某金礦淺孔留礦法采場頂柱回收工藝研究

徐大智，丁福龍，孫德輝

(中核北方鈾業(yè)有限公司，遼寧 葫蘆島 125000)

黃金是一種重要戰(zhàn)略儲備物資，隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，黃金在宇宙航行、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)和其他工業(yè)部門，日益發(fā)揮著重要作用[1]。黃金是一種不可再生資源，礦山在生產(chǎn)過程中，需盡可能降低開采損失率，提高資源回收率。

某金礦采用淺孔留礦法開采，并在開采過程中對該采礦方法進(jìn)行了改進(jìn)，將采場有底柱漏斗出礦改為無底柱巷道出礦，減少了采場底柱資源損失；但礦房留有頂柱作為保安礦柱，沒有對其回收，頂柱的礦石量為礦房總量的10%。針對該礦采場頂柱的實(shí)際情況，研究淺孔留礦法頂柱回收工藝，可進(jìn)一步回收黃金資源，同時(shí)能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。為此，根據(jù)該礦采場地質(zhì)特征、開采現(xiàn)狀和采場頂柱作用，通過對采場頂柱穩(wěn)定性、爆破產(chǎn)生地震波和采場礦體及圍巖構(gòu)造分析，研究采用人工砼頂柱置換礦石頂柱，以期在保證采場安全作業(yè)前提下，解決采場頂柱礦石回收問題。

1 工程背景

1.1 礦山采場概況

某金礦主要使用淺孔留礦法采礦，如圖1所示。采用脈內(nèi)采準(zhǔn)方法，采場沿礦體走向布置，長50 m，寬1.2～2.0 m(礦體厚度)，高50 m(中段高度)。在采場兩翼各布置1個(gè)行人通風(fēng)天井，天井沿礦體傾角向上掘進(jìn)到上中段，形成采場回風(fēng)；在采場頂、底部分別留有頂、底礦柱，底柱高7 m，頂柱高4～6 m[3]123-124。

圖1 淺孔留礦法采礦示意圖Fig. 1 Schematic diagram of shallow hole shrinkage method

該礦在生產(chǎn)過程中對采礦方法進(jìn)行了改進(jìn)，改為脈外脈內(nèi)聯(lián)合采準(zhǔn)，改有底柱漏斗結(jié)構(gòu)為無底柱結(jié)構(gòu)，即在脈外運(yùn)輸平巷中按間距6.3 m掘進(jìn)出礦巷道與脈內(nèi)平巷貫通，形成采場出礦通道，把脈內(nèi)平巷變?yōu)椴蓤隼浊懈钕锏?。通過改進(jìn)采礦方法，減少了因底部結(jié)構(gòu)礦柱帶來的資源損失，但頂柱的回收問題還未得到解決。

1.2 試驗(yàn)礦體地質(zhì)及開采技術(shù)條件[3]61-74

試驗(yàn)礦體賦存于7號礦體1 130 m中段82～92線之間，礦體連續(xù)性好，為石英脈型礦體，圍巖為石炭紀(jì)閃長巖，致密堅(jiān)硬。礦塊沿礦體走向長50 m，據(jù)1 130 m中段沿脈工程揭露，礦體總體走向264°，最大傾向174°，平均傾角59°。礦石結(jié)構(gòu)以粒狀為主，構(gòu)造以細(xì)脈狀為主，礦石類型為石英脈型礦體。礦石呈灰白色，少量呈乳白色，石英總含量達(dá)90%以上，礦化主要為黃鐵礦化。礦體上下盤直接圍巖主要是厚為0.2～1.0 m的蝕變花崗巖，不穩(wěn)定，不利于回采作業(yè)。

礦床水文地質(zhì)條件簡單，是以孔隙、裂隙充水為主的礦床，屬于第一類型。地表水體距礦床較遠(yuǎn)，與地下水水力聯(lián)系較弱，對充水無明顯影響。該礦塊水文地質(zhì)條件簡單，以裂隙水為主，水文地質(zhì)條件有利于回采。

