某礦分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填底柱置換方法研究

朱俊寧 趙周能 張志貴 潘 鋒 陳 勃 孫宇超

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

某礦位于甘肅省嘉峪關(guān)市西南部祁連山腹地，海拔2 640～3 310 m，相對(duì)高差500～700 m，是我國(guó)同類礦山中海拔較高、自然條件較為艱苦的礦山。該礦區(qū)除了鐵礦體以外還賦存銅礦體，位于Ⅴ號(hào)鐵礦體的下盤(pán)，且超前于鐵礦開(kāi)采，因此，銅礦開(kāi)采會(huì)對(duì)上部鐵礦帶來(lái)一定影響。為保證鐵礦順利開(kāi)采，采用分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法。由于開(kāi)采過(guò)程中礦塊預(yù)留6 m高頂柱，有較高的回收價(jià)值，因此為回收該部分礦石，在上中段構(gòu)筑人工底部結(jié)構(gòu)，并澆筑鋼筋混凝土人工假底。礦山采用1∶4尾砂膠結(jié)充填，充填體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土，且整體性受灰砂比影響較大，粘結(jié)力較低，其下工作人員安全勢(shì)必受到威脅，因此鋪設(shè)0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底作為下中段的人工假頂。由于前人對(duì)置換底柱的研究不多，因此有必要對(duì)置換底柱作較詳細(xì)的探究。

1 開(kāi)采現(xiàn)狀

該礦在長(zhǎng)1 100 m(2～12線)、寬250 m的范圍內(nèi)有大小礦體共9個(gè)，其中CuⅠ、CuⅡ礦體提交的資源儲(chǔ)量占總資源儲(chǔ)量(金屬量)的99.55%，其他礦體規(guī)模小、地質(zhì)勘查程度低，銅礦開(kāi)采對(duì)象主要為CuⅠ、CuⅡ礦體。CuI礦體賦存于2～12線的含鐵碧玉巖及鐵礦體中，F(xiàn)eI礦體為主要直接頂板圍巖；CuⅡ礦體賦存于4～9a線間的蝕變千枚巖中，地表在5a～9a線間零星出露，斷續(xù)長(zhǎng)400 m，深部分布在4～9a線間，長(zhǎng)度大于550 m，呈半隱伏—隱伏賦存狀態(tài)。

該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為30萬(wàn)t/a，投產(chǎn)后實(shí)際生產(chǎn)能力為20萬(wàn)t/a，服務(wù)年限共20 a。銅礦中段高度為60 m，礦體傾角為60°～85°，礦體厚度最高達(dá)43 m。前期開(kāi)采中段為2 880～2 640 m，目前2 880 m中段回采已結(jié)束并正在充填，下一步將回采礦柱； 2 760 m中段為主要采礦水平，2 700 m和2 640 m 2個(gè)中段正準(zhǔn)備進(jìn)行開(kāi)拓采準(zhǔn)工作。

2 底柱置換方法

2.1 采礦方法

礦山采用分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法，將中段劃分為10～13 m分段進(jìn)行開(kāi)采，待礦石全部采出后，再用1∶4尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行充填。采場(chǎng)設(shè)計(jì)由2 700 m水平回采至2 760 m水平，礦塊沿走向布置，礦房長(zhǎng)度30～40 m，礦房暴露面積在600 m2以內(nèi)。采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)，塹溝底寬3.5 m?；夭汕埃脺\孔對(duì)塹溝受礦斜面以下礦石進(jìn)行掏采，利用充填鉆孔進(jìn)行充填形成人工礦柱。礦房底部(包括礦體內(nèi)出礦進(jìn)路、塹溝、人工礦柱)鋪設(shè)0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底，以確保下中段頂柱安全回采。為便于充填架模、維護(hù)人工礦柱的穩(wěn)定，置換空間與塹溝之間留3～5 m安全礦柱。最上分段高度為10 m，預(yù)留頂柱6 m，剩下4 m并入下分段一起回采。待礦房回采結(jié)束后，在出礦進(jìn)路中鑿扇形炮孔，回收殘留礦石。礦房回采結(jié)束后，最上一個(gè)分段布置3個(gè)充填鉆孔進(jìn)行充填，如圖1所示。

