6.3 Artificially Supported Stope Structure
Artificially supported stope structure has been subjected to technological changes, particularly with the aspect of consolidation of mine fill and increasing its bearing capacity as well as increasing size of excavation to make sufficient room for heavy mine mechanization as for example LHD equipment. Consolidated mine fill and large mine excavations affected ground stress mechanics and the philosophy of the underground mine stability analyses.
This chapter will discuss the principal mining methods related to artificial support by rock and mine tailings, the technology of consolidating these materials and the ground stress mechanics related to multiple vein mining. Three case studies will be briefly discussed concerning the extraction mechanics between mine fill and adjacent stope walls.
Certain aspects of ground mechanics of artificially supported stopes are discussed in 6.4 and they could be equally applied to cut-and-fill mining.
6.3.1 PRINCIPAL MINING METHODS
Artificially supported stopes can be classified into three principal groups:
- supported by timber (square set methods);
- supported by broken ore (shrinkage methods);
- supported by mine fill (cut-and-fill methods).
Variations on cut-and-fill methods are discussed under lsquo;Transverse cut-and-fill stoping and Undercut-and-fill stoping.
6.3.1.1 Square set methods
Square set methods are now seldom practiced. The principal reasons for this are advanced mining technology;
- scarcity and high cost of timber;
- low productivity of the method.
However, where high grade and extremely fractured pillars must be extracted, then consideration could be given to these methods.
6.3.1.2 Shrinkage stoping
Shrinkage stopng, from the ground stability point of view, could be considered as a method of artificial support with own broken ore. This method is applicable to ore bodies, which are self-supporting over considerable spans and with strong wall rocks. Best applications are narrow vein deposits dipping over 45° (Figure 6.16). It is also used in combination with other mining methods such as cutting free the end slot of a caving slope.
Figure 6.17 shows a diagrammatic sketch of shrinkage stoping, illustrating the principal element of this method of mining. Broken ore is left in the stope, and supporting its walls also serves as a floor on which miners may stand while mining the ore above them. The ore extraction is usually in horizontal lifts from the bottom upward .
Only a small amount of development work is necessary before stoping can commence. Long ore passes to the level below are not required. The practical example of the shrinkage stope is given for a Pb-Zn-Ag sulphide ore body at South Bay Mine (N.W. Ontario). The stope follows the strike of the ore body. The stope block height along the ore dip is an arbitrary one and is between 30-50 m. However, the width of the shrinkage stope is controlled by the thickness of the ore body (l.0-5.0m). The stope starts by an ore undercut (height about 3m), which is connected by draw points and cross-cuts to the ramp (Figure 6.18). The stope advances up dip by breasting (breast height-1 m). Broken ore is used for support, and a platform for drilling. The working area is connected to the level below by two raises which provide servicing the working area with men supplies, and ventilation.
6.3.1.3 Cut-and-fill stoping
Cut-and-fill mining and its variations consist of placing successive layers of backfill material into the working area as the stope back is advanced up the dip of the ore body. The method is applicable to ore bodies with characteristics similar to shrinkage stoping, but where the thickness of the ore body is greater and particularly if one or both stope walls are relatively weak.
Figure 6.16.Shrinkage stope face of silver vein (Terra Mine, N.M. Territories)
1. Conventional cut-and-fill. Ore is extracted in horizontal slices advancing up the deep of the stoping block. The stoping block is undercut, extraction drift support (timber or steel sets) erected, manway and chutes installed and then backfilled with rock or tailing, leaving sufficient head room below the stope back to excavate the next slice.
Brief comments on this mining system are given with the aspect of mining at Con Gold Mine in Yellowknife (N.W. Territories). The original mining method was shrinkage stoping which had been used to the depth of 1000 m, and gave satisfactory ground control. Below this depth conventional cut-and-fill mining was
Figure 6.17 Block diagram of shrinkage stoping method
introduced. A service raise, 1.5 x 2.5 m, was driven from the undercut to upper level and used for stope servicing, including ventilation (Figure 6.19). Three steel lined raises, two manways and one millhole were extended from the lower level in the fill as the stope advanced up dip (Figure 6.20). The ore was drilled and blasted in horizontal slices and the broken ore was removed to the millholes by slushing. This stoping system is particularly convenient for steeply inclined ore bodies, where gravity can be utilized for ore removal and the introduction of fill material.