2 影響采場頂柱回收安全的因素

影響采場頂柱回收安全的因素主要來源于采場回采礦房中礦巖和回采后充填料對頂柱穩(wěn)定性形成的壓力、采場爆破振動(dòng)破壞，以及圍巖穩(wěn)定性等。

2.1 采場頂柱穩(wěn)定性對人工砼頂柱的影響

2.1.1 松散巖體產(chǎn)生的壓應(yīng)力

采場回采過程中，隨分層開采的上升，保留在采場內(nèi)的礦巖量不斷疊加，或充填過程中充填料在礦房內(nèi)不斷堆積，使得礦巖量對頂柱的作用力不斷增加或上中段充填料重力對頂柱產(chǎn)生的壓應(yīng)力增加。由于采場有一定傾斜角度，加之礦房空間寬度所限和上下盤圍巖的夾持作用，當(dāng)回采達(dá)到一定高度時(shí)，其對頂柱產(chǎn)生的應(yīng)力作用維持在一定范圍內(nèi)，不會無限疊加。該應(yīng)力與礦房傾角成正比，礦房傾角越大，對頂柱的作用力越大。

根據(jù)以上對礦房中壓應(yīng)力的形成分析，在沒有外力作用、也不考慮礦房兩壁的摩擦力時(shí)，壓應(yīng)力計(jì)算公式為[4]179-180

σ壓=F壓/A

式中：σ壓—壓應(yīng)力，kPa；F壓—單位長度礦巖的荷載，kN；A—礦房底面積，m2。其中，F(xiàn)壓=H×K×L×R×g×sinα，式中H—礦房高度，m；K—礦房寬度，m；L—礦房長度，m；R—松散礦巖體密度，t/m3；g—重力常數(shù)，9.8 N/g；α—礦房傾角。

按礦倉最大荷載計(jì)算，即人工砼柱上部存在50 m高廢石或充填料，取松散礦巖體密度為1.6 t/m3，在礦房傾角為59°時(shí)，計(jì)算得到壓應(yīng)力為672 kPa。在礦房參數(shù)一定的前提下，不同傾角采場礦巖產(chǎn)生的壓應(yīng)力如圖2所示。

圖2 不同傾角下采場礦柱壓應(yīng)力分布Fig. 2 Distribution of pillar compressive stress under different dip angles

2.1.2 松散巖體產(chǎn)生的拉應(yīng)力

當(dāng)采場回采到采場頂部，與礦柱揭露，人工砼頂柱暴露出來后，上中段采場堆積的充填料的靜壓力對人工頂柱產(chǎn)生應(yīng)力分布，形成拉應(yīng)力。拉應(yīng)力主要作用于人工砼頂柱上，使人工砼頂柱產(chǎn)生彎曲變形。當(dāng)拉應(yīng)力大于人工砼頂柱抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會導(dǎo)致人工砼頂柱遭到破壞。

2.1.3 松散巖體產(chǎn)生的動(dòng)壓力

松散巖體產(chǎn)生的動(dòng)壓力主要由礦房爆破落礦產(chǎn)生的沖擊波以及充填階段充填料對礦柱的沖擊力而產(chǎn)生。這2種動(dòng)壓力中，礦房初始開采爆破落礦產(chǎn)生的沖擊波對礦柱的影響較大；但隨著礦房開采高度不斷上升或采空區(qū)充填料不斷堆積，其沖擊力被堆積物中的空隙消耗，影響程度不斷降低。

在礦房初始落礦或初始充填時(shí)，壓應(yīng)力和動(dòng)壓力是疊加的；但前期積存在采場內(nèi)的礦巖量較少，其壓應(yīng)力較小。

2.2 采場爆破振動(dòng)對人工砼頂柱的影響

采場在爆破落礦過程中，通過炸藥起爆產(chǎn)生的能量，在使炮孔周圍巖石破碎的同時(shí)，會產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，使巖石產(chǎn)生裂縫破壞。爆破產(chǎn)生的一部分能量以波的形式，傳播到采場周邊，引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，形成爆破地震波，影響波及采場圍巖和構(gòu)筑物。起爆點(diǎn)與構(gòu)筑物應(yīng)達(dá)到一定的安全距離，以減小爆破振動(dòng)使構(gòu)筑物受到的影響[5-7]。地下淺孔爆破頻率(f)在60～300 Hz。

