礦柱回采技術(shù)研究在貓場礦區(qū)開展工業(yè)試驗后的再探索

陳世明，劉建龍

(中國鋁業(yè)貴州分公司， 貴州 貴陽 550014)

當前，淺部鋁土礦資源逐漸枯竭，鋁土礦已由露天開采逐漸轉(zhuǎn)入地下開采。因礦體賦存特征和其經(jīng)濟價值，鋁土礦多采用空場法進行開采，采場內(nèi)需留設(shè)大量礦柱用于支撐頂板，造成了資源浪費與損失。所以，對原始礦柱的開采需考慮礦山的生產(chǎn)經(jīng)濟效益，更需要考慮開采的安全問題。常見的空場法采區(qū)礦柱回采主要有抽柱法、削柱法、置換法，其中，人工礦柱置換法因其成本低、安全性好而被廣泛應(yīng)用。

1 礦山概況及開采技術(shù)條件

貓場礦區(qū)隸屬于中國鋁業(yè)貴州分公司，位于貴陽清鎮(zhèn)市犁倭鎮(zhèn)境內(nèi)，是貴州華錦鋁業(yè)公司最重要的鋁土礦礦石原料供應(yīng)基地。礦區(qū)為特大型沉積型鋁土礦床，含礦巖系為下石炭統(tǒng)大塘組（C1d）；厚度受其下伏地層古喀斯特侵蝕程度制約，凹處厚度大，凸處厚度小，約為0.30m～25.09m，由黏土巖、硫鐵礦、鋁土礦及鋁土巖等組成，具有工業(yè)價值的鋁土礦礦體產(chǎn)于含鋁巖系中。

礦床間接頂?shù)装逵商妓猁}巖組成，直接頂?shù)装逵绅ね翈r類組成，厚為0.27m～25.09m，平均為9.81m，其中直接頂板厚為0～15.62m，平均為1.77m；直接底板厚為0～112.97m，平均為3.22m；礦體直接頂?shù)装錜QD平均為12.50%，屬軟質(zhì)巖石塊狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體。

礦床間接頂板擺佐組(C1b)大部分為堅硬巖石，屬塊狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定巖體。礦床間接底板婁山關(guān)群（?2-3ls）巖溶發(fā)育相對較弱，裂隙多呈閉合性，巖體較完整，除主要斷裂帶及其影響帶之外，為堅硬巖石塊狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定巖體。

對于鋁土礦層，土狀鋁土礦屬軟質(zhì)巖石塊狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體，致密狀鋁土礦屬硬質(zhì)巖石、塊狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定巖體，總體屬硬質(zhì)巖石與軟質(zhì)巖石互層的層狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體。

礦區(qū)自2016年6月投產(chǎn)以來，主要采用留礦壁護頂房柱法開采，采場內(nèi)留設(shè)大量礦柱用于支撐頂板，造成資源損失，因此需開展礦柱回采技術(shù)研究?，F(xiàn)場開展的混凝土礦柱置換礦石礦柱工業(yè)試驗要達到以下要求：①合理安排礦柱位置，選擇合理的人工礦柱位置及參數(shù)設(shè)計；②設(shè)計人工混凝土礦柱結(jié)構(gòu)，選用合理的參數(shù)和施工工藝，確?；夭蓵r的穩(wěn)定與安全；③發(fā)現(xiàn)人工點柱缺陷與問題，提出相應(yīng)解決辦法及今后的研究方向。

2 礦柱回采現(xiàn)場工業(yè)試驗

2.1 試驗采場概況

試驗采場位于南部1160m中段南西巷與1180m中段之間，礦體平均厚度為3.64m，礦體平均傾角為7°，直接頂板厚度約為1.2m。

2.2 試驗采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

工業(yè)試驗采場沿走向布置，礦房走向?qū)挾燃s為55m，傾向長度約為56m，礦房高度為礦體的平均厚度為3.64m，采場頂?shù)字綄挾葹?5m，置換礦柱選用混凝土礦柱，強度為C20，混凝土礦柱尺寸為4m×4m，混凝土礦柱邊對邊間距為6m，混凝土礦柱高度為礦體厚度約為3.0m（考慮護頂?shù)V壁厚度0.6m），采準切割工程布置如圖1所示。