2. Mechanized cut-and-fill stoping is the application of drill jumbos and LHD equipment to conventional cut-and-fill stoping with the objective of increasing productivity. One application of mechanized cut-and-fill at South Bay Mine (N.W. Ontario). He
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6.3人工支撑的采场结构 1
6.3.1主要采矿方法 2
6.3.1.1广场设置方法 2
6.3.1.2留矿采矿法 2
6.3.1.3冲淤回采 3
6.3.1.4横向冲蚀回采 5
6.3.1.5下向胶结充填法 6
6.3.2矿山充填的加固 9
6.3.2.1未胶结的填充 10
6.3.2水泥充填 12
6.3.2.3胶结碎石 13
6.3.2.4填充胶结的化学激活剂 14
6.3人工支撑的采场结构
人工支撑的采场结构一直受到技术改造，特别是在矿山充填体加固、承载力增加、开挖规模增大的情况下，为重型矿山机械化提供了足够的空间，如LHD设备。综合矿山充填和大型矿山采掘对地应力力学和地下矿井稳定性分析的原理进行了研究。
本章将讨论岩石和尾矿的人工支持的主要采矿方法，整合这些材料的技术，以及与多矿脉开采有关的地应力力学。本文将简单地讨论三种情况，即充填物与相邻采场墙之间的萃取力学问题。
在6.4的基础上讨论了人工支护的地面力学的某些方面，它们可以同样适用于开挖和充填采矿。
6.3.1主要采矿方法
人工支持的采场可分为三大类:
由木材(方集方法)支撑;
由破碎矿石支撑(收缩法);
由我的填充(裁剪和填充方法)支持。
在“横向剪切-充填回采”和“开挖-充填回采”下，讨论了剪切-充填方法的变化。
6.3.1.1广场设置方法
现在很少练习方集方法，主要原因是拥有先进的采矿技术:木材的稀缺性和高成本;该方法生产率低。但是，如果必须提取出高等级和极断裂的柱子，则可以考虑这些方法。
6.3.1.2留矿采矿法
从地面稳定的角度来看，可将其视为一种人工支持的破碎矿石，这种方法适用于矿体，这些矿体具有相当大的跨度和坚固的围岩。最好的应用程序是窄脉存款浸渍在45°(图6.16)。它还与其他采矿方法结合使用，如切断塌陷坡的末端槽。
图6.17显示了收缩回采的示意图，说明了这种采矿方法的主要元素。破碎的矿石被留在采场中，支撑它的墙壁也可以作为采矿者站在上面开采矿石的地面。矿石提取通常是在水平升降机从底部向上。
在停止工作之前，只有少量的开发工作是必要的。长矿到下面的水平是不需要的。在南湾矿区(N.W.安大略)，为一个Pb-Zn-Ag硫化物矿体提供了收缩采场的实例。采石场遵循矿体的走向。在矿石倾角处的采场段高度是任意的，在30-50米之间。然而，收缩采场的宽度是由矿体厚度控制的(l - 0-5.0m)。采场的起点是一个矿槽(高度约300米)，通过拉点和横切到坡道连接(图6.18)。采场采用压碎法(丰胸-1 m)，破碎矿石用于支撑，一个钻井平台。工作区域与下面的水平相连接，两种提高，为工作区域提供人员供应和通风。
6.3.1.3冲淤回采
充填采矿法和它的变化包括将连续的回填材料层放置到工作区域，作为回采的回采矿体。该方法适用于具有类似收缩回采特征的矿体，但矿体厚度较大，特别是当一个或两个采场壁相对较弱时。
图6.16银脉回采回采工作面(新界，新界)
1.传统的冲蚀,矿石被提取在水平切片上，向上延伸到回采区块的深处。回采木块被切下，回采巷道支架(木材或钢套)安装，人工和斜槽安装，然后回填岩石或尾矿，留下足够的头室在下面的回采回采下一片。对该采矿系统进行了简要评述，介绍了在黄刀(N.W.)的Con金矿开采的情况。原始采矿方法为收缩回采，采用了1000米深度，并取得了满意的地面控制。在这种深度下，传统的充填采矿法是介绍了一项服务提升，1.5 x 2.5 m，被从低到高的水平驱动，用于采场维修，包括通风(图6.19)。在回采过程中，三根钢内衬涨，两道曼道和一个水孔从较低的水平延伸到下一层(图6.20)。矿石在水平切片上钻孔和爆破，破碎的矿石被泥浆清除到钻孔。这种回采系统对倾斜的矿体特别方便，可以利用重力来去除矿石，并引入填充材料。
