, 王者超, 熊志朋 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-05-14
基金项目：国家重点研发计划项目(2018YFC0604601，2018YFC0604405)；国家青年科学基金资助项目(52004054)；国家自然科学基金资助项目(51874068)；辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1805008)。
作者简介：李坤蒙(1990-)，男，陕西西安人，东北大学博士后研究人员;
李元辉(1968-)，男，辽宁营口人，东北大学教授，博士生导师;
王者超(1980 -)，男，山东高唐人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：针对硬岩采场原岩矿柱损失率高、传统人工矿柱无法有效接顶等难题, 利用自主研制的膨胀材料水化反应后体积增大特性, 研发一种新型预应力膨胀支柱; 基于室内和现场工业试验, 测定其膨胀力学性能和承载机制.试验结果表明, 桶式膨胀装置(即膨胀支护动力源)在约束条件下, 随着膨胀材料装填量的增加, 其主动支撑力增加, 且增幅逐渐加大; 在全约束且满装膨胀材料的条件下, 主动支撑力可达500 kN.预应力膨胀支柱具有架设周期短(约4 h)、主动支撑力大(约600 kN)的优点; 在房柱法残留矿柱回收过程中, 预应力膨胀支柱呈现出应变硬化承载特性, 原岩矿柱的负载能够成功地转移至预应力膨胀支柱之上; 在确保顶板安全的条件下, 试验采场经济效益增加170万元.
关键词：膨胀支柱主动支撑应变硬化矿柱回收承载机制
Development and Application of a New Pre-stressed Expandable Pillar in Hard Rock Stope
LI Kun-meng, LI Yuan-hui
, WANG Zhe-chao, XIONG Zhi-peng Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: LI Yuan-hui, E-mail: neulyh@163.com.
Abstract: In order to solve the problems of high loss rate of natural pillars and the inability of traditional artificial pillars to effectively contact roof in hard rock stope, a new pre-stressed expandable pillar was developed by using the volume increase characteristic of the self-developed expandable material after hydration reaction. Based on the laboratory and field industrial tests, the mechanical properties and load bearing mechanism were determined. The test results showed that with the increase of the amount of expandable material in the barrel-type expandable device under constrained conditions, its active support stress increased with a gradually increased increment, and it could reach 500 kN under the conditions of full constraint and fully filled with expandable material. The pre-stressed expandable pillar had the advantages of short construction period(about 4 h) and large active support stress(about 600 kN). When recovering residual pillars in the room-and-pillar mining, the pre-stressed expandable pillars showed strain-hardening bearing characteristics, and the load on natural pillars was successfully transferred to the artificial expandable pillars. Under the conditions of ensuring the stope safety, economic benefit of the test stope increased by 1, 700, 000 CNY.
Key words: expandable pillaractive supportstrain-hardeningpillar recoverybearing mechanism
利用全面法和房柱法开采地下水平缓倾斜薄矿体时, 为了改善作业人员的安全条件, 通常留设较宽的连续采区矿柱和间断的圆形、矩形点柱, 以承载采区范围上部的覆岩荷载, 限制顶板的变形和破坏[1].尽管原岩矿柱能够提高采场的稳定性, 但残留矿石的损失(损失率10%~30%)势必严重影响企业的经济效益[2].另一方面, 随着浅部矿产资源的不断枯竭, 深部开采已成为未来矿业发展的必然趋势, 在深部高应力(30~50 MPa)强卸荷作用下, 地下采场地压显著升高, 高应力集中导致原岩矿柱极易产生脆性破坏甚至发生岩爆, 无法为采场顶板提供长久的支护[3].对于整个原岩矿柱群而言, 单个矿柱破坏引起的多米诺骨牌效应[4]易诱发顶板大面积垮落、帮壁脱落等地压灾害, 危及人员和设备安全.