圖1 采準切割工程布置/m

2.3 混凝土人工礦柱施工工藝

混凝土人工礦柱施工工藝步驟如下：

第1步：施工混凝土人工礦柱槽。

第2步：底板處理（先清理底板上的礦巖碎石并整平，錨桿端部要打入底板穩(wěn)固巖體不小于0.5m，錨桿網(wǎng)度為1m×1m，錨桿直徑大于Φ20mm）。

第3步：立模（混凝土人工礦柱有3面為礦體邊界，只需立一面金屬模板即可）。

第4步：澆筑混凝土人工礦柱（混凝土礦柱分兩次澆筑，每次澆筑厚度不宜超過1.5m，每澆筑30 cm～50 cm時使用振動棒震動，2次澆筑間隔時間應(yīng)控制在3d～5d左右，混凝土金屬模板在3d后拆除。為增加抗剪強度，1m3混凝土添加30 kg鋼纖維）。

第5步：接頂處理（澆筑混凝土人工礦柱與礦體頂板接近時，采用噴射混凝土方法進行接頂）。

2.4 礦房回采工藝

試驗采場礦體采用沿礦體傾向由上而下后退式回采，回采工藝為常規(guī)的采礦工藝，包括鑿巖、爆破、通風、頂板處理、出礦。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟指標

現(xiàn)場工業(yè)試驗采場效果統(tǒng)計所得技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。工業(yè)試驗結(jié)果表明，礦柱回采工業(yè)試驗采場礦石回采率達到80.16%。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比

3 施工中存在的問題及解決措施

通過開展混凝土人工礦柱置換礦石礦柱工業(yè)試驗，現(xiàn)場存在如下問題：

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗過程中混凝土礦柱接頂采用噴射混凝土進行接頂，接頂密實度不夠，導致回采過程中，存在個別混凝土人工礦柱未完全接頂，存在安全風險。

（2）工業(yè)試驗采場共澆筑混凝土947.08m3，每次澆筑高度不超過1.5m，每次澆筑間隔時間應(yīng)控制在3d～5d，現(xiàn)場運輸澆筑混凝土各類材料難度大，澆筑效率低。

（3）工業(yè)試驗采場共澆筑混凝土947.08m3，單價為670 元/m3，總價為63.5 萬元，置換成本高。

（4）底板處理過程中未對底板進行整平處理，澆筑后混凝土人工礦柱位于一斜面上，削弱了混凝土人工礦柱的穩(wěn)定性。

3.1 提高人工點柱穩(wěn)定性的措施

貓場礦區(qū)采場底板為緩傾斜，為保證人工混凝土柱的穩(wěn)定性，澆注前需對混凝土柱底板進行處理。在設(shè)計澆筑混凝土柱的位置，先對底板進行整平處理，后在底板上安裝錨桿，錨桿長1m，其中錨入底板長0.5m，外露0.5m。底板處理完成后，進行模板架立，混凝土澆筑。

混凝土礦柱澆筑到距離頂板2.5m時安裝人工礦柱頂板錨桿，頂板安裝錨桿8根，錨桿長2m，其中錨入頂板長1m，錨入混凝土礦柱內(nèi)1m，按三角形布置，詳見圖2。

圖2 頂?shù)装邋^桿布置/m

另外，也可以借鑒我國木質(zhì)古建筑常用的結(jié)構(gòu)，設(shè)計卯榫式點柱。

（1）底座結(jié)構(gòu)。針對人工點柱易傾覆問題，處理底板時，在底板上留設(shè)方形凸起，其余點柱范圍內(nèi)底板做平整處理，形成卯榫結(jié)構(gòu)中的隼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。利用混凝土澆筑完成后卯榫結(jié)構(gòu)的咬合力，增加點柱抗傾覆性。

