肋板式人工假底在石湖金礦的應(yīng)用

劉龍瓊 王征 周樂 宋士生 溫聳

摘要： 為維護(hù)巖體穩(wěn)定，為下分段頂柱回采創(chuàng)造作業(yè)條件，提高資源回采率，石湖金礦在平行中深孔分段充填采場采用高強(qiáng)度肋板式人工假底替代礦體構(gòu)筑底部結(jié)構(gòu)。通過理論分析，確定人工假底可行性，并提出肋板式人工假底構(gòu)筑方案?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：在每個采場底部構(gòu)筑人工假底，實現(xiàn)了礦體安全高效回采的目的，采礦損失率降低到3.52 %，礦石貧化率降低到5.36 %，采場不留底柱，平均每個礦塊可新增經(jīng)濟(jì)效益526萬元。

關(guān)鍵詞： 平行中深孔分段充填;肋板式;充填體;人工假底;底部結(jié)構(gòu)

??中圖分類號：TD853.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）09-0067-05 doi：10.11792/hj20210912

???引 言

中國黃金集團(tuán)石湖礦業(yè)有限公司（下稱“石湖金礦”）是一座具有采、選、冶綜合生產(chǎn)能力的國有礦山企業(yè)，1993年3月建成投產(chǎn)。目前，石湖金礦主要由101坑口、116坑口和石門坑口等組成，101坑口為主要生產(chǎn)坑口，石湖金礦現(xiàn)采選總生產(chǎn)規(guī)模為700 t/d，年處理礦石量18萬t，年產(chǎn)黃金550 kg。101坑口主采礦體賦存于構(gòu)造蝕變破碎帶中，礦巖界線明顯，礦體走向長約600 m，厚8～10 m，礦體走向約180°、傾角65°～73°，屬急傾斜中厚破碎礦體。礦體巖性為硅化巖，硬度高，靠近上盤的礦體夾雜部分綠泥石，該部分礦體不穩(wěn)固，極易塌方;上盤圍巖為石英閃長玢巖，硬度亦較高，較穩(wěn)固;下盤圍巖為片麻巖，硬度高，較穩(wěn)固。現(xiàn)針對101坑口急傾斜中厚破碎礦體主要采用平行中深孔分段充填采礦法回采[1]。

在原采礦方案常規(guī)開采過程中，為維護(hù)巖體穩(wěn)定，創(chuàng)造繼續(xù)回采作業(yè)條件，通常留部分頂?shù)字?，由于頂?shù)字话汶y以回收，因此造成資源嚴(yán)重浪費（頂?shù)字V量占20 %～30 %）。為提高資源回采率，石湖金礦在品位較高地段試驗應(yīng)用了肋板式人工假底技術(shù)，以充填體人工假底替代礦體構(gòu)筑底部結(jié)構(gòu)，減少了頂?shù)字V量的損失。

1 人工假底參數(shù)確定

1.1 強(qiáng) 度

國內(nèi)外代表性礦山人工假底承載層的材料及強(qiáng)度要求[2-3]見表1。

根據(jù)石湖金礦101坑口的實際，在配置主、副鋼筋及金屬網(wǎng)的情況下，設(shè)計3.0 MPa以上的充填體強(qiáng)度可滿足安全要求。依照全尾砂膠結(jié)充填體試塊強(qiáng)度試驗結(jié)果，最終確定以下充填參數(shù)：膠凝材料為膠固料，灰砂比1 ∶ 4，充填濃度68 %。

1.2 厚 度

根據(jù)俄羅斯Γ.Η.庫茲涅佐夫的研究結(jié)果[4]，作為人工頂板的充填額定強(qiáng)度可按下式計算：

σ=2.8 γnb2（1+K） 1 000δ?? （1）

式中：σ為人工假底額定強(qiáng)度（MPa）;γn為充填體體重（kN/m3）;b為回采進(jìn)路的寬度（m）;K為承載層上部分層載荷系數(shù)，一般取K=1.0～1.5;δ為承載層厚度（m）。

