用砼柱置換原生礦柱的研究

楊秀明

(貴州開(kāi)磷集團(tuán)礦肥有限責(zé)任公司， 貴州開(kāi)陽(yáng)縣 550302)

用砼柱置換原生礦柱的研究

楊秀明

(貴州開(kāi)磷集團(tuán)礦肥有限責(zé)任公司， 貴州開(kāi)陽(yáng)縣 550302)

在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)某個(gè)地下礦山應(yīng)用人工砼柱置換原生礦柱進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算，確定人工砼礦柱的尺寸，并對(duì)礦柱置換的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在保障安全和經(jīng)濟(jì)效益前提下，用砼礦柱置換礦石礦柱，不但可充分回收礦產(chǎn)資源，而且可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

盤(pán)區(qū)房柱法;砼礦柱;原生礦柱;礦石回收率;經(jīng)濟(jì)效益

礦產(chǎn)資源具有稀缺性和不可再生性，在開(kāi)發(fā)利用上具有不可逆性。一旦開(kāi)采之后，這些礦產(chǎn)資源將不復(fù)存在。因此，在資源開(kāi)采經(jīng)濟(jì)條件可以承受、開(kāi)采技術(shù)可以解決的前提下，提高資源回收率，成為全社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 簡(jiǎn) 介

礦層屬濱海、淺海相沉積磷塊巖礦床，構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層較少，一般以北北東向?yàn)橹?，局部呈北東、東西向。礦體傾角一般小于20°，圍巖穩(wěn)固性較好，礦體厚度為1.5 ～3.5 m。

采礦方法為錨桿護(hù)頂盤(pán)區(qū)房柱法。鑿巖設(shè)備為7655氣腿式鑿巖機(jī)，鏟裝、運(yùn)輸設(shè)備為自行式無(wú)軌設(shè)備。盤(pán)區(qū)走向長(zhǎng)為600～800 m，礦房?jī)艨缍葹?0 m，沿走向和傾向均勻留設(shè)4 m×4 m礦柱，設(shè)計(jì)損失率為28.7%，見(jiàn)圖1。

圖1 盤(pán)區(qū)房柱采礦法

2 砼柱設(shè)計(jì)

在回采空區(qū)面積擴(kuò)大后，頂板壓力增大，使某一或某一些礦柱所受應(yīng)力超過(guò)了其強(qiáng)度而破壞，然后波及整個(gè)礦柱系統(tǒng)。礦柱系統(tǒng)與其它工程一樣，總是在最薄弱環(huán)節(jié)首先破壞，從而影響到相鄰礦柱載荷增加，呈連鎖反應(yīng)，其結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)礦柱破壞。

在設(shè)計(jì)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)，要使空區(qū)處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)，從而達(dá)到保證作業(yè)安全和保護(hù)地表安全的目的，必須滿足以下兩個(gè)條件:礦房跨度不超過(guò)極限值，礦柱尺寸大于其極限強(qiáng)度所要求的規(guī)格;解決礦房跨度和礦柱尺寸的合理配合問(wèn)題。

2.1 極限跨度的確定

2.1.1 按頂板拉應(yīng)力條件計(jì)算極限跨度

一般認(rèn)為，開(kāi)采空間的跨度越大，礦房頂板中央部位出現(xiàn)的拉應(yīng)力越大;當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)，頂板開(kāi)始斷裂破壞。在頂板保持穩(wěn)定的前提下，開(kāi)采空間允許達(dá)到的最大跨度，即為開(kāi)采空間的極限跨度。

影響開(kāi)采空間極限跨度的因素很多，主要有巖體性質(zhì)、開(kāi)采深度、上覆巖層作用在頂板暴露面積上的重力、礦體傾角、頂板暴露時(shí)間、開(kāi)采空間幾何尺寸、構(gòu)造等因素。采深愈大，上覆巖層作用在頂板暴露面積上的重力愈大;頂板暴露傾角愈緩，頂板暴露面的暴露時(shí)間愈長(zhǎng);巖層愈松軟，極限跨度愈小。當(dāng)?shù)V房長(zhǎng)度大于2～3倍礦房跨度時(shí)，開(kāi)采空間的上覆巖層重力主要沿兩端部的支承巖體向下傳遞;當(dāng)?shù)V房長(zhǎng)度小于2～3倍礦房跨度時(shí)，開(kāi)采空間的上覆巖層重力將沿開(kāi)采空間四周的支承巖體向下傳遞，此情況下的開(kāi)采空間極限跨度比前者大。當(dāng)頂板暴露面積為正方形時(shí)，開(kāi)采空間極限跨度最大。

本設(shè)計(jì)區(qū)域使用的房柱采礦法，其礦房長(zhǎng)、寬尺寸基本接近，采深大于礦房跨度的3倍以上，礦體傾角小于30°，且本方案大部份用于緩薄礦體的開(kāi)采，條件適宜布置人工砼柱，以置換開(kāi)采留下的原生礦柱，達(dá)到充分回收礦產(chǎn)資源的目的。