为了解决硬岩采场原生矿柱损失率大和脆性承载等问题, 越来越多的矿山企业致力于研发成本低、性能优的人工矿柱, 目的是将原生矿柱承载的顶板荷载转移至人工矿柱之上, 以保证采场的稳定性.目前国内外大约存在50种不同类型的硬岩采场人工矿柱, 根据承载-变形关系曲线可将其分为四类[5-6], 分别为脆性矿柱、弹塑性矿柱、应变软化矿柱和应变硬化矿柱.第一类是脆性矿柱, 如传统的人工胶结矿柱[7-8]和砂柱[6].该类人工矿柱的共同承载特征体现在: 当荷载达到支护体的极限强度时, 其承载力迅速降低为零, 即支护体完全失去支护能力.第二类是弹塑性矿柱, 如Can supports[6, 9], Cluster Props[10-11], Rocp rops[6, 10, 12], Spider Props[6, 13], Ball Buster和Quick Sticks[6].相对于脆性矿柱而言, 在荷载达到支护体极限强度后, 弹塑性矿柱能够为采场顶板提供稳定的支撑力.第三类是应变软化矿柱, 如Pumpable[6, 10, 14-15], 相对于前两种人工矿柱而言, 当荷载达到支护体的极限强度时, 应变软化矿柱的支撑力迅速下降, 但之后能维持一定的残余承载力.第四类是应变硬化矿柱, 如Omni Props[6], Big John和Little John Extremes[6, 10], 在荷载达到此类矿柱的极限强度后, 随着顶板荷载的继续增加, 支护体的承载力不断增大.目前矿山使用的人工矿柱主要为前三类, 第四类人工矿柱仍处于研发阶段, 应用并不广泛, 但其应变硬化承载性能符合“让压支护”的实际定义, 是最理想的采场顶板支护体[16-17].
除了分析承载-变形特征外, 人工矿柱的实际作用时机亦是影响其支护效果的另一个关键因素.在架设人工矿柱之前, 由于采场回采作业的影响, 顶板会产生一定的早期变形, 且人工矿柱架设周期越长, 顶板的前期变形量越大.对于一种特定的支护体而言, 其施工周期通常是固定的, 例如, 架设传统人工胶结矿柱的周期约为7天[7].因此, 若要尽可能早地为采场顶板提供支撑, 便迫切需要研发施工周期更短的新型支护技术.另一方面, 传统人工矿柱无法有效接顶, 即采场顶板与支护体之间存在一定的间隙, 导致人工矿柱实际开始承受顶板荷载之前, 顶板必然形成更大的前期变形.解决支护接顶难题最有效的手段是改“被动支护”为“主动支撑”.主动支撑的实质是使人工矿柱具有一定的预支护应力, 以消除顶板和支护体之间的间隙, 较早和及时地限制顶板的变形和破坏.从目前国内外研究来看, 预应力施加装置通常布置在人工矿柱顶部与采场顶板之间, 共计五种类型, 分别为嵌入木楔、机械装置、橡胶气囊、灌浆填充袋和水膨胀钢隔膜[10, 18].嵌入木楔需手动安装且预应力低, 约20~40 kN[18-19]; Loadmaster, Power Wedge等机械装置未得到广泛应用且预应力亦低, 约为110 kN[20]; 橡胶气囊于20世纪80年代初便在南非矿山得以应用, 其预应力小于100 kN[10]; 灌浆填充袋的原理是利用特殊水泥的膨胀作用来为采场顶板提供主动支撑力, 其预应力可达800 kN[6]; 水膨胀钢隔膜与灌浆填充袋原理类似, 其利用水压形成的主动支撑力可达500 kN[18, 21].目前矿山比较成熟的预应力施加技术主要包括嵌入木楔、机械装置和橡胶气囊, 主要缺点是预应力较小, 约20~110 kN.灌浆填充袋和水膨胀钢隔膜仍处于研发试用阶段, 尽管形成的预应力较大, 但其对充填材料配比和囊、袋及钢隔膜的封闭性要求较高.