图6.17收缩回采法框图
2.机械化切割充填采矿法是将钻柱和LHD设备应用于常规的切割充填采矿，目的是提高生产效率。在南湾水雷(nw .安大略湖)的一种机械化采煤的应用。这里sub-ramps导致了斯特普最初驱动的平面部分的主要斜坡在-15°年级每个矿业升力。小坡道被划破。0°和最后 15°年级随着矿业的发展(图6.21)。削弱采场进行了浸渍采场的爆破孔钻到后面65°后每一片抨击和破碎的矿石被回填介绍了铲运机设备支持,并提供一个工作的地板。
图6.18回采回采平面(下凹)
充填采矿的回采工作面由岩石螺栓加固，有时还会有屏风，通常是安装在淤泥堆上。
6.3.1.4横向冲蚀回采
在萨德伯里盆地的矿井中广泛使用横向剪切和填充倾斜，特别是在深度超过1000米的情况下。不同的布局，对于这种方法的回采，取决于矿体的大小和配置。
横切充填回采的典型案例是在博尔铜矿(南斯拉夫)。图6.22所示为横切充填采矿的轮胎Chocka Dulkan矿体的开发。在这里，矿体被分成垂直的块，间隔约60米。在每个层面上的发展，要么是围绕矿体的漂移，要么是通过矿体中心的漂移。进一步的发展是通过横切和增加肋骨支柱。从矿体中心附近开始提取，从中间的回采块向下移到末端。
图6.19服务提升(小金矿，新界)
3.当削弱采场块完成，进一步的回采前向上，由单独的升降机。每提取一提矿石，就放置一份填充物。在填充矿石通道之前，必须将其延长(图6.23)。液压放置的填充物提供了一个workipg平台和一层的碎矿清除。为了避免破碎矿石的稀释，每个浇注的上层用水力充填的水泥来加固。
图6.20常规切割-充填采矿
6.3.1.5下向胶结充填法
当横向回采完成时，中间的肋和冠柱通常由下切充填法回收。矿柱的二次矿石回收(矿渣的开采)是自上而下的。三种不同的操作构成采矿周期:1：连续提升钻孔和爆破;2：填充料(施工日志垫);和3：倒了水砂充填。填充物的准备工作包括:在切片的地板上铺设一块木头垫子，用塑料盖住垫子，然后将该结构覆盖在上面的薄片上(图6.24)。
图6.21机械化切割和充填回采
图6.22横向剪切充填回采布置
图6.23在采场中放置水力充填前的矿道扩展
这种采矿方法也被用作开采非常脆弱的矿体和围岩的主要方法，例如，在日本的水热蚀变的火成岩中发现的“黑矿”。在这里，一个水平切片是通过横切段在分段上进行挖掘的，它是为填充而准备的，然后将填充的填充放置在下面的下一个切片的人造屋顶上，该方法与切片尺寸一起说明，如图6.25所示。与水泥混合的轧制尾砂由管道从表面输送到开挖的切片段。
图6.24综合填充物(Falconbridge Mine Sudbury)木材垫块的开口
由于这种方法的低效率和高成本，只有在没有其他方法可用的情况下才适用，例如，当矿体高度断裂时，不能使用切割方法。
6.3.2矿山充填的加固
矿山充填的加固取决于填充物的填充物和填筑方法。采矿早期引入的填充物是未胶结的，其固结依赖于采矿和自然条件。随着矿柱的开采，矿柱的开采要求增加，增加了水泥的补强。这一额外的成本已经指导了其他替代方案的研究。
图6.25下陷和充填回采(Hanaoka Mine)的平面图和剖面图
6.3.2.1未胶结的填充
在矿山充填作业中使用的未胶结充填物包括旋压磨尾矿，以去除黏液颗粒、分级冲积砂和废石。这些材料是单独使用或结合使用的。简要地讨论了这些类型的充填材料，并讨论了自动固结填料。
- 未胶结的尾矿或尿砂充填在地面支护的采场中是水力的。在矿山尾矿回收过程中，磨矿尾矿被循环利用，以去除细粒(有时高达70%)。矿山尾矿和砂填料的粒度分布对充填体的强度特性具有重要意义。例如，通过限制水力充填体的厚度，增加填充物的质量和强度，并且从填充物中排放的多余水分会变得更有效。图6.26说明了三种不同类型的未胶结填料的筛分分析。
应该注意的是，随着颗粒尺寸的增加，尺寸变化的分布也会增加。尺寸小于1.0 mm的曲线表示由磨矿尾砂处理的沙粒;6.4毫米以下的尺寸代表从坑中处理的粗砂填料;尺寸低于25.4毫米，代表破碎的岩石骨料。