按礦房長(zhǎng)、寬尺寸相等計(jì)算礦房的極限跨度。設(shè)礦房長(zhǎng)、寬尺寸均為a，采用斯列薩列夫公式計(jì)算本方案條件下的等效跨度:

將(1)式代入以下的經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算礦房頂板中央拉應(yīng)力бt。調(diào)整a等效值并進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果等于或約等于本礦段頂板白云巖自然條件下的許用拉應(yīng)力〔бt〕=1548.4 kPa(抗拉強(qiáng)度)時(shí)，選定的a等效的值，然后再將選定的a等效值代入(1)式確定a值，即為礦房的極限跨度。

式中:H——開(kāi)采深度，m;

γ——上覆巖層容重，2.7 t/m3;

λ——側(cè)壓系數(shù)，λ =μ/(1 － μ)=0.3889，μ 為上覆巖層泊松比。

取 a等效=15 m，бt=1544.7 kPa≈〔бt〕=1548.4 kPa，此時(shí)，按式(1)求得礦房的極限跨度a=30 m。

2.1.2 用函數(shù)估價(jià)法確定礦房極限跨度

函數(shù)估價(jià)法就是將生產(chǎn)實(shí)際選用的跨度作為巖石性質(zhì)的函數(shù)參數(shù)，來(lái)表達(dá)巖體力學(xué)性質(zhì)的方法。開(kāi)采條件和類似條件的礦房極限跨度見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)采條件和類似條件礦房極限跨度

按下式轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)條件下的礦房跨度:

式中:H——開(kāi)采深度;

γ——上覆巖層容重，2.7 t/m3;

k——載荷系數(shù)，因H/L(開(kāi)采空間短邊尺寸)＞2，故取 k=0.5;

β——礦體傾角;

μ——上覆巖層泊松比，μ =0.28;

αu——礦房的極限跨度(編號(hào)礦體為調(diào)查值);

λ——側(cè)壓系數(shù)，λ =μ/(1－μ)=0.3889;

m——大于1的系數(shù)，蘇聯(lián)里夫金教授測(cè)得m=2。

對(duì)于第1種情況(采高2 m)，得出:αuj1=16 m，αuj2=18.05 m，αuj3=17.54 m，基準(zhǔn)條件下的平均極限跨度 αuj=(16+18.05+17.54)/3=17.2 m。設(shè)計(jì)區(qū)域礦房極限跨度αux=14.7 m。

對(duì)于第 2種情況(采高 3.5 m)，得出:αuj1=16.3 m，αuj2=18 m，αuj3=16.3 m，基準(zhǔn)條件下的平均極限跨度 αuj=(16.3+18+16.3)/3=16.87 m。設(shè)計(jì)區(qū)域礦房極限跨度αux=16.87 m。

按上述兩種方法計(jì)算的結(jié)果，差異較大。其原因在于受環(huán)境因素、時(shí)間因素及巖體本身所表現(xiàn)的性質(zhì)不確定性、各向異性、構(gòu)造等因素和各種偶然因素的影響，運(yùn)用頂板許用拉應(yīng)力條件計(jì)算出的結(jié)果，可靠性不高，難以正確反映現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況和滿足實(shí)際工程的應(yīng)用需要。本設(shè)計(jì)區(qū)域和礦段內(nèi)，及其它礦段類似條件礦體的開(kāi)采已進(jìn)行多年，其運(yùn)用的相關(guān)參數(shù)均由生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了檢驗(yàn)，具有很高的可靠程度。函數(shù)估價(jià)法是運(yùn)用理論和實(shí)踐方法求出極限跨度的函數(shù)式，然后由經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)的類似條件礦體的礦房極限跨度求算設(shè)計(jì)區(qū)域礦體礦房的極限跨度。此方法的實(shí)質(zhì)就是工程類比法，類似條件越接近，參與類比的實(shí)例越多，結(jié)果的可靠性越高。因此，為使結(jié)果有較高的可靠性，盡可能滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要，本方案采用函數(shù)估價(jià)法確定礦房極限跨度。

2.2 礦房尺寸的確定

礦房長(zhǎng)、寬尺寸的確定，應(yīng)充分考慮開(kāi)采空間形狀及上述計(jì)算確定的礦房極限跨度，運(yùn)用巖體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提高人工礦柱支撐頂板的面積，以提高投入產(chǎn)出效益，同時(shí)，必須以確保施工作業(yè)安全和對(duì)地表保護(hù)為前提。

按上述計(jì)算結(jié)果和頂板暴露面為正方形時(shí)礦房極限跨度最大的巖體力學(xué)理論，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定礦房形狀為正方形，礦房跨度取10 m，即礦房長(zhǎng)、寬尺寸均為10+a m(a為砼柱邊長(zhǎng))。

2.3 砼柱設(shè)計(jì)

