砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法試驗研究

余丙銀，田 麒，彭善瑤

(湖北柳樹溝礦業(yè)集團， 湖北 宜昌市 443145)

砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法試驗研究

余丙銀，田 麒，彭善瑤

(湖北柳樹溝礦業(yè)集團， 湖北 宜昌市 443145)

黃石溝礦原采用房柱法回采，導致回采率低，且遺留大量礦柱，造成資源浪費，為此，針對該礦的開采技術(shù)條件，提出了砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法，并通過理論計算確定了砼柱的間距和尺寸。與原房柱法相比，該采礦法可在試驗區(qū)多開采礦量27097 t，增加純利潤455萬元，消耗尾砂約2.5萬m3，具有良好的效益。

預(yù)控頂；尾砂充填；砼柱

湖北柳樹溝礦業(yè)股份有限公司丁西磷礦黃石溝礦礦體平均厚度3.5 m，礦石P2O5平均品位30%。但該區(qū)域斷層、節(jié)理極度發(fā)育，地表涉及民居、公路、河流等構(gòu)筑物，且該區(qū)域緊鄰集鎮(zhèn)，不允許地表有較大形變。所以該區(qū)域采用房柱法采礦回采率只有60%～65%。為了提高資源利用率，提出了砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法，并進行了研究，以達到控制采空區(qū)、高效利用礦產(chǎn)資源的目的。

1 地質(zhì)概況及開采技術(shù)條件

礦區(qū)位于黃陵背斜北部沉積蓋層區(qū)，地處宜昌磷礦丁家河礦區(qū)西部，地層傾向東～北東，傾角 2°～8°，為一平緩單斜構(gòu)造，褶皺不明顯，斷層、節(jié)理發(fā)育。

礦區(qū)出露地層有前震旦系崆嶺群、震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Z2d)、燈影組(Z2dn)，工業(yè)礦層Ph13位于陡山沱組。Ph13礦層直接頂板為Z2d13塊狀粉晶白云巖，底板為含鉀頁巖，礦層與頂?shù)装寰蕽u變過渡關(guān)系。

區(qū)域水文地質(zhì)條件屬簡單類型，主要地表水流為黃柏河水系分支西沖河，地下巖溶水不發(fā)育，以裂隙水為主。工程地質(zhì)類型屬堅硬、半堅硬巖層，工程地質(zhì)條件簡單～中等。試驗礦塊沿走向長116 m，沿傾向平均寬約60 m，區(qū)塊總面積7900 m2。

2 采礦方法

采礦方法分為砼柱預(yù)控頂和尾砂充填采礦兩個階段。砼柱預(yù)控頂階段分兩個步驟，第一步在礦房內(nèi)切割砼柱柱位，柱位切割寬6 m，預(yù)留連續(xù)礦柱寬6 m，依次循環(huán)推進。第二步為砼柱施工，每一柱位條帶切割完成后，由上至下依次進行砼柱施工。砼柱采用直徑4 m的圓柱形結(jié)構(gòu)，沿傾向(即沿柱位條帶方向)中心距10 m。

第二階段尾砂干式充填采礦分為兩個步驟，第一步是在砼柱養(yǎng)護期完成后，對砼柱間預(yù)留的6 m礦帶進行回采。第二步是在每一條礦帶回采完成后，立即利用選礦廠尾砂對空場進行干式充填。兩個階段的實施順序見圖1。

3 砼柱設(shè)計

3.1 砼柱間距

根據(jù)圍巖移動破壞的三帶規(guī)律，存在著冒落帶、裂隙導水帶和彎曲下沉帶。根據(jù)經(jīng)驗公式，冒落帶的厚度H1為：

(1)

導水裂隙帶的厚度H2為：

(2)

式中，m'為礦塊的平均厚度。

為了減少開采礦層對地表的擾動，主要考慮用冒落帶和導水裂隙帶的累計厚度來確定上覆巖層的平均荷載：

P=rHS

(3)

式中，r為兩帶的平均體重；H為兩帶的平均厚度；S為空場的最大暴露面積。

依據(jù)礦柱負載輔助面積理論法，礦柱上覆巖層的平均載荷為：

圖1 采礦方法實施順序

(4)

式中，c為切割巷道的間距；a、b為設(shè)計回采時預(yù)留礦柱的寬度和長度；R為上覆巖層的平均體重；h為礦層頂板至地表的巖層平均厚度。

（4）水環(huán)境治理資金需求大。城市水環(huán)境治理一般以公益性為主，回報率不高、任務(wù)重且資金需求量大，目前主要由政府投資，企業(yè)和社會公眾參與較少，投融資渠道不完善。受區(qū)域杠桿約束，資金缺口大，治理措施難以統(tǒng)一實施，治理效果難以保障。

用砼柱替代礦柱，砼柱的負載能力假設(shè)為上覆巖層的平均荷載，則砼柱的密度為：

(5)