未胶结充填体的强度特性由两个参数来表示。首先，表面张力与毛细管水的表面张力有关，在干燥和饱和度下消失。其次是内部摩擦，这取决于颗粒的相互作用。应该指出的是，表观内聚力是未胶结充填物的一种非常重要的强度特性，因为没有内聚力，就很难实现充填体的垂直表面的自由直立。
通过增加材料的密度，增加内摩擦，达到一定的极限，可以提高非胶结砂土的承载力。水力填充密度可以通过振动增加20- 30%(图6.27)。例如，在建筑工业中使用的探头(浸入式)式振动器，会引起流动，消除夹带的空气，达到设计的强度。我的另一种诱发振动的耳垢是通过使用炸药。(这是一种快速且相对廉价的方法，可以创造出可接受的致密化程度。)炸药可以被放置在一个旧填料的顶部，新的填充物放置和脱水到所需的程度，然后炸药引爆来震动整个新放置的填料并达到致密化。
2.未固结岩石充填是古代采矿中利用的最古老的充填体，目前正在使用中。但随着新采矿技术的发展和对固结充填的要求，目前的应用范围有限。在某些情况下，废石可用于回填回填区。对未固结岩石充填强度的研究表明，非固结岩体的承载力大于。
松散砂充填，特别是在封闭的情况下。如下一段所讨论的氧化过程，可以明显地增加未固结岩石的强度。
图6.26未胶结充填体的尺寸分布曲线
图6.27未胶结充填体的抗剪强度增加
3.所示，在加拿大各地的金属矿中都发现了自动固结岩石充填。直到20世纪40年代后期，最常见的充填材料是松散的岩石填充物。含有黄铁矿，在某些情况下，氧化产生热量和二氧化硫。在许多情况下，岩石的氧化作用已经足够强烈，可以点燃像埋在矿井里的许多木结构。同时SO2的存在是极不受欢迎的。然而，氧化过程的好处是岩石充填的自动固结。
从萨德伯里的佛洛德矿山对瓦片自动氧化堆石的研究表明，它具有较强的骨料结构(图6.28)。这种自动固结岩石填充的单轴抗压强度试验值为17和19 MN/m2。应力/应变图显示了这种自动固结填料的弹性性能，在变形的2%处轴向失效。然而，在支撑应力达到零之前，屈服变形达到了50%(图6.29)。
岩体的自动固结程度主要取决于两个因素:第一，氧化矿物的分布强度和分布程度;其次，在孔隙率和总孔隙率的情况下，有利于空气在填料内的渗透。例如，我的尾矿，不考虑氧化矿物的含量，很少被氧化，因为在整个填充物中空气循环很少。
矿山充填的自然固结对矿井稳定性的广泛概念具有较小的意义，因为它只与有限数量的矿床有关。
图6.28 Frood矿(Inco矿业公司)的自动固结岩石填充
Figure 6.29
然而，在展览的情况下，例如在Horne Mines (Noranda Mines Ltd.)，它可以被有效利用，在那里，填充可以不受支持，比那些有硅酸盐水泥填充的高得多。矿砂的自动固结主要是硫化物矿物的氧化，特别是硫铁矿。
6.3.2水泥充填
近30年前实施了地下采矿的水泥水力充填，从采矿作业和实验室调查中都可以得到大量有关这种固结方法的资料。
本文简要讨论了水泥充填体的强度和承载力的几个特点：
(a)填充密度：良好的填充实践是达到70%的固体颗粒密度，水/水泥的比率从10%到1%，3%的水泥(重量)下降到2到1,16%的水泥。在这一层下进行充填采矿之前，需要高密度填充物来填充旧的收缩采场(圆顶金矿)。
(b)固化时间：在潮湿条件下固化的水力充填物以类似的方式获得强度。
(c)添加水泥的数量：这一课题已被托马斯广泛研究，并与其他因素结合，建立了胶结填料的抗压强度与硅酸盐水泥含量之间的函数关系。这些关系已在实际采矿作业中得到证实。
此外，水泥砂土的最终强度也受其他因素的影响，如浇筑时的温度和养护时的温度。最佳固化温度接近38°C,下面这个,固化速度稳步下降。
6.3.2.3胶结碎石
胶结充填体的承载力和强度主要受充填体内部结构的影响。在南斯拉夫的博尔铜矿的早期研究表明，添加岩石骨料可以增加胶结尾矿的强度，如图所示：
图6.30充填物与水泥砂比的强度、岩石骨料的百分比和养护时间(Bor铜矿)
在图6.30为一个月的养护时间，一种胶结的尾砂比1:10为单轴抗压强度为2.8 MN/m2。岩石骨料中含有75%的岩石颗粒(来自附近采石场的碎石)和8.5%的水泥(按重量计算)导致
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