根據(jù)巖石力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究，正方形礦柱強(qiáng)度最大，隨著礦柱長(zhǎng)度增加，礦柱強(qiáng)度相應(yīng)減小，當(dāng)長(zhǎng)寬比為3時(shí)，礦柱強(qiáng)度只有正方形礦柱強(qiáng)度的1/2至1/3。因此，本設(shè)計(jì)中人工礦柱按正方形設(shè)計(jì)。同時(shí)，礦柱的寬、高比對(duì)礦柱強(qiáng)度的影響很大，比值增大，礦柱的強(qiáng)度隨之增大，其關(guān)系是:RP=KrRc(RP為礦柱抗壓強(qiáng)度，Rc為礦柱材料立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度，Kr為礦柱寬高比系數(shù)，當(dāng)?shù)V柱寬度BP＞礦柱高度h時(shí)，Kr≈BP/h)。當(dāng)Kr＞1時(shí)，由于頂?shù)装鍑鷰r限制礦柱的橫向膨脹，使礦柱實(shí)際上處于三向應(yīng)力之下，此時(shí)Kr值對(duì)礦柱強(qiáng)度的影響很明顯。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，寬高比＞4～7時(shí)，礦柱將能承受實(shí)際上可能施加的最大荷載而不發(fā)生破壞，此時(shí)的礦柱可以認(rèn)為是具有“無(wú)限強(qiáng)度”的礦柱。

由于礦柱的荷載及強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，情況復(fù)雜，在工程計(jì)算中，一般均按“面積承載理論”作為確定礦柱荷載的基本依據(jù)。

設(shè)砼柱邊長(zhǎng)為a，按間排距(中心距)均為10+a呈規(guī)則布置計(jì)算。因設(shè)計(jì)區(qū)域礦體傾角小于30°，按下式計(jì)算:

式中:Sp——礦柱橫斷面積，Sp=a2，m2;

Sd——砼柱支撐的頂板面積，Sd=(10+a)2，m2;

γ——上覆巖層平均容重，2.7 t/m3;

H——礦體平均埋深，m;

k——荷載系數(shù)，k=0.5;

n——安全系數(shù)，設(shè)計(jì)礦柱為人工砼，設(shè)計(jì)區(qū)域地表不允許較大程度的沉陷，故取n=2;

Rc——礦柱材料立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)人工砼柱為C20砼，即Rc=20 MPa;

Kr——礦柱形狀系數(shù)。

第1種情況:砼柱高度，即采高為2 m。按砼柱長(zhǎng)、寬均為3 m 試算，因 a ＞ h，Kr≈a/h=1.5，由(4)試計(jì)算得 Sp≥16.73 m2，即 a≥4.1 m，不合要求;按砼柱長(zhǎng)、寬均為 3.5 m 試算，得 Sp≥15.46 m2，即a≥3.9 m，不合要求;按砼柱長(zhǎng)、寬均為4 m試算，得:Sp≥14.55 m2，即 a≥3.8 m，符合要求。

第2種情:砼柱高度，即采高為3.5 m。按砼柱長(zhǎng)、寬均為 4 m 試算，因 a ＞ h，Kr≈a/h=1.14，由(1)式計(jì)算得:Sp≥25.53 m2，即 a≥5 m，不合要求;按砼柱長(zhǎng)、寬均為4.5 m 試算，因 a＞h，Kr≈a/h=1.29，由(1)式計(jì)算得:Sp≥24.2 m2，即 a≥4.9 m，不合要求;按砼柱長(zhǎng)、寬均為5 m試算，因 a＞h，Kr≈a/h=1.43，由(1)式計(jì)算得:Sp≥23.36 m2，即a≥4.83 m，合符要求。

按上述計(jì)算結(jié)果，人工砼柱的布置如圖2所示。

3 效益比較

本礦區(qū)C20砼平均造價(jià)300元/m3。按一比一置換計(jì)算，即1 m3砼置換1 m3原生礦柱，折算后為0.351 m3砼/t礦。以砼 300元/m3、礦柱回收成本50元/t計(jì)，礦柱置換總成本為155.3元/t，與目前超過(guò)300元/t原礦售價(jià)比較，即使加上100元/t管理和銷售費(fèi)用，仍有相當(dāng)?shù)睦麧?rùn)空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

按照以上計(jì)算和確定的有關(guān)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在實(shí)施中以安全生產(chǎn)為首要原則進(jìn)行靈活適當(dāng)調(diào)整，礦石回收率超過(guò)了85%，個(gè)別條件較好地段達(dá)到了90%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的在于充分的回收了礦產(chǎn)資源，延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限，提高了社會(huì)效益，促進(jìn)了礦山的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 人工混凝土礦柱的布置

[1] 《采礦手冊(cè)》編委會(huì).采礦手冊(cè)(第四卷)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1990.

[2] 高 磊，等.礦山巖體力學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1979.

[3] 李兆權(quán).應(yīng)用巖石力學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1994.

[4] 金宇松，黎文斐.中厚近水平礦體采礦技術(shù)探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)評(píng)價(jià)，2009，(19):176 －177.

2011－03－28)

楊秀明(1965－)，男，貴州湄潭人，工程師，主要從事礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)與管理，Email:Yang7588989@sina.com。