圖1 分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法

由于2 640 m和2 700 m中段的礦體在走向上長(zhǎng)短不一，厚薄各異，因此，采切工程和礦塊布置形式也不同。礦體厚度小于10 m時(shí)，不留頂?shù)字?；?dāng)?shù)V體厚度大于12 m時(shí)，預(yù)留6 m頂柱，并在進(jìn)路側(cè)預(yù)留護(hù)頂?shù)V柱，其寬度由人工底柱和礦體厚度共同決定，置換“桃形礦柱”[1]并鋪設(shè)0.5 m厚鋼筋混凝土人工假底。礦體厚度小于17 m時(shí)，沿走向?qū)⒌V體劃分為一步回采礦房和二步回采礦房(礦房長(zhǎng)度相同)，回采過(guò)程為“隔一采一”，一步礦房回采完畢后進(jìn)行膠結(jié)充填，然后進(jìn)行二步回采并充填。礦體厚度為17～25 m時(shí)，沿走向逐一回采，即采完一個(gè)礦房后立即進(jìn)行充填，待充填體穩(wěn)固后再開(kāi)采相鄰的礦房。礦體厚度為25～43 m時(shí)，沿走向劃分為上下盤(pán)礦房，先回采下盤(pán)礦房，待充填后再回采上盤(pán)礦房。

2.2 底柱置換

2.2.1 人工底柱置換空間開(kāi)挖

為安全高效回收礦石，需置換底柱。先由采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)中的出礦進(jìn)路向前掘進(jìn)至人工底柱構(gòu)筑位置，再沿采場(chǎng)走向掘進(jìn)，貫通相鄰出礦進(jìn)路之間的置換空間。置換空間為圓弧形斷面，寬不超過(guò)6 m，高4 m，圓弧半徑為4 m。開(kāi)挖上盤(pán)人工底柱置換空間時(shí)，由于先行構(gòu)筑的下盤(pán)人工底柱強(qiáng)度較差，爆破時(shí)易被崩落，則需在人工底柱分次開(kāi)挖分界處留1～1.5 m隔離礦柱，具體方法如圖2所示。

置換空間形成后，鋪設(shè)0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底。以置換空間巷道為鑿巖巷道，向上布置中深孔，擴(kuò)挖置換空間，寬不大于6 m，高不大于12 m，具體方法如圖3所示。

2.2.2 人工底柱置換空間的形成

(1)一步開(kāi)挖。一步開(kāi)挖采用掘進(jìn)爆破，周邊實(shí)施光面爆破。光面孔間距0.6 m，炮孔密集系數(shù)0.8，光面層厚度0.75 m，不耦合裝藥系數(shù)1.3，光面孔線裝藥密度0.1～0.12 kg/m，藥卷直徑為32 mm。掏槽眼、輔助眼和底孔等炮孔按礦山常規(guī)爆破布置。

圖2 人工底柱置換空間一步開(kāi)挖

圖3 人工底柱置換空間二步開(kāi)挖

(2)二步中深孔擴(kuò)挖。以置換空間巷道為鑿巖巷道，向上布置中深孔，最小抵抗線1.5 m，孔底距1.3 m。礦體傾角相對(duì)較小，如礦體厚度小于10 m，傾角為60°時(shí)，底部置換空間的上部按上述爆破參數(shù)布孔，下部布置2個(gè)輔助孔。如圖4所示。

圖4 底柱置換空間中深孔布置

2.2.3 澆 筑

人工底柱置換空間形成后，鋪設(shè)鋼筋混凝土人工假底，由上分段鑿巖巷道向下打傾斜充填鉆孔，輸送充填料。為了確保接頂充分，每個(gè)采場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，直徑120 mm，如圖5所示；輸送充填料前，先沿進(jìn)路距采空區(qū)1.5～2 m處架設(shè)厚0.65 m的擋墻。

3 鋼筋混凝土人工假底施工

3.1 人工假底構(gòu)筑方式

人工假底的鋪設(shè)工序分為4個(gè)階段：整平、鋪設(shè)碎礦墊層及塑料薄膜、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、架模并澆注混凝土料[2]。鋪設(shè)人工假底前，先平整底板、清理采場(chǎng)內(nèi)的浮石，保證采場(chǎng)盡量平整，從而確保人工假底施工質(zhì)量；將清理的碎礦平鋪底板并扒平，保證底板留有20cm的碎礦墊層，并在碎礦墊層上鋪一層塑料隔水薄膜，用于隔離人工假底和碎礦墊層，鋪設(shè)薄膜時(shí)應(yīng)避開(kāi)超挖部分；然后在其上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)；最后架模并澆筑混凝土料。具體施工如圖6所示。

