露天轉(zhuǎn)地采復(fù)合型人工境界礦柱結(jié)構(gòu)設(shè)計*

孫琳琳 尤春安 劉建新 孫凌志

(1.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室;2.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院;3.山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院)

山東黃金集團(tuán)歸來莊礦業(yè)有限公司露天采場1992年8月投產(chǎn)，經(jīng)過20 a的生產(chǎn)，形成了現(xiàn)在東西長600 m，南北寬350 m，坑深170 m的露天坑。露天坑邊坡角較陡，上盤平均坡面角在50°，下盤55°，局部坡面角65°～70°。由于種種原因，目前地下開采系統(tǒng)尚未形成，而露天開采范圍內(nèi)資源不足，礦井面臨著接替不上的問題。

境界礦柱部分品位較高。為了保證目前的產(chǎn)量，充分利用資源，經(jīng)過研究，提出歸來莊金礦采用不擴(kuò)幫延深開采技術(shù):在向下延深開采的同時，鋪設(shè)人工假頂和混凝土充填體復(fù)合結(jié)構(gòu)人工境界礦柱，將本應(yīng)該留作境界礦柱的礦石用鋼筋混凝土假頂置換出來，形成地下開采的人工頂柱，以解決礦井的產(chǎn)量銜接問題。

目前國內(nèi)外的境界礦柱均采用天然礦體，天然境界礦柱的回收率低，損失大，通常回收率最高達(dá)到50%～60%。因此，浪費了大量的永久性資源，喪失了緩解礦山過渡期生產(chǎn)壓力的巨大礦量，造成了礦山的巨大經(jīng)濟(jì)損失。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的人工境界礦柱尚屬首次，人工境界礦柱的結(jié)構(gòu)形式、形成方法、計算理論等都是嶄新的課題，具有創(chuàng)新意義。

采用復(fù)合型人工境界礦柱方案具有許多優(yōu)點:①提前回收境界礦柱資源，解決礦山露天轉(zhuǎn)地下開采資源和產(chǎn)量接替問題;②復(fù)合型人工境界礦柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，整體性較好，有較高的承載能力，強(qiáng)度和穩(wěn)定性相比天然礦柱能夠提高2～3倍，對邊坡能起到更好的支撐作用;③大大提高回采效率，減少資源品位貧化;④復(fù)合型人工境界礦柱相比天然礦柱厚度較薄，結(jié)合地下開采的充填工藝，可以降低成本;⑤復(fù)合型人工境界礦柱的防滲、防漏風(fēng)性能優(yōu)于天然境界礦柱。

1 復(fù)合型人工境界礦柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 復(fù)合型人工境界礦柱范圍

根據(jù)礦井開采現(xiàn)狀及技術(shù)條件、－30～－50 m資源賦存情況、露天采場邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)、礦井水文地質(zhì)情況以及人工境界礦柱的形成過程等因素，將露天轉(zhuǎn)地下開采復(fù)合型人工境界礦柱分為A、B和C 3個區(qū)域:A區(qū)為第27.5號勘探線以東部分，C區(qū)為第29.5號勘探線以西部分，B區(qū)為第27.5號勘探線至第29.5號勘探線之間。復(fù)合型人工境界礦柱總體分布如圖1所示。

圖1 人工境界礦柱總體分布

本工程設(shè)計復(fù)合型人工境界礦柱的厚度均為12 m［1-4］。設(shè)計A區(qū)人工境界礦柱底面標(biāo)高為－42 m，頂面標(biāo)高為－30 m;B區(qū)人工境界礦柱底面標(biāo)高為－46 m，頂面標(biāo)高為－34 m;C區(qū)人工境界礦柱底面標(biāo)高為－50 m，頂面標(biāo)高為－38 m［5］。露天底部開挖完成平面圖如圖2所示，在圖中分別標(biāo)出了A、B、C區(qū)人工境界礦柱的底面標(biāo)高。

圖2 開挖完成平面圖

1.2 復(fù)合型人工境界礦柱結(jié)構(gòu)