针对深部采场地压大、留设原岩矿柱损失率高、构架人工矿柱接顶困难及被动承载等难题, 本文首次提出“膨胀支护”理念, 自主研制新型膨胀材料, 利用其水化反应后体积增大特性, 研发一种可提供单向主动支撑力的桶式膨胀装置, 即膨胀支护动力源.基于室内试验手段, 测定不同约束条件下和不同膨胀材料装填量条件下的桶式膨胀装置主动支撑力, 分析其接顶机理和膨胀力学性能.基于桶式膨胀装置设计适合现场应用的预应力膨胀支柱, 并开展房柱法采场残留原岩矿柱回收工业试验, 监测预应力膨胀支柱的力-时间关系曲线, 分析其主动支撑和承载性能, 并从技术和经济角度对结果进行评价.
1 “膨胀支护”理念的提出硬岩采场传统人工矿柱主要存在两方面的技术缺陷：从承载角度考虑, 其支撑力小, 实际支撑点延后, 且多属于脆性、应变软化承载; 从支撑角度分析, 目前预应力施加技术主动支撑力较小, 矿柱对采场顶板呈现被动支护特性.为解决这些难题, 提出一种“膨胀支护”理念, 如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 膨胀支护特性概念曲线Fig.1 Conceptual curve of expandable support characteristics |
相对于应变硬化矿柱而言, 膨胀支护体必须进行三方面改进: ①架设周期必须缩短, 缩短架设周期可以减小顶板的前期变形量, 进而优化采场顶板的支护时机; ②具有较高的预支护应力, 高预应力能够为顶板提供及时的主动支撑作用, 有效解决传统支护体无法接顶难题; ③保持应变硬化承载特性, 当顶板来压后, 膨胀支护体的承载能力增加, 实质性地实现对采场顶板的“让压支护”.
2 膨胀支护动力源的研发2.1 膨胀材料的研制膨胀方式的优选是研发膨胀支护体的基础, 相对于物理膨胀(即机械膨胀方式)[20]而言, 化学膨胀方法能够在短时间内获得较大的膨胀力, 符合膨胀支护理念要求, 适合作为膨胀支护体主动支撑力的生成方式.基于膨胀力大和反应速率可控原则, 自主研制新型膨胀材料, 其主要成分包括膨胀水泥、钝化石灰和硅酸盐粉.膨胀原理如图 2[22]所示, CaO等混合物组成的膨胀材料遇水后, CaO+H2O→Ca(OH)2, 由于Ca(OH)2的分子体积大于CaO, 导致膨胀材料体积增加, 在自由膨胀作用下, Ca(OH)2体积膨胀约为CaO的2倍左右.若在一个封闭的约束状态条件下, 增加的Ca(OH)2分子体积首先填充封闭体的空隙, 之后相互挤压, 产生对约束设备的支撑作用.膨胀支护即利用此挤压作用来形成对采场顶板和巷道的主动支撑力.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 膨胀材料的膨胀原理Fig.2 Expansion principle of expandable material (a)—原始状态；(b)—膨胀后；(c)—自由膨胀；(d)—约束状态. |
2.2 桶式膨胀装置的研发膨胀支护体必须具有提供主动支撑力的膨胀特性, 以及能够承受超出屈服范围的更高荷载.在受外界约束条件下, 膨胀材料的体积增大受限, 水化反应能够对限制体产生较高的膨胀压; 但在自由状态下, 膨胀材料反应生成没有强度的粉末, 或者在失去外界约束条件后逐渐从致密坚硬状态粉化, 直至失去强度.因此, 膨胀支护体不仅需要具有体积增大效果, 而且必须能够对膨胀材料进行一定方向的约束, 使其仅向设计的支护方向膨胀和产生主动支撑力.借鉴钢管混凝土的套箍约束作用, 设计桶式膨胀装置及其各部件如图 3所示, 其原理是将膨胀材料限制在带有上、下桶盖的内桶中.当膨胀材料遇水反应发生体积膨胀后, 桶式膨胀装置的上桶盖和下桶盖分别向上、下移动, 当边界受约束时, 产生的膨胀力便转化为对边界限制体的支撑作用.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 桶式膨胀装置的设计Fig.3 Design of barrel expandable device (a)—装置设计；(b)—实物膨胀后. |