由于現(xiàn)場(chǎng)加工鋼筋較困難，因此在地表進(jìn)行鋼筋加工作業(yè)，根據(jù)計(jì)算所需鋼筋用量，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量截取相應(yīng)的長(zhǎng)度；按照規(guī)范，將鋼筋兩端加工成彎鉤狀，鋼筋的彎起點(diǎn)應(yīng)距端頭250 mm；再將長(zhǎng)寬厚為150 mm×150 mm×5 mm的薄鐵片焊接在豎筋兩端。待以上鋼筋加工完畢后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行綁扎焊接。

圖5 人工底柱充填鉆孔和擋墻布置

圖6 鋼筋混凝土人工假底

3.2 人工假底施工

礦體上盤(pán)處超挖固定鋼筋的空間(約500 mm×500 mm)，將縱筋一端搭接于其中，并在上盤(pán)打錨桿連接縱筋；另一端搭接于礦體下盤(pán)并延伸出邊界1.5 m；選用砂漿錨桿或漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿，錨桿直徑φ25 mm，長(zhǎng)1 500 mm，間距2.0 m，鉆孔直徑50 mm，孔深1 m。橫筋和縱筋分別按計(jì)算間距排開(kāi)，彎鉤朝下，兩筋交匯處用鐵絲捆綁(必要時(shí)用焊接)，即形成一張鋼筋網(wǎng)。為提高鋼筋網(wǎng)的整體性，可在鋼筋網(wǎng)上鋪一層金屬網(wǎng)，并使用鐵絲綁扎牢固。綁扎的同時(shí)，將接頭整平，便于澆筑混凝土。然后將豎筋一端插于底板的碎礦墊層，將其與鋼筋網(wǎng)綁扎成整體。將豎筋垂直于鋼筋網(wǎng)按2 m×2 m的間距布置，豎筋長(zhǎng)度為人工假底厚度[3]。鋼筋鋪設(shè)方式如圖7所示。

在地表將混凝土干料攪拌好，1 m3混凝土配比為水泥∶砂∶石子=218.75 kg∶580.85 kg∶1 198.77 kg。使用JC3-D液壓混凝土攪拌運(yùn)輸罐車(chē)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑。澆筑時(shí)將上邊界的超挖空間填滿，并保證槽內(nèi)的鋼筋全部被混凝土包裹，灑水養(yǎng)護(hù)7～21 d。

圖7 鋼筋鋪設(shè)

3.3 人工假底布筋計(jì)算

針對(duì)15#礦塊進(jìn)行配筋計(jì)算。15#礦塊位于2 700 m中段3勘探線和4勘探線之間，礦塊長(zhǎng)39 m，厚16～19 m，礦塊高12 m。采場(chǎng)(進(jìn)路)跨度L為5 m，采場(chǎng)跨度之半l為2.5 m；1∶4尾砂膠結(jié)充填體的內(nèi)摩擦角α為31.8°，其容重γ1為19.62 kN/m3。

3.3.1 載荷計(jì)算

根據(jù)塌落拱原理，進(jìn)路開(kāi)挖后，人工假頂上覆充填體會(huì)出現(xiàn)近似等邊三角形載荷，如圖7所示。

圖8 等邊三角形載荷

首先計(jì)算塌落拱高度[4]：

(1)

沿長(zhǎng)軸方向取單位長(zhǎng)度1 m三角形塌落體進(jìn)行載荷計(jì)算：

(2)

