某金礦房柱法采場人工礦柱參數(shù)選取

趙 奎，胡慧明，王曉軍，胡京濤，楊濤波

(1．江西理工大學(xué)鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心， 江西贛州市 341000;2．江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西贛州市 341000)

某金礦房柱法采場人工礦柱參數(shù)選取

趙 奎1，胡慧明2，王曉軍2，胡京濤2，楊濤波2

(1．江西理工大學(xué)鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心， 江西贛州市 341000;2．江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西贛州市 341000)

基于某金礦的開采現(xiàn)狀，根據(jù)采場頂板圍巖的應(yīng)力分布和破壞機(jī)理，得出不同開采深度條件下的礦房寬度;利用計(jì)入開采深度影響的地壓估算公式，計(jì)算出人工礦柱承受的荷載，在考慮各種因素對礦柱強(qiáng)度的影響的基礎(chǔ)上，對礦柱強(qiáng)度進(jìn)行修正，建立了礦柱寬度與安全系數(shù)的關(guān)系式，最終確定出合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

房柱采礦法;人工礦柱;采場結(jié)構(gòu)參數(shù);礦柱強(qiáng)度;安全系數(shù)

0 引言

采用房柱法開采貴重金屬、稀有金屬及一些富礦時(shí)，為了提高礦石回收率，常采用人工混凝土礦柱代替原生礦柱進(jìn)行回采。目前大部分的房柱法開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)都是憑著借鑒類似礦山及經(jīng)驗(yàn)確定的，這種方法帶有較大的主觀性。合理設(shè)計(jì)礦柱、礦房尺寸是房柱法采礦的核心技術(shù)工作，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取將直接影響著采場的穩(wěn)定狀況、工作效率以及經(jīng)濟(jì)效益［1］。本文主要對各個(gè)中段礦房寬度進(jìn)行計(jì)算，然后通過考慮人工礦柱應(yīng)承受的壓力與礦柱強(qiáng)度的關(guān)系，得出在不同礦柱寬度下各中段礦柱的安全系數(shù)。

1 采礦方法概述

某金礦屬于緩傾斜礦體，礦體厚度大部分為8～10 m，礦體頂板為硅質(zhì)巖、大理巖或硅質(zhì)巖夾大理巖;底板巖石為大理巖，少量硅質(zhì)巖，礦體、圍巖都屬于中等穩(wěn)固以上。采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱采礦法進(jìn)行回采，采場沿礦體走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采，采場高為礦體厚度，回采垂高為40 m，回采工作從中段巷道開始由下至上逐個(gè)分段進(jìn)行，回采鑿巖用氣腿式鑿巖機(jī)，利用電耙將礦體耙至溜井，利用漏斗出礦。礦柱回采完畢后采用塊石膠結(jié)充填，形成人工假柱，然后回采兩側(cè)礦柱采場都已充填完畢的礦房。人工礦柱充填配比(體積比)水泥∶河沙∶廢石=1∶2∶6，廢石主要來源于下部中段開拓工程。該礦區(qū)主要中段標(biāo)高有:－391，－420，－460，－500，－540，－580 m，目前主要回采 －460 m中段礦體，上部中段礦體基本回采完畢。但－460 m以上中段礦房與礦柱的布置紊亂，部分人工礦柱布置過寬，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)還降低了工作效率，部分礦柱寬度設(shè)計(jì)過小，導(dǎo)致采場的頂板出現(xiàn)冒落。為了較好的控制下部礦體開采的地壓，需對－500，－540，－580 m中段3個(gè)中段的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要為礦房與人工礦柱的合理尺寸。

2 礦房寬度

針對頂板圍巖的力學(xué)分布結(jié)構(gòu)，考慮頂板上覆巖層的壓力、巖體的力學(xué)特征等與礦房跨度的關(guān)系，得出房柱法礦房寬度確定的理論計(jì)算公式［2］。

式中:b為礦房寬度，m;λ為側(cè)壓力系數(shù)，取0～1;γ為礦石的容重，kN/m3;H為開采(頂板距地表)深度，m;α1為頂板的許可抗拉強(qiáng)度，Pa。

根據(jù)公式(1)，結(jié)合礦山實(shí)際情況及類似礦山資料，相關(guān)的參數(shù)取值如下:λ =0．63，γ =2．8 ×104kN/m3，α1=3．4 ×106Pa。得到圖1 所示的礦房寬度與開采深度的關(guān)系曲線。