根據(jù)采場原生條件，按公式R=(K/V)1/α·Q1/3[8]43計(jì)算爆破振動(dòng)安全允許距離。保護(hù)對象為砼、f>50 Hz時(shí)，安全允許質(zhì)點(diǎn)(砼)振動(dòng)速度(V)為10～12 cm/s，取10 cm/s。對中硬巖石，與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)K和衰減指數(shù)α，分別為150～250和1.5～1.8，計(jì)算中K取250，α取1.5。根據(jù)采場單體設(shè)計(jì)，單段最大起爆炸藥質(zhì)量(Q)為13.77 kg。根據(jù)公式計(jì)算得到爆破振動(dòng)安全允許距離(R)應(yīng)大于0.21 m。

淺孔留礦法采場控頂作業(yè)高度為2.0～2.5 m，按最低高度點(diǎn)計(jì)算，爆破點(diǎn)至砼構(gòu)筑物最近距離為1.5 m，遠(yuǎn)大于計(jì)算的爆破點(diǎn)到構(gòu)筑物的安全允許距離，爆破對人工砼礦柱基本沒有影響。

2.3 采場圍巖穩(wěn)定性對人工砼頂柱的影響

礦體、圍巖的穩(wěn)定性，與礦體、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。該采場礦體巖性為石英脈型，圍巖以石炭紀(jì)蝕變閃長巖和二疊紀(jì)似斑狀花崗巖為主，礦石與圍巖硬度系數(shù)為8～10，較為穩(wěn)固。但在礦體與上下盤圍巖之間，有0.2～1.0 m厚度不等的蝕變花崗巖或蝕變閃長巖，不太穩(wěn)定；蝕變巖金品位為0.5～1.5 g/t，在采場回采過程中，蝕變巖會被回采下來。

圍巖穩(wěn)定性好，加之礦體為脈狀型，采場寬度小，在上下盤的夾持作用下，圍巖有利于構(gòu)筑物的穩(wěn)定。

3 頂柱回收方案

根據(jù)礦山使用的淺孔留礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采場頂柱是分隔上下中段采場，保證下中段采場安全開采留下的保安礦柱。頂柱需要承載采場礦巖或充填料對礦柱產(chǎn)生的應(yīng)力和開采中的爆破震動(dòng)，保證采場能夠安全正常地開采。必須在保證回采安全的前提下，才能進(jìn)行采場頂柱回收。

3.1 人工砼頂柱設(shè)計(jì)

根據(jù)對采場內(nèi)礦巖產(chǎn)生的壓應(yīng)力、采場開采爆破地震波對構(gòu)筑物的安全允許距離計(jì)算，以及對礦體、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等分析，用人工砼頂柱替代采場頂柱，可實(shí)現(xiàn)該礦采場頂柱資源回收。人工砼頂柱的建設(shè)是在中段采場底部進(jìn)行的。

3.2 人工砼頂柱結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果與分析，人工砼頂柱結(jié)構(gòu)參數(shù)必須滿足大于采場內(nèi)礦巖產(chǎn)生的壓應(yīng)力(672 kN)，爆破點(diǎn)到砼構(gòu)筑物的安全允許距必須在0.21 m以上。

人工砼頂柱，采用C20砼礦柱結(jié)構(gòu)，C20砼抗壓強(qiáng)度為20 MPa，約為礦房中礦巖產(chǎn)生的壓應(yīng)力強(qiáng)度的29倍。為了增強(qiáng)砼礦柱的抗拉強(qiáng)度，在砼中配置HRB335螺紋鋼筋，主筋φ10，輔筋φ6，網(wǎng)度200 mm×200 mm；并在砼結(jié)構(gòu)部位的采場兩壁對稱打入楔形錨桿，用錨固劑進(jìn)行錨固，兩壁錨桿與配置鋼筋焊接成一體。為了進(jìn)一步加強(qiáng)砼礦柱抗拉和穩(wěn)定性，在砼礦柱上每隔6.3 m設(shè)計(jì)1個(gè)斷面300 mm×300 mm鋼筋砼加強(qiáng)柱，加強(qiáng)柱鋼筋φ14 mm[9-11]。人工砼頂柱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人工砼頂柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of artificial concrete pillar

