剛果(金)某銅礦房柱法開采中礦柱尺寸設(shè)計研究

尚曉明， 范文錄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

房柱法一般用來開采水平和緩傾斜礦體，在劃分回采單元的基礎(chǔ)上，將礦房和礦柱規(guī)則交替布置。先回采礦房，留下規(guī)則的連續(xù)條帶礦柱或不連續(xù)礦柱來支撐采空區(qū)頂板，若留設(shè)的礦柱寬度過小，則易造成礦柱失穩(wěn)；若留設(shè)的礦柱寬度過大，則礦石的回收率大大降低[1-2]。因此，科學(xué)合理設(shè)計深部開采中礦柱的寬度，對提高礦柱的穩(wěn)定性和礦石的回收率具有重要意義。

2 礦床開采技術(shù)條件

該銅礦區(qū)位于剛果(金)西南部盧阿拉巴省，為一超大型層狀銅礦床，位于中非銅礦帶西部。礦區(qū)地層巖性相對簡單，以變質(zhì)沉積巖為主，地表巖體風(fēng)化較強，巖體結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)為主，新鮮巖石以堅硬巖為主，構(gòu)造較發(fā)育、高陡斷裂為主，風(fēng)化帶及構(gòu)造帶對礦床開采影響較大，礦床工程地質(zhì)條件屬以堅硬半堅硬層狀巖類為主的中等類型。礦區(qū)礦巖密度26kN/m3,礦巖單軸抗壓強度 51.6MPa。

礦體埋深400～700m，傾角5°～20°，礦體受沉積地層控制，總體呈背斜產(chǎn)出，形態(tài)近似馬鞍。按邊界品位3%圈定礦體平均真厚度5.3m。

3 礦柱尺寸研究

采礦方法中，對于礦體厚度在4m以下的礦體采用房柱法開采，本文主要對房柱法開采中礦柱的尺寸進行研究。

3.1 礦柱設(shè)計方法

影響礦柱穩(wěn)定性的因素主要有礦柱的平均抗壓強度、礦柱寬度、礦柱高度、礦房寬度、上覆巖體的容重、開挖半徑和開采深度等[3]。

礦柱設(shè)計采用礦柱支護從屬面積分析法，利用從屬面積法來估算礦柱平均軸向應(yīng)力。礦柱所受軸向平均應(yīng)力為

(1)

式中，σp為礦柱的軸向平均應(yīng)力；pzz為開采前應(yīng)力場的垂向正應(yīng)力分量，通過采深與巖體密度計算確定；wo為礦房寬度；wp為礦柱寬度。具體布置形式如圖1所示。

圖1 礦房礦柱布置形式

礦柱強度S的經(jīng)驗式為

(2)

式中，So為礦巖單軸強度；h為礦柱高度；α、β為反映礦體的地質(zhì)構(gòu)造和巖石力學(xué)條件的參數(shù)。

由礦柱強度S與礦柱所受軸向平均應(yīng)力σp的比值得到安全系數(shù)F為

F=S/σp

式中，F(xiàn)為安全系數(shù)；S為礦柱強度；σp為礦柱的軸向平均應(yīng)力。

3.2 礦柱設(shè)計參數(shù)

在進行礦柱支護設(shè)計前，需確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)Obert and Duvall (1967)的礦柱設(shè)計理論，主要參數(shù)包括開采深度、礦巖密度、礦巖單軸抗壓強度及開采高度等,主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 礦柱支護主要技術(shù)參數(shù)

3.3 礦柱尺寸設(shè)計

根據(jù)礦柱支護從屬面積分析法進行礦柱尺寸設(shè)計。根據(jù)采礦設(shè)計，采用礦柱法的礦柱尺寸參數(shù)為7m×7m，礦房寬度為6m，礦體平均厚度為5m，計算時采高分別采用6m、5m、4m進行計算。根據(jù)礦體賦存條件，礦體埋藏深度為400～700m，采用以上礦柱尺寸參數(shù)，計算得到不同采高以及不同采深下的安全系數(shù)，具體見表2。

表2 房柱法安全系數(shù)表

由表2可以看出，當(dāng)采高和礦柱寬度一定時，安全系數(shù)隨著開采深度的增加逐漸遞減。安全系數(shù)F>1時礦柱穩(wěn)定，F(xiàn)<1時礦柱不穩(wěn)定,安全系數(shù)越大越安全。在選取安全系數(shù)時，要考慮地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力分布、礦柱存在時間等因素影響。Bieniawski對美國174個采用房柱采礦法開采的礦山做了調(diào)查，其中大多數(shù)礦山采用安全系數(shù)為1.2～2.5，礦柱未發(fā)生破壞[4]。本次計算取安全系數(shù)1.2作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上結(jié)果，采用房柱法開采時，礦柱穩(wěn)定性系數(shù)達到1.2時，礦柱設(shè)計尺寸參數(shù)見表3。

表3 礦柱尺寸參數(shù)設(shè)計(安全系數(shù)=1.2)

一般而言，隨著埋深增加，若采高不變，只有增大礦柱寬度或減少礦房寬度才能保證礦柱的安全。

4 結(jié)論

房柱采礦法的主要構(gòu)成要素為礦房和礦柱，其尺寸的選取關(guān)系到開采的安全和礦石回收率?？茖W(xué)合理的確定礦房和礦柱的尺寸，可以保證開采時的安全和最低的礦石損失。

本文通過選取安全系數(shù)1.2為評價標(biāo)準(zhǔn)，對不同采高、不同開采深度的礦房、礦柱尺寸進行設(shè)計計算，可以更好地指導(dǎo)后續(xù)的采礦設(shè)計。