式中，s為三角形面積，m2，s=(1/2)HL=(1/2)×4.03×5=10.08 m2;b為長(zhǎng)軸方向的單位長(zhǎng)度，取1 m。

將已知數(shù)據(jù)代入(2)式，可得人工假頂上覆充填體重為：

則鋼筋混凝土人工假底所受總載荷為

q=q1+γ1h=39.55+24.53h=51.82 kN/m2,

式中，h為人工假底厚度，取0.5 m；γ2為C20混凝土容重，γ2=24.53 kN/m3。

因此，人工假底所受載荷取51.82 kN/m2。

3.3.2 配筋計(jì)算

根據(jù)礦山實(shí)際情況，鋼筋采用材質(zhì)為HPB300的熱軋鋼筋，選用C20混凝土，其彈性模量25 500 MPa，泊松比μ為0.2；一步回采時(shí)，人工假底支座為兩幫千枚巖或銅礦石，其彈性模量Ej1=10 000～ 80 000 MPa；二步回采時(shí)，進(jìn)路支座為1∶4的充填體或圍巖(千枚巖)，其彈性模量Ej1=613 MPa或 100 00～80 000 MPa。由文獻(xiàn)[5]可知，支座的彈性模量與人工假底的彈性模量之比Ej/El和人工假底彎矩M成反比，即當(dāng)Ej/El取最小值時(shí)，彎矩M最大。因此為安全考慮，按最大彎矩考慮，以充填體支座為計(jì)算基礎(chǔ)，即Ej/El=0.024，則由可知人工假底的最大彎矩：

51.82×2.5=137.79 kN·m

其中，

考慮1.4倍的安全系數(shù)，則Mmax=194.31 kN·m。

根據(jù)鋼筋混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)[6]，鋼筋混凝土人工假底截面的有效高度為

h0=h-as=500-20=480 mm,

式中，as為鋼筋混凝土保護(hù)層的安全高度，即受拉鋼筋重心至受拉混凝土邊緣的垂直距離。當(dāng)混凝土等級(jí)大于C20時(shí)，as至少取20 mm。

鋼筋混凝土人工假底截面抵抗矩系數(shù)為

式中，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取9.6 MPa；α為等效矩形圖形系數(shù)，α=1.0；b為取單位寬度的人工假底進(jìn)行計(jì)算，b=1.0 m。

根據(jù)αs值，對(duì)照鋼筋混凝土矩形截面受彎構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算表，查得鋼筋的內(nèi)力臂系數(shù)γs為0.95。則鋼筋混凝土人工假底縱向鋼筋截面面積為

0.001 595 m2=1 595 mm2,

式中，fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，HPB300鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270 MPa。

3.3.3 檢 驗(yàn)

(1)最小配筋率驗(yàn)算。

As,min=ρminbh,

(3)

式中，ρmin為最小配筋率；As,min為鋼筋最小截面面積，mm2。

實(shí)際最小配筋率為

(4)

式中，ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度，C20混凝土抗拉強(qiáng)度為1.1 MPa。

將已知數(shù)據(jù)帶入式(4)，得

ρmin=0.18%<0.2%.

鋼筋混凝土規(guī)范要求鋼筋混凝土最小配筋率不能低于0.2%，因此，最小配筋率取0.2%。將已知數(shù)據(jù)代入(3)式得：

As,min=1 000 mm2

滿足要求。

(2)最大彎矩檢驗(yàn)。

(5)

式中,Mu為鋼筋混凝土人工假底的彎矩承載力。

考慮修正指數(shù)

則截面抵抗矩系數(shù)為

將已知數(shù)據(jù)代入(5)式，得

Mu=212.33 kN·m>Mmax=194.31 kN·m，

滿足要求。

根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果，鋼筋混凝土人工假底的配筋圖如圖9所示。

圖9 鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

(1)礦山在回采底柱時(shí)置換“桃形礦柱”并鋪設(shè)0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底方法是可行的。

(2)人工假底配筋橫筋總截面面積為301.6 mm2，φ8 mm，間距160 mm；縱筋總截面面積為 1 781.3 mm2，直徑為18 mm，間距為140 mm，滿足最小配筋率和最大彎矩。

(3)開(kāi)挖上盤(pán)人工底柱置換空間時(shí)，為避免先構(gòu)筑的人工底柱發(fā)生破壞，保證作業(yè)人員安全，需在人工底柱分次開(kāi)挖分界處留1～1.5 m隔離礦柱；為便于充填架模、維護(hù)人工礦柱的穩(wěn)定，置換空間與塹溝之間留3～5 m安全礦柱。

(4)由于地下空間有限，建議鋼筋先在地表截?cái)嘣龠\(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行綁扎；鋼筋混凝土澆筑后灑水養(yǎng)護(hù)7～21 d，再充填置換空間。

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