房柱法礦柱回采人工假柱尺寸理論計(jì)算及采礦工藝

劉?？疲瘎龠B，鄔劍鋒，楊福斗，鐘長(zhǎng)生，溫世平，李 恒，周志勇，梁向陽，李湘洋

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)有限公司南溫河鎢礦，云南 文山州麻栗坡縣816100；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083)

殘礦資源回采是國(guó)內(nèi)外面臨的重大技術(shù)難題。目前，常見的殘礦資源類型涵蓋房柱法的點(diǎn)柱、嗣后充填法開采的二步礦柱和頂柱、崩落轉(zhuǎn)充填隔離礦柱等類型。房柱法作為空?qǐng)龇ǖ牡湫头椒?，因其采礦成本低、生產(chǎn)組織工序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在水平至緩傾斜穩(wěn)固薄礦體開采得到了廣泛應(yīng)用，但該法依靠滯留礦柱支撐頂板和采空區(qū)，造成了礦產(chǎn)資源的極大浪費(fèi)，損失率最高達(dá)30%以上。

國(guó)內(nèi)專家和學(xué)者就房柱法或全面法礦柱回采開展了大量的研究工作[1-2]。余榮炳[3]等以金山金礦為工程背景，對(duì)房柱法礦柱提出了底盤漏斗或側(cè)向放礦口全崩落回采方法并取得理想效果；吳潔葵[4]等針對(duì)空?qǐng)龇ǖV山采空區(qū)原生礦柱回采技術(shù)難題，采用人工礦柱替換原生礦柱的回收方案；賀小慶[5]以太白黃金礦礦柱回采及采空區(qū)處理為研究對(duì)象，確定采用抽采法進(jìn)行，并成功回采礦柱礦石12.25萬t，經(jīng)濟(jì)和設(shè)備效益顯著；王慶軍[6]等結(jié)合礦山地質(zhì)條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過工程地質(zhì)調(diào)查確定了合理的礦柱回采順序與礦柱回采方法，實(shí)現(xiàn)了礦柱安全高效回收的目的；其他學(xué)者就房柱法礦柱回采過程中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)、空區(qū)探測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)也開展了相應(yīng)的研究工作[7-9]。

本文以南溫河鎢礦房柱法礦柱回采為工程背景，綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬的研究手段，就房柱法人工混凝土假柱尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證，以期為今后南溫河鎢礦礦柱實(shí)現(xiàn)安全、高效和低成本回采提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 工程背景

南溫河鎢礦位于云南省文山州南南西方向的麻栗坡縣，老君山鎢錫多金屬礦區(qū)的東部，鎢礦床主要埋藏于平緩產(chǎn)狀的矽卡巖層中，礦體厚度1.5～12 m，傾角小于15°，礦巖穩(wěn)固性較好(f=12～14)，屬于典型的緩傾斜薄至中厚穩(wěn)固礦床，水文地質(zhì)簡(jiǎn)單。

南溫河鎢礦隸屬文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)有限公司，下轄南溫河、金瑋和金源等礦區(qū)。南溫河鎢礦采用平硐+斜坡道聯(lián)合開拓方式，礦體傾角5°～15°，礦體厚度1.5～12 m，礦體頂板出露為片麻巖，礦巖穩(wěn)固性較好，目前主要采用房柱法進(jìn)行開采。其中，6線區(qū)域遺留礦柱整體品位較高，平均品位0.8%以上(如圖1所示)，考慮礦柱實(shí)現(xiàn)安全、高效和低成本回采具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 采空區(qū)高品位礦柱Fig.1 High grade pillar in underground goaf

2 試驗(yàn)采場(chǎng)人工假柱尺寸理論計(jì)算

結(jié)合南溫河鎢礦高品位礦柱賦存條件和理論計(jì)算，經(jīng)北京科技大學(xué)與南溫河鎢礦聯(lián)合攻關(guān)，決定采用人工混凝土假柱替換法進(jìn)行回采。

2.1 房柱法礦柱回采試驗(yàn)采場(chǎng)確定

試驗(yàn)采場(chǎng)選定南溫河鎢礦6線3號(hào)北采場(chǎng)(如圖2所示)，試驗(yàn)采場(chǎng)包括礦柱21根、假柱6根。根據(jù)礦柱品位估算礦柱經(jīng)濟(jì)價(jià)值，當(dāng)前有10個(gè)礦柱具有開采價(jià)值，分別是K12、K13、K14、K15、K18、K19、K20、K22、K24和K26?，F(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)探測(cè)工作見圖2。