當(dāng)K分別為1.5，1.25，1.0時，σ值計算結(jié)果分別見表2、表3、表4。

在礦體厚度平均8 m的情況下，根據(jù)人工假底膠結(jié)充填體質(zhì)量指標(biāo)要求達(dá)到的3.0 MPa強(qiáng)度，對比表2～4可知，當(dāng)人工假底厚度為2.0 m時，其充填體額定強(qiáng)度為3.10～3.88 MPa，可以滿足人工假底的強(qiáng)度要求。

1.3 受力分析

人工假底承受的充填體載荷情況比較復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計算。本次研究采用3種計算方法，并進(jìn)行對比分析。

1）簡支梁簡化算法。人工假底下部礦體拉開后，人工假底的受力狀態(tài)主要由人工假底上部的充填體自重所決定。礦房內(nèi)的充填體在重力作用下有向下滑動的趨勢，由此而產(chǎn)生下滑力（F1）和摩擦力（f1），其合力（F1′）直接作用于人工假底上，在水平方向上，F(xiàn)1′產(chǎn)生的水平分力使人工假底有向上盤移動的趨勢，對人工假底作用不大，其垂直分力（G1′）是作用在人工假底上的主要影響力。同時，人工假底自重（G2）和G1′共同構(gòu)成了人工假底所受的合力。因此，通過受力分析，可以將人工假底問題簡化為受均布載荷的簡支梁問題，這樣一來便大大簡化了應(yīng)力計算工作。人工假底受力分析及力學(xué)模型簡化見圖1，力學(xué)計算見式（2）。

q= G2+G′ 1 S

G1′=G1sin α（sin α-μcos α）

G1=γ1Sh1

G2=γ2Sh2

（2）

式中：q為人工假底所受均布載荷（kN/m）;γ1、γ2分別為充填體體重、人工假底體重（kN/m3）;S為充填面積（m2）;h1、h2分別為充填體高度、人工假底高度（m）;μ為充填體與巖體間的摩擦系數(shù)，取0.3;G1、G2分別為充填體自重、人工假底自重（kN）;α為礦體傾角（°）。

經(jīng)計算：q=34 557.1 kN/m，即人工假底所受均布載荷為34 557.1 kN/m。

2）楊森（Jansson）計算法[5]。該方法是基于以下假設(shè)導(dǎo)出的：充滿松散充填體的空間內(nèi)，任意深度垂直壓力沿水平斷面呈均勻分布;充滿松散充填體中任意處的水平壓力與垂直壓力成正比;充填體不可壓縮。楊森導(dǎo)出的公式為：

q= γA 1- C0P A?? f0K1P × 1-exp 1- f0K1P A h??? （3）

式中：A為采場水平面積（m2）;C0為充填體與巖壁的內(nèi)聚力（N/m2）;f0為充填體與巖壁的摩擦系數(shù)，f0=tan φ0，φ0為充填體與巖壁的摩擦角（°）;γ為充填體體重（kN/m3）;K1為充填散體的水平側(cè)壓系數(shù);P為采場的水平周長（m）;h為充填體垂直高度（m）。

根據(jù)楊森計算法得出的壓力為均布壓力，沒有考慮傾斜周壁的情況，計算結(jié)果偏大，其中水平側(cè)壓系數(shù)可以采用朗肯系數(shù)KL=（1-sin φ）/（1+sin φ），φ為充填散體的內(nèi)摩擦角（°）。

經(jīng)計算：q=4 156.9 kN/m，即人工假底所受均布載荷為4 156.9 kN/m。

3）泰沙基（Karl Terzaghi）散體地壓理論計算法[6]。泰沙基散體地壓理論一般用于埋深不大的松散巖體地壓計算。該理論計算方法見圖2。分析微分體單元的平衡，導(dǎo)出的垂直應(yīng)力（σV）為：