復(fù)合型人工境界礦柱由上覆的充填體和下部的人工假頂組成，人工境界礦柱穿礦脈方向應(yīng)進(jìn)入上盤巖體3.0 m，進(jìn)入下盤巖體2.0 m，沿礦脈方向應(yīng)分別進(jìn)入東、西端幫邊坡坡腳6.0 m(2個進(jìn)路寬度)。下部的人工假頂?shù)暮穸葹? m，上覆的充填體的厚度為9 m。人工境界礦柱的27線、28線和30線斷面如圖3～圖5所示，人工境界礦柱總體示意如圖6所示。

圖3 27線斷面

圖4 28線斷面

圖5 50線斷面

圖6 人工境界礦柱總體示意

充填體采用目前露天掛幫礦體開采的充填材料，即C15素混凝土結(jié)構(gòu)。人工假頂厚度為3 m，采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土人工假頂采用單層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)布置于人工假頂?shù)牡撞?，保護(hù)層厚度為150 mm。穿礦脈方向設(shè)置鋼筋網(wǎng)的結(jié)構(gòu)筋，采用?20 mm HRB335螺紋鋼筋，間距為250 mm;沿礦脈方向設(shè)置鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造筋，采用?12 mm HPB 235光面鋼筋，間距為500 mm。

復(fù)合型人工境界礦柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)筋應(yīng)錨入上盤的巖體中，其做法是在縱向結(jié)構(gòu)筋的上盤端安裝全長黏結(jié)式砂漿錨桿，錨桿規(guī)格為?20 mm HRB335，L=2 000 mm，向下傾斜15°，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時與縱向結(jié)構(gòu)筋搭焊連接。

復(fù)合型人工境界礦柱結(jié)構(gòu)的人工假頂與上盤巖體的界面采用植筋連接。植筋規(guī)格為 ?22 mm HRB335，L=3 000 mm，間排距為0.75 m×0.75 m，向下傾斜15°。植筋施工方法與錨桿一致，植筋外露長度為1 000 mm，與鋼筋混凝土人工假頂澆灌為一體。人工境界礦柱斷面見圖7。

圖7 人工境界礦柱斷面

1.3 復(fù)合型人工境界礦柱的形成

回采采用上向進(jìn)路膠結(jié)充填法，進(jìn)路尺寸為3 m×3 m，回采順序為隔二采一，由里往外依次回采，應(yīng)注意上下兩層進(jìn)路應(yīng)交錯布置。在人工假頂范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)充填，其余部分采用素混凝土充填。充填時以進(jìn)路為單獨的充填單元，在進(jìn)路單元間的端口處設(shè)置封口模板，首先充填每層的進(jìn)路單元間，最后充填這層的沿脈巷道［6］。人工境界礦柱剖面如圖8所示。

圖8 人工境界礦柱剖面

1.4 充填單元間鋼筋的連接

(1)進(jìn)路單元間構(gòu)造筋的連接。在進(jìn)路單元間鋪設(shè)人工假頂?shù)臉?gòu)造筋時，將本進(jìn)路單元間的構(gòu)造筋向上彎折成直角，緊貼礦體，并充填完畢。在鋪設(shè)下一進(jìn)路單元間人工假頂?shù)臉?gòu)造筋時，用風(fēng)鎬將上一進(jìn)路的構(gòu)造筋剔開并整直，然后與下一進(jìn)路的構(gòu)造筋進(jìn)行搭焊連接。

(2)沿脈巷與進(jìn)路單元間結(jié)構(gòu)筋的連接。在進(jìn)路單元間封口模板的底部設(shè)置鋼筋預(yù)留孔。在進(jìn)路單元間鋪設(shè)人工假頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)筋時，為便于結(jié)構(gòu)筋與巷道的順利連接，將進(jìn)路單元間的結(jié)構(gòu)筋從鋼筋預(yù)留孔外露400 mm，并做好埋土保護(hù)措施。鋪設(shè)沿脈巷人工假頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)筋時，直接將其結(jié)構(gòu)筋與進(jìn)路單元間的預(yù)留結(jié)構(gòu)筋進(jìn)行搭焊連接［7］。