圖2 試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱分布圖Fig.2 Pillar distribution map in trial stope

2.2 人工混凝土假柱形態(tài)確定

人工假柱的形狀多種多樣，較常見的為圓形和方形。結(jié)合南溫河鎢礦實(shí)際情況，考慮到人工假柱施工過程中模板架設(shè)困難，建議采用正方形人工假柱的形式。試驗(yàn)采場(chǎng)屬于典型的較規(guī)律的點(diǎn)柱群采場(chǎng)，多排點(diǎn)柱矩陣式布置應(yīng)用最為常見。因此，建議采用該種方式進(jìn)行布置。

2.3 礦柱安全系數(shù)計(jì)算

礦柱安全系數(shù)是決定點(diǎn)柱穩(wěn)定性的重要影響因素，是點(diǎn)柱巖體自身強(qiáng)度與外部載荷之間的關(guān)系。進(jìn)行采場(chǎng)點(diǎn)柱尺寸和點(diǎn)柱間距的設(shè)計(jì)之前須進(jìn)行點(diǎn)柱安全系數(shù)的計(jì)算。

采場(chǎng)點(diǎn)柱的安全系數(shù)N的大小由人工假柱受到的應(yīng)力Q和點(diǎn)柱自身強(qiáng)度S決定，N計(jì)算公式為：

(1)

式中：N—礦柱安全系數(shù)(N<1時(shí)點(diǎn)柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，N>1時(shí)點(diǎn)柱處于失穩(wěn)破壞狀態(tài))；Q—點(diǎn)柱所受外部載荷，MPa；S—點(diǎn)柱自身極限抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.4 人工假柱載荷計(jì)算

因礦體埋深較淺，受構(gòu)造應(yīng)力作用相對(duì)較小。假設(shè)礦柱只承受上覆圍巖的載荷作用，且施加的載荷平均分布到各個(gè)點(diǎn)柱上，則單個(gè)點(diǎn)柱受到的載荷應(yīng)力Q為：

(2)

式中：Q—單一點(diǎn)柱受到的外部載荷，MPa；H—上覆圍巖厚度，m；γ—上覆圍巖容重，t/m3；A、B分別為點(diǎn)柱間沿兩個(gè)方向的距離，m；R1和R2分別為點(diǎn)柱的長(zhǎng)度和寬度，m。

2.5 人工假柱強(qiáng)度計(jì)算

人工假柱強(qiáng)度與構(gòu)成礦柱的材料強(qiáng)度有關(guān)，在實(shí)際礦柱回采過程中主要承受壓力。因此，這里的強(qiáng)度專指人工假柱的抗壓強(qiáng)度。采用如下經(jīng)驗(yàn)公式(3)計(jì)算人工假柱強(qiáng)度：

(3)

式中：S—人工假柱抗壓強(qiáng)度，MPa；σC—人工假柱本身單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；R為人工假柱的截面寬，m；h—人工假柱的高度，m；α—常數(shù)，礦柱寬高比<5時(shí)取1，>5時(shí)取1.4。

2.6 人工假柱尺寸計(jì)算

結(jié)合南溫河鎢礦的實(shí)際情況進(jìn)行人工假柱的尺寸設(shè)計(jì)，以單個(gè)礦柱作為研究對(duì)象來計(jì)算上覆巖層施加的載荷。南溫河鎢礦試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱埋深在140～160 m，為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，選擇最大埋深160 m作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，容重2.8 t/m3進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)：

人工假柱采用C25混凝土配合工字鋼(槽鋼)進(jìn)行澆灌，按照以往經(jīng)驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度可按照45 MPa進(jìn)行計(jì)算，南溫河鎢礦點(diǎn)柱的寬高比小于5，因此α取1，考慮到礦體傾角較緩，沿走向和傾向礦房跨度近乎相同，故A=B，正方形人工假柱，則R1=R2=R。

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，可得到如下關(guān)系：

4.48A2<(22.4+1.575R)R2

根據(jù)構(gòu)建的三維實(shí)體模型可知，試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱跨度平均為11 m，則人工假柱尺寸應(yīng)≥4.35 m。

3 房柱法礦柱回采工藝

3.1 假柱施工及頂板支護(hù)