根據(jù)式(5)，可計算得出砼柱的最大間距為8.33 m。

3.2 砼柱尺寸

從維護采場穩(wěn)定性方面考慮，礦柱的間距應(yīng)小于礦房極限跨度，而礦柱本身的橫截面尺寸應(yīng)能滿足承載力要求，因此，礦柱尺寸可由其抗壓強度確定。根據(jù)面積承載力理論，假設(shè)上覆巖層的重力按面積均勻分布，礦柱支撐其上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積為按巖柱分攤的開采面積與礦柱自身面積之和。

則礦柱的平均應(yīng)力δP為：

(6)

式中，γ為礦柱容重，N/m3；H1為覆巖高度；LP、BP為礦柱的長度與寬度；L0、B0為礦柱間隔的長度與寬度。

礦柱強度主要取決于礦柱的單軸抗壓強度，且與礦柱的形狀和尺寸等有關(guān)，根據(jù)前人的研究，礦柱強度可采用式(7)進行計算：

(7)

設(shè)礦柱安全系數(shù)為K，則：

(8)

按照原房柱法回采，礦柱走向間距12m、傾向間距9m，礦柱長度6m、寬度4m；按照本采礦法回采，砼柱走向間距8m、傾向間距6m，砼柱長度和寬度均為4m，分別計算礦柱的安全系數(shù)K砼柱和K礦柱，可得：K砼柱>K礦柱。

混凝土礦柱內(nèi)部沒有原生礦柱中普遍存在的節(jié)理等構(gòu)造面，強度高，且混凝土質(zhì)地較均勻，礦柱主要承力受軸向壓力，根據(jù)力學性能原理，4m×4m方形砼柱與直徑4m圓柱形砼柱承受軸向壓力的能力差別不大，而圓柱形砼柱節(jié)省材料，支模和澆筑施工方便。

綜合考慮砼柱承壓力、采礦安全系數(shù)、材料成本、施工難易程度、施工進度等方面因素，確定采用直徑4m的圓柱形混凝土柱。

4 經(jīng)濟及社會效益分析

(1) 試驗區(qū)總面積7900m2，礦層平均厚度3.5m，礦石比重2.8t/m3，共設(shè)計砼柱66個。按照設(shè)計房柱法回采，實際回采礦量M1≈50323 t，實際損失礦量M損’≈27097 t。按照砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法開采，則礦塊回采率趨于100%，預(yù)計可采出礦量M2≈77420 t，與原采礦方法相比較，可多采出礦量27097 t。

(2) 結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，砼柱造價約300元/m3，則砼柱總造價W≈87萬元。按照現(xiàn)有磷礦市場行情，1 t礦石的純利潤約200元，則按本采礦方法回采試驗區(qū)預(yù)計可創(chuàng)造利潤542萬元，扣除砼柱造價后，預(yù)計可為公司創(chuàng)造純利潤455萬元。使用該方法采礦，預(yù)計可消耗選礦廠尾渣約2.5萬m3，減少地面尾礦庫征地、建設(shè)及后期治理成本。

(3) 采用充填法回采，可提高資源的利用率，延長礦山服務(wù)年限。且采空區(qū)充填接頂，可有效緩解采空區(qū)大面積冒落危害，降低采礦對地表環(huán)境的形變破壞，減少了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié) 語

(1) 通過砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦試驗，得出直徑4 m，沿走向中心距12 m，沿傾向中心距10 m的砼柱對試驗區(qū)頂板的支撐作用優(yōu)于原生礦柱，能夠確保第二階段采礦和空區(qū)尾砂干式充填的安全作業(yè)，加大了采礦作業(yè)的安全系數(shù)。

(2) 采用砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法，第一階段砼柱施工和第二階段空區(qū)尾砂干式充填，可提高試驗區(qū)資源利用率30%～35%，且有效處理了采空區(qū)，增加了企業(yè)經(jīng)濟效益。

(3) 砼柱預(yù)控頂分段尾砂充填采礦法，可根據(jù)不同礦山的實際情況，對砼柱間距和尺寸進行適當調(diào)整，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1]田旭恒,陳發(fā)吉,龍秀才.砼柱護頂空場采礦法在開采緩傾斜礦體中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2008，8(6)：11-12.

[2]楊秀明.用砼柱置換原生礦柱的研究[J].采礦技術(shù),2011，11(4)：25-27，50.

[3]馬玉山,王建國，等.預(yù)控頂分段空場尾砂充填采礦法實驗研究[J].黃金,1999，20(10)：13-17.

[4]Brady B.H.G.Brown E.T. 地下采礦巖石力學[M].佘詩剛,朱萬成,趙 文,等譯.北京：科學出版社.(收稿日期：2016-10-30)

余丙銀(1986-)，男，湖北宜昌人，注冊安全工程師，采礦助理工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)管理，Email：371804159@qq.com。