1.5 充填單元間的混凝土界面處理

復(fù)合型人工境界礦柱每一層的每一個進(jìn)路單元間回采后，應(yīng)清理浮渣浮石，并用清水沖洗，然后綁扎鋼筋支設(shè)模板，最后澆筑混凝土進(jìn)行進(jìn)路單元間的充填。

每層的進(jìn)路單元間充填后，充填這層的沿脈巷道，在沿脈巷充填前，應(yīng)對沿脈巷與進(jìn)路單元間的界面進(jìn)行鑿毛處理。同時，在沿脈巷與巖體的界面上應(yīng)加設(shè)混凝土植筋。植筋的鋼筋為 ?22 mm HRB335螺紋鋼筋，長度為1 500 mm，埋深750 mm，向下傾斜15°，間排距為0.75 m×0.75 m。

1.6 狹窄礦體區(qū)域人工境界礦柱結(jié)構(gòu)

為了形成有利的人工礦柱，對狹窄礦體區(qū)域的上盤應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)幫處理，以形成邊坡角不大于75°的充填區(qū)域，對狹窄礦體區(qū)域充填的下盤側(cè)應(yīng)挑下盤圍巖500 mm。狹窄礦體區(qū)域鋼筋混凝土人工假頂結(jié)構(gòu)及充填體結(jié)構(gòu)形成楔形狀。鋼筋混凝土人工假頂?shù)呐浣钆c前述相一致。

1.7 人工境界礦柱底部隔離層

為了避免人工假頂下部礦體開采時爆破對人工假頂結(jié)構(gòu)的影響，在人工假頂結(jié)構(gòu)底部應(yīng)設(shè)置隔離層。底下留設(shè)100 mm左右的粉狀礦石(粒徑小于30 mm)，然后鋪設(shè)0.5 mm厚的土工膜，也可鋪設(shè)0.5 mm厚的土工布，再鋪設(shè)1層農(nóng)用薄膜。人工境界礦柱底部隔離層如圖9所示。

圖9 人工境界礦柱底部隔離層

2 溝槽角礫巖坡面的臨時支護(hù)

由于礦體巖性破碎、強(qiáng)度低、易風(fēng)化，溝槽開挖時應(yīng)對工作幫進(jìn)行臨時支護(hù)。為了避免人為地貧化礦石，采用金屬網(wǎng)進(jìn)行臨時護(hù)坡處理。

金屬網(wǎng)采用成品鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)格為40 mm×40 mm，10#鐵絲編制。網(wǎng)片寬度為3 200 mm。網(wǎng)片采用水平鋪設(shè)，搭接寬度100 mm，搭接位置應(yīng)與分層開采的界線重合。金屬網(wǎng)采用管縫式錨桿及鋼筋帶固定。

管縫式錨桿是一種全長錨固，主動加固圍巖的新型錨桿，管縫式錨桿桿體部分是一根縱向開縫的高強(qiáng)度鋼管形，當(dāng)安裝于比管徑稍小的鉆孔時，可立即在全長范圍內(nèi)對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力，加上錨桿托盤托板的承托力，從而使圍巖處于三向受力狀態(tài)，以提高巖體穩(wěn)定性。管縫式錨桿在爆破振動圍巖移動等情況下，后期錨固力有明顯增大，當(dāng)圍巖發(fā)生顯著位移時，錨桿并不失去其支護(hù)抗力，它比漲殼式錨桿有更好的特性。

采用?43 mm，L=2 000 mm材質(zhì)為16Mn鋼的管縫式錨桿，主要技術(shù)指標(biāo):初始錨固力70 kN，管環(huán)拉脫荷載10 kN，錨桿管抗拉斷能力13 kN。錨桿間排距為1 500 mm×1 500 mm，垂直于坡面布置。托盤的尺寸為120 mm×120 mm，厚度為5 mm，高度為20 mm。

鋼筋帶布置于金屬網(wǎng)和管縫式錨桿的托盤之間。采用2根?10 mm光面鋼筋組成。鋼筋帶沿水平鋪設(shè)。施工時先鋪設(shè)金屬網(wǎng)，壓上鋼筋帶，然后用?41 mm鉆頭的風(fēng)鉆在坡面上鉆錨桿孔，將托盤套入錨桿桿體，再用風(fēng)錘將桿體打入錨桿孔中，使托盤金屬網(wǎng)、鋼帶密貼［8-10］。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 復(fù)合型人工境界礦柱帶來的經(jīng)濟(jì)效益