2.3 桶式膨胀装置的膨胀力学性能对于相同类型的膨胀支护体而言, 其主动支撑力大小取决于约束条件和膨胀材料的装填量.因此, 设计不同“预留空间”和“膨胀材料装填量”条件下的桶式膨胀装置主动支撑力测定试验, 以分析其接顶机理和膨胀力学性能.测试系统如图 4所示, 其中“预留空间”能够模拟现场施工质量不当而造成顶板与支护体之间存在的间隙, 以揭示接顶效果对膨胀支护体膨胀力学性能的影响.室内试验的“预留空间”即压力试验机上部压头与桶式膨胀装置顶部的距离.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 桶式膨胀装置的膨胀力学性能测试系统Fig.4 Measuring system of expansion mechanical property of the barrel expandable device |
2.3.1 桶式膨胀装置的自由膨胀率桶式膨胀装置的自由膨胀率是分析其膨胀力学性能的基础.试验共计7.5 kg膨胀材料, 膨胀材料反应前、后的装置高度差与反应前的装置高度之比即为自由膨胀率.室内试验测得膨胀材料反应前、后桶式装置高度分别为300 mm和475 mm, 计算其自由膨胀率为58.3%.试验过程中, 膨胀材料在注水后大约20 min发生反应, 且实际的膨胀作用时间小于10 min; 桶式膨胀装置主动支撑力的快速生成为新型膨胀支护体架设周期的缩短提供了理论基础.
2.3.2 不同预留空间的主动支撑性能如图 5和表 1所示, 在满装膨胀材料(7.5 kg)的条件下, 随着膨胀材料的反应, 桶式膨胀装置的主动支撑力先迅速增大然后保持恒定.当预留空间为100 mm时, 主动支撑力约为38 kN; 当预留空间为0 mm时, 即不设预留空间, 主动支撑力可达到475 kN.预留空间大于50 mm时, 每增加10 mm的预留空间, 桶式膨胀装置的主动支撑力的减幅基本一致, 约10~15 kN; 预留空间小于50 mm时, 每降低10 mm的预留空间, 桶式膨胀装置主动支撑力的增幅逐渐加大, 最大增幅可达120 kN.这是因为, 当预留空间较大时, 膨胀材料的膨胀作用主要弥补桶式膨胀装置的内部空隙和自由膨胀, 其上桶盖接触到压力机压头时, 膨胀材料的化学反应已临近结束; 当预留空间较小时, 桶式膨胀装置较早地被限制和约束, 膨胀材料反应产生的膨胀力主要转换为对压力机压头的支撑力, 随着预留空间的减小, 桶式膨胀装置被更大程度地压实而引起材料弹性模量的增加, 最终导致主动支撑力增幅的逐渐加大.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同预留空间条件下的主动支撑力时效曲线Fig.5 Time-dependent active support force curves under different reserved gaps |
表 1(Table 1)
 表 1 不同预留间隙条件下的主动支撑力Table 1 Active support forceswith different reserved gaps
| 表 1 不同预留间隙条件下的主动支撑力 Table 1 Active support forceswith different reserved gaps |
2.3.3 不同膨胀材料装填量的主动支撑性能如图 6和表 2所示, 在完全约束(预留空间为0)条件下, 随着膨胀材料装填量的增加, 膨胀装置的主动支撑力增加, 且增幅稍许加大; 满装膨胀材料(7.5 kg)条件下, 主动支撑力可达475 kN, 而装填1.5 kg膨胀材料时主动支撑力仅12 kN.这是因为, 当膨胀材料装填量较少时, 膨胀材料的膨胀作用主要转化为对填充材料的挤压作用, 即水化产物填充装置的空隙; 当膨胀材料装填量增加到一定程度时, 膨胀材料膨胀后的水化产物能够充满所有空隙, 其余的膨胀作用转化为对压力机压头的支撑力.另一方面, 随着膨胀装置主动支撑力的增加, 膨胀材料弹性模量加大, 在膨胀材料增加量相同的条件下, 主动支撑力的增幅扩大.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同膨胀材料装填量下的主动支撑力时效曲线Fig.6 Time-dependent active support force curves with different quantities of filled expandable material |