施工前清洗人工假柱的頂?shù)装鍏^(qū)域，道砟清光，底板盡量水平；在頂?shù)装鍖?duì)應(yīng)位置施工2 m圓鋼(Φ32 mm)，輔助固定工字鋼與假柱；在對(duì)應(yīng)位置布置工字鋼(槽鋼)，注意保證工字鋼與頂?shù)装褰訉?shí)，用圓鋼將每排工字鋼焊接(或用24#鐵絲箍緊)相連；在工字鋼外圍0.5 m處采用木?；蚪饘倌０辶⒛?，使用混凝土泵送工藝，工程施工、人工配料、機(jī)械攪拌、翻斗式拖拉機(jī)或農(nóng)用車裝車運(yùn)輸物料、人工攤鋪、插入式振動(dòng)器振實(shí)、振動(dòng)板提漿修整；混凝土物料拌合時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照級(jí)配和配合比要求進(jìn)行投放，用水量按設(shè)計(jì)的水灰比要求控制；混凝土拌制須采用機(jī)械方式攪拌均勻，并嚴(yán)格控制從出料、運(yùn)輸?shù)戒佒瓿蓵r(shí)間在1 h以內(nèi)；混凝土澆筑完成后需進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期不得少于20 d。

混凝土人工假柱的施工能有效控制頂板大變形和驟變冒落，由于礦柱直接頂板是片麻巖，揭露周期和跨度達(dá)到一定閾值后，冒落風(fēng)險(xiǎn)驟增。結(jié)合南溫河鎢礦實(shí)際情況，建議在跨度較大區(qū)域進(jìn)行局部樹脂錨桿+穿帶(勾花網(wǎng))的支護(hù)形式，穿帶選用8～10 mm的鋼筋編織而成，提高試驗(yàn)回采過程中的安全性。

3.2 鑿巖、爆破

由CMS技術(shù)三維重構(gòu)的礦柱模型，試驗(yàn)采場(chǎng)的礦柱整體呈現(xiàn)上下粗，中腰細(xì)，接近“X”的形態(tài)，橫截面近圓形或橢圓形，腰部直徑(或長(zhǎng)軸與短軸平均值)尺寸介于2.82～4.62 m，頂?shù)撞恐睆?或長(zhǎng)軸與短軸平均值)尺寸介于4.35～8.75 m。

南溫河鎢礦的鑿巖設(shè)備以YT-28為主，設(shè)計(jì)采用YT-28進(jìn)行鑿巖，鉆孔直徑38～42 mm，炮孔布置如圖3所示。采取定向拋擲微差爆破，采用小抵抗線、大孔距的爆破參數(shù)，炮孔雙側(cè)布置，兩側(cè)炮孔間夾角約為160°，礦柱中間的炮孔超前于上下炮孔起爆，礦柱中間的炮孔排距0.5 m，間距0.8 m，礦柱上下部分的炮孔排距0.8 m，間距1.0 m，炮孔深度2.5～4.0 m，根據(jù)礦柱規(guī)格而改變，礦柱上部炮孔的鑿巖裝藥作業(yè)，在搭建的工作平臺(tái)上進(jìn)行。礦石拋擲方向根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的回采順序而定，以人員設(shè)備的安全作業(yè)為前提，使礦石盡可能集中，便于提高出礦效率，礦柱要一次爆破成功，爆破參數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到最佳爆破效果。采用定向拋擲爆破技術(shù)，可以使爆破下來的礦石按預(yù)定方向堆積，而不至于飛散，以便于出礦，并且不會(huì)對(duì)相鄰的礦柱和混凝土人工假柱造成破壞。

圖3 礦柱回采炮孔設(shè)計(jì)圖Fig.3 Blasting holes design of pillar

3.3 通風(fēng)

由于采用房柱法開采，風(fēng)流較為紊亂，爆破后有毒氣體難以排出、粉塵難以沉降，建議試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)采用局扇進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