σV= α1γ-C0 K0tan （1-e-K0tan ）+σqe-K0tan? ? （4）

式中： K0 為側(cè)壓力系數(shù);σq 為巖體上部所受應(yīng)力 （MPa）。

水平側(cè)壓系數(shù)仍按照朗肯系數(shù)計算，將已知數(shù)據(jù)代入式（4）可得充填人工假底所受均布載荷為 28 936.9 kN/m。

由于人工假底屬于簡支梁結(jié)構(gòu)，最大彎矩在采場寬度中間，因此可計算出其最大彎矩為：

M= qbj2 8?? （5）

式中：M為人工假底最大彎矩（kN·m）;bj為人工假底寬度（m）。

將已知數(shù)據(jù)代入式（5）可得人工假底所受最大彎矩。3種計算方法所得人工假底所承受的均布載荷、應(yīng)力和彎矩對比見表5。

為了保證安全，取3種計算方法中數(shù)值最大的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計算。

2 肋板式人工假底

2.1 布筋計算

由于試驗采礦方法最上一分段切頂在人工假底下方，采用下向中深孔作業(yè)時，人員和設(shè)備需要在人工假底下作業(yè)，為了提高作業(yè)安全度，人工假底采用高強(qiáng)度膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)，且要加配鋼筋網(wǎng)。配筋截面積可由受彎構(gòu)件強(qiáng)度計算公式求得：

Rwlhx=RgA主

kM=Rwlhx（h0- hx[]2 ）

h0=hj-s?? （6）

式中：Rw為人工假底彎曲抗壓強(qiáng)度（MPa）;l為人工假底單位長度，取l=1 m為計算單元;hx為人工假底受壓區(qū)計算高度（m）;Rg為鋼筋屈服強(qiáng)度，340 MPa;A主為主筋截面積（cm2）;k為人工假底強(qiáng)度設(shè)計安全系數(shù)，取1.2;h0為人工假底截面有效高度（m）;hj為人工假底截面高度（m）;s為縱向受拉鋼筋合力點到截面近邊的距離（m）。

經(jīng)計算：A主=1.34 cm2。

因此，鋼筋直徑不能小于13 mm，故最終選用14 mm鋼筋作為主筋。

2.2 構(gòu)筑工藝

石湖金礦采用肋板式人工假底結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工假底構(gòu)筑，其中“肋”指的是人工假底中間隔一定距離澆筑的嵌入礦體上下盤圍巖內(nèi)的長條狀充填體（見圖3），“板”指的是鋼筋網(wǎng)與高濃度充填體共同澆筑的高強(qiáng)度充填塊體。該肋板式人工假底利用高強(qiáng)度充填假底的立體結(jié)構(gòu)和加固機(jī)理，形成整體性好、剛度較大的柔性結(jié)構(gòu)層，在上下盤巖體內(nèi)設(shè)置楔形加固區(qū)，采用模量漸變原理，實現(xiàn)剛性肋條式楔形加固段和柔性鋼筋網(wǎng)骨架的平穩(wěn)過渡，使高強(qiáng)度充填體人工假底與上下盤圍巖形成一個整體。

1）預(yù)留碎礦墊層和鋪設(shè)塑料薄膜。拉底層全部拉開后進(jìn)行人工平場，將拉底層殘留礦石扒平，使底板縱橫向平整，底板留有厚200～300 mm的碎礦墊層，在碎礦墊層上鋪蓋一層塑料薄膜。

碎礦墊層可保證下分層回采炮孔與人工假頂間距離，對爆破沖擊波有良好的吸收、減弱作用，減少鑿巖及爆破對人工假頂?shù)钠茐?，也防止了人工假頂冒落造成礦石貧化。鋪設(shè)的塑料薄膜可防止人工假底充填時將碎礦膠結(jié)，避免礦石損失，而且使下分層回采假頂平整、光滑、密實，不需再處理頂板，簡化了工藝。