（2）柱體結(jié)構(gòu)。在無礦體一側(cè)架立模板，內(nèi)部空間澆筑混凝土形成人工混凝土柱體，采用膨脹混凝土材料補償收縮混凝土，以保證柱體密實無空隙。

（3）接頂結(jié)構(gòu)。針對常規(guī)人工柱體接頂不密實的問題，處理頂板時，在頂板上預(yù)留方形凸起，其余點柱范圍內(nèi)頂板做平整處理，如圖3所示。澆筑時從下至上泵送混凝土，在模板最高點處留設(shè)小型觀察窗口，澆筑補償收縮混凝土，以保證柱體接頂密實，頂端四周依靠卯榫咬合力達到抗傾覆作用。

圖3 卯榫式點柱

3.2 提高混凝土人工礦柱接頂密實度的措施

因礦體傾角較小和頂板的不平整性，為了實現(xiàn)充分接頂，在混凝土中添加8%～10%的膨脹材料，減小充填體中的空隙，降低充填體收縮率。采用注漿泵高壓泵入接頂層。為了防止接頂過程中的模板跑漿，可在模板內(nèi)部鋪設(shè)土工布或廢舊麻袋。在接頂過程中，根據(jù)需要可在充填材料中加入速凝劑等添加劑，提高接頂層的初凝強度。接頂層澆注完成形成強度后，根據(jù)接頂情況，在頂板與混凝土人工礦柱空隙中楔入木樁，支撐頂板。

3.3 選取水壓支柱代替混凝土人工礦柱

水壓支柱作為井下采場采礦、礦柱及殘礦體回采臨時性支護設(shè)施，廣泛應(yīng)用于有色金屬、貴金屬礦山系統(tǒng)。多根水壓支柱形成的集束水壓支柱由點支護擴展成為體支護，可達到人工混凝土柱的效果，水壓支柱結(jié)構(gòu)見圖4。且集束水壓支柱相對于人工混凝土柱而言，其工藝簡單，勞動效率高，成本低。

圖4 水壓支柱

3.4 提高澆筑效率的措施

澆筑效率低，主要體現(xiàn)在立模和澆筑混凝土上。可探索快速拆裝式模具，使立模工藝簡單化，并通過循環(huán)利用，大幅降低立模成本。后續(xù)開展充填技術(shù)工業(yè)化推廣應(yīng)用，特別是對于高品位礦石區(qū)域，改為采用充填采礦法開采，從根本上解決房柱法開采點柱和頂?shù)字粼O(shè)導致的資源損失問題。同時，通過技術(shù)創(chuàng)新和自動化充填系統(tǒng)的研究與建設(shè)，進一步提高充填效率和質(zhì)量。

3.5 開展礦區(qū)采空區(qū)點柱調(diào)查及回采技術(shù)研究

貓場礦區(qū)一直采用房柱法回采工藝，空區(qū)內(nèi)留有大量點柱，為回采貓場礦區(qū)房柱法開采遺留的大量高品位點柱，達到國家規(guī)定的資源開采要求，根據(jù)貓場礦區(qū)現(xiàn)有點柱的特點，有針對性的對點柱資源進行回采，方案制定過程中，遵循安全、高效、回采率高、短時的原則，達到快充、快采、快出的要求，充分回采礦產(chǎn)資源。

4 結(jié)語

（1）以貓場礦區(qū)為試驗采場開展混凝土礦柱替代原生礦石礦柱的工業(yè)試驗，結(jié)果表明，采用人工點柱回采方法的采場礦石損失率為19.84%，與空場法采場相比降低了16.29個百分點，貧化率為2.79%，相比空場法減少了1.05個百分點。（2）針對人工點柱施工過程中出現(xiàn)的問題，提出頂?shù)装?、卯榫式點柱、水壓支柱以及新型組合式模板等處理措施，為類似工程提供經(jīng)驗，并為今后的研究提供思路與方向。