留設(shè)境界礦柱，需在露天坑底，留設(shè)礦體厚度為12 m，占用礦體礦量為13.725 1萬t。參照國內(nèi)外預(yù)留境界礦柱的礦山，針對境界礦柱，有的是永久損失，有的采用后期回采的方案，但回采率通常僅有50%～60%［11］。

本方案針對境界礦柱的回收率達(dá)95%以上，其經(jīng)濟(jì)效益如下。

(1)多回收的礦石礦量為

(2)按照歸來莊金礦的礦石品均品位為4.32 g/t，根據(jù)黃金礦石金屬回收率為86.66%，則多回收黃金量為

(3)黃金價格2010年價格為244～302元/g，2011年黃金持續(xù)走高，全年平均價格為336元/g，礦石采選綜合成本在538.66元/t，則該部分的經(jīng)濟(jì)效益為

3.2 人工境界礦柱下礦體回收經(jīng)濟(jì)效益

歸來莊金礦礦石如果利用豎井提升，每天的出礦能力僅能維持在500 t/d左右，大大制約了礦山的正常生產(chǎn)。通過人工假頂和混凝土充填體復(fù)合結(jié)構(gòu)的人工境界礦柱的應(yīng)用，促使－70～－30 m塊段提前出礦，使礦山生產(chǎn)能力在過渡期維持1 000 t/d，保證了礦山生產(chǎn)的穩(wěn)定。換言之，人工境界礦柱的構(gòu)建使礦山每日多生產(chǎn)500 t礦石，330 d可多生產(chǎn)16.5萬t礦石，保證了礦山產(chǎn)能的正常接續(xù)。按歸來莊金礦的平均出礦品位為4.32 g/t，礦石金屬回收率為86.66%計算，則每年可多生產(chǎn)黃金為

2012年黃金持續(xù)走高，全年平均價格為370元/g，礦石采選綜合成本為538.66元/t，提高生產(chǎn)能力獲得的經(jīng)濟(jì)效益為

3.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益

目前該項目正在穩(wěn)步推進(jìn)，到整個項目結(jié)束，預(yù)期可采出礦石量為865 559 t，品位4.32 g/t。黃金價格按390元/t算，預(yù)計可回采黃金3 240 403.62 g(865 559×4.32×86.66%)，可帶來產(chǎn)值12.64億元(3 240 403.62×390)，直接經(jīng)濟(jì)效益7.98億元(12.64－865 559×538.66×10－8)。

4 結(jié)論

本研究提出了一種有效的復(fù)合型人工境界礦柱的構(gòu)建與回采方法，實現(xiàn)在保證邊坡穩(wěn)定的情況下，露天以及地下開采的同時進(jìn)行，延長露天轉(zhuǎn)地下的過渡期，使露天轉(zhuǎn)地下礦山實現(xiàn)了安全高效開采，尤其是解決了露天與地下開拓工程、產(chǎn)能銜接以及境界礦柱回收等技術(shù)難題，提高了資源回收率，保持了礦山露天轉(zhuǎn)地下的高效、安全、平穩(wěn)過渡。同時該方法可為黃金礦山乃至全國同類有色、黑色及稀貴金屬地下礦山，特別是在水平厚度較大的高品位復(fù)雜礦體開采提供借鑒，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

(1)提出復(fù)合型人工境界礦柱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和隔二采一的交錯的上向進(jìn)路膠結(jié)充填的回采方案，可操作性強(qiáng)。

(2)由于礦體巖性破碎、強(qiáng)度低、易風(fēng)化，采用金屬網(wǎng)進(jìn)行臨時護(hù)坡處理，金屬網(wǎng)采用管縫式錨桿及鋼筋帶固定，效果較好。

(3)對復(fù)合型人工境界礦柱及以下礦體進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，共獲得7.98億元的直接經(jīng)濟(jì)效益，效益顯著。

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