献：

[1]RANKINE R，PACHECO M，SIVAKUGAN N．Underground mining with backfills[J]．Soils and Rocks，2007，30(02)：93-101．

[2]王新民．基于深井开采的充填材料与管输系统的研究[D]．长沙，中南大学，2006.

[3]B.H.G布雷迪,E.T布郎.地下采矿岩石力学[M].北京:煤炭工业出版社,1990

[4]于学馥,郑疑人.地下工程位移稳定性分析[M].北京:煤炭工业出版社,1996

韩森，男，（1981.05-），河北石家庄人，2008年硕士毕业于中南大学，现就职于湖南有色金属研究院。