3.3 人工砼頂柱施工

在采場切割拉底掘進(jìn)時(shí)，向下超挖0.25 m，長、寬與采場相同，作為人工礦柱施工基坑。根據(jù)設(shè)計(jì)在礦房上下盤兩壁打好錨桿孔，安裝φ14螺紋鋼楔形錨桿，并用錨固劑固定，錨桿長度1.2 m以上，排距800～1 000 mm。清理基坑后，在基坑中鋪設(shè)M10水泥砂漿墊層，待砂漿凝固(48 h)后，鋪設(shè)、綁扎鋼筋和澆注砼(加強(qiáng)柱同時(shí)綁扎鋼筋和澆注砼)，砼養(yǎng)護(hù)28 d。

3.4 采場頂部礦石回采

回采采場上部礦石時(shí)，需要考慮保護(hù)人工砼礦柱。采場聯(lián)絡(luò)道每4 m為1個(gè)分層高度，當(dāng)回采到最上一層聯(lián)絡(luò)道時(shí)，改淺孔落礦為深孔落礦，將5 m高的礦石一次性爆破落礦。采用YGZ-90鑿巖機(jī)鑿巖打孔，炮孔直徑60 mm，網(wǎng)度900 mm×900 mm，深度4 500 mm，從采場中部掏槽向兩端鑿巖，分段爆破。為了確保回采安全，保證人工砼礦柱的完整性不受破壞，鑿巖時(shí)炮孔眼底與人工砼頂柱應(yīng)至少保持500 mm距離，以減輕爆破震動(dòng)對人工砼頂柱的影響，并采用毫秒延時(shí)爆破方式，一次將頂柱礦石落下[12-14]。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 安全技術(shù)可行性分析

從施工技術(shù)方面分析，人工砼頂柱替代原生礦巖柱，主要取決于砼頂柱的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。人工砼頂柱要承受采場內(nèi)礦巖產(chǎn)生的壓力而不受破壞，其強(qiáng)度必須大于礦巖疊加產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。為了增加其抗拉能力，在人工礦柱中設(shè)計(jì)了加強(qiáng)柱和兩壁錨桿。C20砼的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于礦巖疊加產(chǎn)生的壓應(yīng)力；人工鋼筋砼礦柱，采用的HRB335螺紋鋼筋的抗拉強(qiáng)度達(dá)445 MPa，而采場內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力均為672 kPa，人工鋼筋砼的抗拉強(qiáng)度可滿足抗拉要求。

從安全技術(shù)方面分析，按照采場爆破參數(shù)，計(jì)算得出爆破點(diǎn)到砼構(gòu)筑物的振動(dòng)安全允許距離應(yīng)在0.21 m以上，其實(shí)際距離遠(yuǎn)大于振動(dòng)安全允許距離。因此，爆破產(chǎn)生的地震波破壞程度有限。但第一分層回采爆破的礦巖直接砸在砼構(gòu)筑物上，為避免對砼構(gòu)筑物造成破壞，在爆破前可在其上覆蓋0.5 m厚的充填物進(jìn)行保護(hù)。

4.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

按照采場頂柱長44 m、礦體寬0.89 m、頂柱高5 m計(jì)算，采場頂柱地質(zhì)礦量573 t，地質(zhì)品位4.14 g/t，金屬量2 372 g。按礦山開采貧化率15%、損失率5%計(jì)算，可采出礦量641 t，品位3.52 g/t，金屬量2 256 g。

目前該礦單位采礦成本為329元/t，噸礦石選冶加工單位成本為275元/t，因此采冶單位成本合計(jì)604元/t。人工鋼筋砼礦柱頂柱成本約7萬元，回收總成本約為45.71萬元。

礦柱回收效益取決于礦石品位的高低；同時(shí)與人工礦柱建造成本、礦柱礦石回收成本、采礦貧化率、選冶回收率、市場金價(jià)密切相關(guān)。以采冶回收率85%計(jì)算，該采場頂柱可回收金屬1 917 g，銷售收入72.84萬元；扣除采冶成本和礦柱建造成本45.71萬元，利潤達(dá)21.13萬元，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對某金礦淺孔留礦法采場頂柱回收的可行性分析表明，采用人工砼礦柱替代原有礦柱，能在安全的前提下順利回收礦柱，并獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

在頂柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鋼筋砼的抗拉問題，有待進(jìn)一步研究，以優(yōu)化確定加強(qiáng)柱的間距范圍，并通過抗拔試驗(yàn)獲得兩壁錨桿的錨固力。