由圖1可知，礦房寬度隨著礦體的開采深度的增加而逐漸減小。根據(jù)各中段開采深度，結(jié)合圖1曲線可得到井下各中段礦房的合理寬度，見表1。

表1的計(jì)算結(jié)果是礦房的最大寬度，在設(shè)計(jì)中考慮爆破作業(yè)等影響，對設(shè)計(jì)參數(shù)一般會(huì)保守取值，故對各中段調(diào)整取值，從而得到在－500 m中段，礦房合理寬度取10 m，－540 m中段礦房合理寬度取值10 m，－580 m中段礦房合理寬度取值為9 m。

圖1 礦房寬度與開采深度的關(guān)系

表1 井下各中段礦房的合理寬度

3 人工礦柱寬度

在礦柱強(qiáng)度一定的條件下，礦柱寬度取決于礦柱所承受的荷載，主要包括頂板壓力和礦柱的自重［3］。當(dāng)人工礦柱所承載的壓力越大，礦柱的寬度也需相應(yīng)增加。普氏地壓學(xué)說和太沙基地壓學(xué)說這2個(gè)經(jīng)典地壓學(xué)說都認(rèn)為地壓的大小與開采深度無關(guān)，當(dāng)開挖空間埋深不大且圍巖比較松散時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量比較接近，對與開挖空間埋深較大，圍巖完整、強(qiáng)度較高時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差較大［4］。

人工礦柱對圍巖提供一定的承載強(qiáng)度，控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，減小圍巖的移動(dòng)，保持采場的穩(wěn)定性。目前，該礦礦體開采深度大于600 m，應(yīng)考慮開采深度對地壓的影響，為此引入計(jì)入深度影響的地壓估算公式，認(rèn)為采場開挖后的塑性半徑RP就是巖體的破裂區(qū)，其內(nèi)的巖體會(huì)全部滑落，人工礦柱所需支撐的圍巖壓力就是破裂區(qū)域內(nèi)將滑落的巖體的全部重量。

式中:R0為開挖半徑，當(dāng)開采空間是矩形斷面，R0取外接圓半徑，m;P0為開采深度的垂直自重應(yīng)力，Pa;c為巖體內(nèi)聚力，Pa;φ為巖體內(nèi)摩擦角，°。

式中:L為礦體的走向長度，m。

巷道的頂壓密集度qd:

式中:γ為礦石的容重，kN/m3;h為人工礦柱的高度，m。

每個(gè)礦柱單位長度應(yīng)承受的壓力Qd:

式中:γ1為人工礦柱的容重，kN/m3;N為礦柱個(gè)數(shù)，NB+(N+1)×b=L;B為礦柱的寬度，m。

礦柱的形狀對礦柱強(qiáng)度有重要影響，在截面積相同情況下，圓形礦柱強(qiáng)度比正方形礦柱強(qiáng)度要高一些，比其他形狀的礦柱強(qiáng)度要高的多。本文采用基于薩拉蒙和摩若原理的礦柱強(qiáng)度公式［6］，綜合考慮采礦工藝、充填下料的不均勻性，得出人工礦柱強(qiáng)度公式［7，8］:式中:σc為單軸抗壓強(qiáng)度，Pa;σP為人工礦柱強(qiáng)度，Pa;k1為采礦工藝系數(shù)，主要是為爆破工藝與人工礦柱強(qiáng)度的不均勻系數(shù)，取k1=0．9;α為常數(shù)，礦柱的高寬比大于5時(shí)，α=1．4;高寬比小于5時(shí)，α=1。

聯(lián)立公式(1)～(7)可得到不同寬度條件下的人工礦柱安全系數(shù)F:

安全系數(shù)F的取值直接影響著人工礦柱的寬度，安全系數(shù)越高，礦柱穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的充填成本越高。安全系數(shù)F的取值直接影響著人工礦柱的寬度，安全系數(shù)越高，礦柱穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的充填成本越高?？紤]礦柱截面的不均勻性，不同礦柱之間承受載荷的不均性，許多專家提出礦柱的安全系數(shù)F的取值范圍，Bieniawski對美國174個(gè)采用房柱采礦法開采的礦山做了調(diào)查，其中大多數(shù)礦山采用安全系數(shù)為 1．2 ～2．5，礦柱未發(fā)生破壞［9］。根據(jù)目前礦山的實(shí)際情況，礦石的容重γ為2．8×104kN/m3，人工礦柱的容重 γ1為 2．2 ×104kN/m3，塊石膠結(jié)充填體試件強(qiáng)度σc為4．8 MPa，圍巖的內(nèi)聚力 c 為 16．13 MPa，圍巖內(nèi)摩擦角 φ 為 46．3°，－500，－540，－580 m 中段走向長度 L 為 82．12，83．68，68．67 m。將各參數(shù)的代入式(8)中，得出各中段不同礦柱寬度下的安全系數(shù)，見圖2。

圖2 礦柱寬度與安全系數(shù)的關(guān)系

安全系數(shù)F取1．2時(shí)，可得－500 m中段的礦柱寬度為5．79 m，－540 m中段的礦柱寬度為5．96 m，－580 m中段人工礦柱寬度4．38 m。目前，礦山－500，－540 m中段人工礦柱實(shí)際寬度為6 m，－580 m中段人工礦柱寬度為4．5 m，計(jì)算出實(shí)際礦柱寬度條件下的礦柱安全系數(shù)，見表2。

表2 各中段礦柱實(shí)際寬度及安全系數(shù)

以－500 m中段的走向長度L和埋藏深度H為基礎(chǔ)，分別得出當(dāng)走向長度為L、埋深為H，走向長度為2L、埋深為H，以及走向長度為L、埋深為2H時(shí)，礦柱寬度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 礦柱寬度與安全系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖3關(guān)系曲線，中段走向長度與埋深不同時(shí)，同礦柱寬度下安全系數(shù)的對比可得出以下結(jié)論:

(1)在同一中段中，礦柱寬度設(shè)計(jì)越大，人工礦柱的安全系數(shù)越高;

(2)當(dāng)?shù)V柱寬度、埋深不變時(shí)，礦柱安全系數(shù)隨著礦體走向長度的增加而降低;當(dāng)?shù)V柱寬度、礦體走向長度不變時(shí)，礦柱安全系數(shù)隨著礦體開采深度增加而降低;

(3)在礦柱寬度相同時(shí)，礦體走向長度對礦柱安全系數(shù)的影響要高于礦體的埋藏深度對礦柱安全系數(shù)的影響。

4 結(jié)束語

通過計(jì)算得出:該金礦－500，－540，－580 m中段礦房合理寬度分別為10，10，9 m;人工礦柱合理寬度分別為6，6，4．5 m。本文的計(jì)算方法對采用類似采礦方法開采的礦山的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取具備一定的參考價(jià)值。

在實(shí)際生產(chǎn)中還需注意:合理選擇回采順序;掌握巖體結(jié)構(gòu)，如頂板圍巖中存在比較發(fā)育的斷層或節(jié)理時(shí)，需對礦房、礦柱寬度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;塊石膠結(jié)充填礦柱時(shí)，盡量將充填料拌勻，用振動(dòng)棒將充填料搗勻、搗實(shí)，避免出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象，以免降低了礦柱強(qiáng)度，造成安全隱患;控制爆破作業(yè)，防止爆破對采場頂板和人工礦柱的破壞。

［1］ 李俊平，馮長根，郭新亞，等．礦柱參數(shù)計(jì)算研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31(05):23 －40．

［2］ 劉松偉．普通房柱法礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及設(shè)計(jì)尺寸推薦［J］．湖南有色金屬，2001，17(3):4 －7．

［3］ 楊明春．礦柱尺寸設(shè)計(jì)方法研究［J］．采礦技術(shù)，2005，5(3):10－12．

［4］ 蔡美峰，何滿朝，劉東燕．巖石力學(xué)與工程［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．

［5］ 肖樹芳，陽淑碧．巖體力學(xué)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1993．

［6］ 郭漢燊．礦柱強(qiáng)度的若干影響因素［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1993，12(1):38 －45．

［7］ 劉學(xué)增，崔德元．礦柱可靠度設(shè)計(jì)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(1):85 －88．

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［9］ 常 劍．鄂西緩薄赤鐵礦采場穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)化［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2010．

2010－11－28)

趙 奎(1969－)，男，安徽六安人，教授，從事礦山巖石力學(xué)與工程方面的教學(xué)與科研工作，Email:yglmf_zk@163．com。