2） 鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。在塑料薄膜上放置木塊或碎石，然后再鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，使鋼筋網(wǎng)被架高30～50 mm， 從而使鋼筋網(wǎng)可以完全被充填料漿包裹，增加整體強(qiáng)度。鋼筋網(wǎng)中主筋為14 mm螺紋鋼，網(wǎng)度為1 000 mm×1 500 mm （橫向×縱向）;副筋為6.5 mm螺紋鋼，網(wǎng)度為500 mm×300 mm（橫向×縱向）;橫筋在下、縱筋在上，縱橫筋相交處用24#鐵絲纏繞加固或焊接。在寬8 m拉底層的底板上，均勻鋪設(shè)8根縱向主筋，中央主筋位于拉底層中線，左右主筋距上下盤圍巖距離均為0.5 m，鋼筋網(wǎng)布置結(jié)構(gòu)見圖3。側(cè)幫為上下盤圍巖，在距底板高0.2～0.3 m的上下盤圍巖中鑿下傾斜孔并鑲?cè)雸A鋼，孔距1.5 m、孔深1.0 m，圓鋼直徑為38 mm、長度1.5 m，圓鋼需與鋼筋網(wǎng)中橫向主筋焊接，焊接長度為150～200 mm。

3）高濃度充填人工假底。采用高配比充填料漿制作充填人工假底，充填體28 d強(qiáng)度3.0 MPa以上，人工假底充填高度2.0 m。采場充填盡量一次性澆筑完成，若分兩段進(jìn)行澆筑，則充填間隔時間應(yīng)小于6 h，避免人工假底充填體內(nèi)出現(xiàn)分層弱面。

4）充填養(yǎng)護(hù)。由于人工假底澆筑后，需要進(jìn)行中深孔落礦，所以人工假底需要有28 d養(yǎng)護(hù)期，當(dāng)28 d充填體強(qiáng)度達(dá)到3.0 MPa后方可進(jìn)行中深孔落礦，以保證人工假底不被破壞。

3 應(yīng)用及效果

現(xiàn)場人工假底內(nèi)筋網(wǎng)鋪設(shè)及充填后效果見圖4、圖5。

通過在每個采場底部構(gòu)筑人工假底，下一中段礦塊回采時，可以不留設(shè)頂柱，在上一中段高強(qiáng)度人工假底的保護(hù)下，實現(xiàn)安全高效回采。通過統(tǒng)計分析，人工假底的應(yīng)用，使采礦損失率降低到3.52 %，礦石貧化率降低到5.36 %。經(jīng)計算，采場不留底柱，平均每個礦塊可新增經(jīng)濟(jì)效益526萬元。

4 結(jié) 語

通過在石湖金礦急傾斜中厚破碎礦體中應(yīng)用肋板式人工假底，利用高強(qiáng)度充填假底的立體結(jié)構(gòu)和加固機(jī)理，形成整體性好、剛度較大的柔性結(jié)構(gòu)層，在上下盤巖體內(nèi)設(shè)置楔形加固區(qū)，采用模量漸變原理，實現(xiàn)剛性肋條式楔形加固段和柔性鋼筋網(wǎng)骨架的平穩(wěn)過渡，使高強(qiáng)度人工假底與上下盤圍巖形成一個整體，大大提高了人工假底的穩(wěn)定性及安全性。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Application of rib plate artificial false bottom in Shihu Gold Mine

Liu Longqiong1，Wang Zheng2，Zhou Le1，Song Shisheng1，Wen Song3

（ 1.Changchun Gold Research Institute Co. ，Ltd.  ; ?2.Hebei Zhongjin Gold Co. ，Ltd.? ;

3.Shihu Mining Co. ，Ltd. ，China National Gold Group Co. ，Ltd. ）

Abstract： In order to maintain the stability of rock mass，create working conditions for sublevel top pillar extraction，and improve the recovery rate of resources，Shihu Gold Mine adopted high-strength rib plate artificial false bottom to substitute the orebodies to construct bottom structures in the parallel medium-long hole sublevel filling stope.Through theoretical analysis，the paper determined the feasibility of artificial false bottom，and put forward the construction scheme of rib plate artificial false bottom construction.The field application shows that artificial false bottom construction at the bottom of each stope meets the goal to safely and efficiently mine the orebodies，lowers the mining loss rate to 3.52 % and the ore dilution rate to 5.36 %.Without sill pillars，each ore block can create 5.26 million yuan more profits on average.

Keywords：? parallel medium-long hole sublevel filling;rib plate;filling body;artificial false bottom;bottom structure