3.4 礦石運(yùn)輸

目前南溫河鎢礦的主要出礦設(shè)備包括：2 m3的ZL40型裝載機(jī)、坑內(nèi)組裝卡車，故礦石運(yùn)輸仍沿用該法。

3.5 采空區(qū)處理

南溫河鎢礦試驗(yàn)采場(chǎng)礦床整體厚度較小，傾角近水平，采用房柱法開采，原采空區(qū)依托遺留礦柱進(jìn)行支撐，但在礦柱回采結(jié)束后，采空區(qū)依靠人工混凝土假柱進(jìn)行采空區(qū)支撐。人工混凝土假柱和永久礦柱雖可支撐采空區(qū)，防止頂板冒落，但若空?qǐng)鰷魰r(shí)間過長(zhǎng)，支護(hù)及安全效果將會(huì)大大降低。由于南溫河鎢礦井下尚無充填系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)尾砂充填。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，后退式回采礦柱時(shí)可以在礦柱回采結(jié)束后的采空區(qū)內(nèi)倒入開拓廢石充填采空區(qū)，并且在礦柱回采結(jié)束后封閉隔離采空區(qū)，將采空區(qū)潛在威脅分塊化、集中化處理，徹底消除采空區(qū)對(duì)井下安全生產(chǎn)的威脅。

由于試驗(yàn)采場(chǎng)間連續(xù)性和礦巖穩(wěn)定性條件均較好，形成了大量的連續(xù)性礦柱群，頂板或者礦柱破壞的危害性較大，沖擊波容易引起相鄰采場(chǎng)頂板的破壞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。因此，推薦采用人工混凝土礦柱支撐法+封閉隔離聯(lián)合處理采空區(qū)。

3.6 試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱回采安全保障措施

1)礦柱回采遵循后退式回采，礦柱回采安全風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，因此應(yīng)進(jìn)行高效鑿巖、出礦和采空區(qū)處理的“三強(qiáng)”開采原則。對(duì)于尺寸較小的礦柱，盡量減少爆破次數(shù)，降低爆破震動(dòng)對(duì)頂板及相鄰人工假柱或原生礦柱的沖擊破壞。

2)礦柱回采過程中，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段是必不可少的。包括布置頂板離層儀、鉆孔應(yīng)力計(jì)等。獲取試驗(yàn)采場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)，為今后礦柱回采大范圍推廣提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。

4 試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱回采經(jīng)濟(jì)效益預(yù)算

4.1 基于CMS的試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱礦量計(jì)算

采用北京科技大學(xué)采購(gòu)的Geosight CMS對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)礦柱及采空區(qū)輪廓進(jìn)行精細(xì)化掃描，將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMine軟件內(nèi)獲取礦柱真實(shí)形態(tài)(如圖4所示)，并采用實(shí)體模型工具報(bào)告試驗(yàn)采場(chǎng)礦柱礦量。經(jīng)建模計(jì)算得到，試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)礦柱礦量共計(jì)4 328.242 t。

圖4 試驗(yàn)采場(chǎng)采空區(qū)三維模型Fig.4 3D model of trial stope goaf

4.2 試驗(yàn)采場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)算

結(jié)合3DMine得到的礦柱礦量，礦柱品位分布為0.4%～2.0%，按照礦柱采礦回收率90%，選礦回收率86%計(jì)算，65%鎢精粉單價(jià)9.8萬元計(jì)算，礦柱直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值為495.37萬元；人工假柱施工、采礦和選礦成本折合在內(nèi)共計(jì)183.45萬元，則利潤(rùn)為311.92萬元。

5 結(jié)論

本文以南溫河鎢礦礦柱回采為工程背景，采用理論計(jì)算對(duì)人工混凝土假柱尺寸進(jìn)行了理論計(jì)算，最后就礦柱回采工藝和經(jīng)濟(jì)效益開展了研究工作，得到的主要結(jié)論如下：

1)人工混凝土假柱經(jīng)安全系數(shù)、載荷、強(qiáng)度等理論，試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)假柱尺寸進(jìn)行了理論計(jì)算，設(shè)計(jì)人工假柱跨度平均為11 m，則人工假柱尺寸應(yīng)不小于4.35 m?；炷翝仓瓿珊笮柽M(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期不得少于20 d。

2)按照人工混凝土假柱置換法回采原生礦柱，按照礦柱采礦回收率90%，選礦回收率86%計(jì)算，試驗(yàn)采場(chǎng)回收礦柱礦石量3 895.417 t，礦柱直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值為495.37萬元；總成本共計(jì)183.45萬元，利潤(rùn)311.92萬元。

本文的研究結(jié)論能夠?yàn)槟蠝睾渔u礦房柱法礦柱回采奠定理論基礎(chǔ)，也能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)外同類型礦山礦柱回采提供一定的理論依據(jù)。