表 2(Table 2)
表 2 不同膨胀材料装填量下的主动支撑力Table 2 Active support forces with different expandable material quantity
| 表 2 不同膨胀材料装填量下的主动支撑力 Table 2 Active support forces with different expandable material quantity |
3 预应力膨胀支柱的设计尽管桶式膨胀装置能够作为膨胀支护的动力源, 但若直接将其或其放大版本应用于高约3 m(或更高)的采场是不现实的.设计现场应用的预应力膨胀支柱应该以桶式膨胀装置扩大版为主, 其他支撑结构为辅.如图 7所示, 预应力膨胀支柱主要由接顶结构、支撑结构和膨胀结构三部分组成, 其中膨胀结构为桶式膨胀装置的放大版本.与实验室的桶式膨胀装置作用原理类似, 膨胀结构中的膨胀材料发生反应后, 借助支撑结构对膨胀力的传递作用, 使接顶结构与顶板接触, 并将后续的膨胀力转换为对采场顶板的支撑力, 最终达到主动支撑采场顶板的目的.预应力膨胀支柱的架设和反应周期共计3~4 h, 大大缩短了支护体的支护周期, 为采场顶板支护时机的优化提供了理论基础.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 预应力膨胀支柱设计Fig.7 Design of a pre-stressed expandable pillar |
4 基于预应力膨胀支柱技术的房柱法采场残矿回收工业试验4.1 现场介绍赤峰柴胡栏子金矿属于典型的水平缓倾斜薄矿体, 采矿方法为房柱法; 矿体回采结束后, 采场存有大量高品位原生矿柱, 造成企业经济效益下降.本文基于新型预应力膨胀支柱支护技术, 开展房柱法开采残留原生矿柱回收工业试验.
4.2 监测设计原生矿柱回收过程中, 监测预应力膨胀支柱的主动支撑力和承载性能, 以揭示采场顶板压力的演化规律.以第一排原岩矿柱的回收过程为研究背景, 如图 8所示, 图中圆圈代表设计的预应力膨胀支柱, 五角形代表现场已架设的预应力膨胀支柱, 矩形“A”“B”和“C”代表安装压力监测计的预应力膨胀支柱.为了全面监测整个采场不同区域的顶板压力变化, 使压力监测计“A”和“C”靠近采场两帮, 压力监测计“B”位于采场中央.原岩矿柱按1到4的顺序进行回采, 单次爆破作业之后, 引入等待时间以观察预应力膨胀支柱的长期承载性能.承载性能监测位置的选择综合考虑了原岩矿柱的回采顺序, 压力监测计“A”位于第1次爆破作业位置附近, 压力监测计“B”位于第2次和第3次爆破作业位置之间, 压力监测计“C”位于第4次爆破的原岩矿柱中间.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 现场预应力膨胀支柱与爆破顺序的设计Fig.8 Design of on-site pre-stressed expandable pillars and blasting sequence |
4.3 结果分析如图 9所示, 现场监测到的预应力膨胀支柱的主动支撑力先迅速增加然后少许降低, 存在一种“变形滞后”现象, 这与实验室测定的桶式膨胀装置不一致; 原因在于膨胀结构内部填充的膨胀材料体积增大, 导致材料的空隙率增加, 而较低的初始弹性模量导致膨胀支柱变形滞后于瞬间产生的主动支撑力.监测单根支撑钢管的压应力约11 MPa, 由此计算预应力膨胀支柱的主动支撑力为
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 | 图 9 压力测量结果Fig.9 Pressure measurement results 图中数字i(i=1, 2, 3, 4)表示第i次爆破; A, B, C表示压力监测计. |
式中: S为压力监测计的受力面积; σs为单根支撑钢管的压应力.
随着原岩矿柱的回采, 预应力膨胀支柱的压应力迅速增加, 呈现一种应变硬化承载特性.每次爆破作业后, 柱A(图 8中的压力监测计A)的压应力增幅均较小, 约0.25 MPa.前两次爆破作业后, 柱B(图 8中的压力监测计B)的压应力增幅约为0.25和0.5 MPa, 而第三次和第四次爆破作业后, 柱B的压应力增幅较大, 约3.0和2.25 MPa.前三次爆破作业后, 柱C(图 8中的压力监测计C)的压应力基本保持不变, 而第四次爆破后, 其压应力值增幅较大, 约3.5 MPa.另一方面, 如图 9所示, 单次回采爆破作业之后, 预应力膨胀支柱的稳定承载力存在一定的波动, 这与采动顶板应力重新分布的时效性和邻近采场采矿活动的干扰密切相关.整排原岩矿柱回收完毕后, 压力监测计A, B和C的稳定承载力分别为12.50, 16和15.25 MPa, 三者有一定的差异; 其原因是, 柱B和C靠近回收的原岩矿柱且位于采场中央, 而柱A远离回收的原岩矿柱且靠近帮壁, 此结果与“压力拱理论”一致, 即采场中央的顶板应力大.预应力膨胀支柱的最终承载力约为
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图 10(Fig. 10)
 | 图 10 工业试验结束后的采场状态Fig.10 Stope conditions after on-site test |
4.4.2 经济效益试验采场原岩矿柱一般为矩形, 长、宽约3 m, 平均高度3 m, 矿石平均品位4 g/t.根据经验, 残矿回收率取92%, 单个原岩矿柱的平均经济价值为EV=ρVαγδ=2.7 t/m3×(3×3×3)m3×4 g/t×92%×270元/g=7.2万元, 式中ρ, V, α, γ和δ分别代表矿石密度、矿柱体积、品位、回收率和每克黄金价格.如图 8所示, 试验采场约有25个原岩矿柱, 总计损失181.1万元.若利用预应力膨胀支柱替换原岩矿柱, 设计每排5架, 共6排, 总计30架, 单架预应力膨胀支柱的加工和支护成本约3 500元, 总成本10.5万元.从经济角度分析, 利用预应力膨胀支柱替换原岩矿柱使柴胡栏子金矿矿石回收率由70%增加至92%以上, 直接经济效益增加170万元.
5 结论1) 室内试验结果表明, 桶式膨胀装置(即膨胀支护动力源)的自由膨胀率为58.3%, 其能够迅速(约10 min)、主动地对限制体(如压力机压头)形成主动支撑力.随着桶式膨胀装置与限制体之间预留空间的减小或膨胀材料装填量的增加, 其主动支撑力增加, 且增幅不断加大, 不设预留空间且满装膨胀材料的桶式膨胀装置主动支撑力约500 kN.
2) 现场工业试验显示, 预应力膨胀支柱能够迅速(支护周期仅需3~4 h)生成较大的主动支撑力, 约600 kN; 随着房柱法采场残留原岩矿柱的回采, 预应力膨胀支柱的承载力增加, 且离回采作业位置越近, 承载力增幅越大.从技术角度分析, 工业试验完毕后, 支护体本身和采场顶板保持稳定.从经济角度分析, 试验采场矿石回收率由70%增加至92%以上, 直接经济效益增加170万元.
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