清水江磷礦礦柱置換設(shè)計(jì)方法與計(jì)算

張長(zhǎng)江

摘??要：根據(jù)清水江礦既有采礦方法基礎(chǔ)上，對(duì)保安礦柱進(jìn)行了置換，利用充填法對(duì)保安礦柱進(jìn)行置換，先回采保安礦柱，再進(jìn)行充填，完成保安礦柱置換，然后再大面積進(jìn)行礦體回采，并根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)清水江礦礦房寬度進(jìn)行了計(jì)算，考慮了巖石的彎曲、剪切等一系列力學(xué)條件，對(duì)開陽(yáng)縣及周邊礦區(qū)礦柱置換具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：清水江磷礦???礦柱置換???礦房??設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TP30

Design?Methods?and?Calculation?of?the?Pillar?Replacement?of?the?Qingshui?River?Phosphate?Mine

ZHANG?Changjiang

Guizhou?Starry?Sky?Design?Co.，?Ltd.，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550002?China

Abstract：?Based?on?the?existing?mining?method?in?the?Qingshui?River?mine，??its?security?pillars?are?replaced.?The?filling?method?is?used?to?replace?security?pillars.??Security?pillars?are?first?mined?and?then?are?filled?to?complete?their?replacement，?and?then?a?large?area?of?the?mine?body?is?mined.?According?to?the?geological?report?and?the?mechanical?parameters?of?on-site?rock，?the?mine?room?width?of?the?Qingshui?River?mine?is?calculated，?and?a?series?of?mechanical?conditions?such?as?the?bending?and?shear?of?rock?are?considered，?which?has?reference?significance?for?the?replacement?of?mine?pillars?in?Kaiyang?County?and?its?neighbouring?mine?areas.

Key?Words：?Qingshui?River?phosphate?mine;?Pillar?replacement;?Mining?room;?Design?method

1??引言

在貴州省開陽(yáng)及甕安周邊礦區(qū)主要采用房柱法采礦，但容易造成沖擊地壓，導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失[1]。本文采用了新的礦柱留設(shè)和置換方法，回采率達(dá)到99%以上。

1.1??工程概況

開陽(yáng)廣隆礦業(yè)有限公司開陽(yáng)縣花梨鄉(xiāng)清水江磷礦于2022年1月開始進(jìn)行礦山改建的地面及井下工程建設(shè)，至2022年4月底，已基本建設(shè)完成，進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2??原設(shè)計(jì)采礦方法及保安礦柱設(shè)計(jì)

1.2.1??清水江磷礦采空區(qū)隔離礦柱

對(duì)盤區(qū)淺部已形成部分采空區(qū)，防止采空區(qū)積水進(jìn)入井下，留設(shè)采空區(qū)隔水礦柱。結(jié)合實(shí)際情況，考慮到采空區(qū)為地表采空區(qū)，可能沿礦層頂?shù)装辶严哆M(jìn)入井下，設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況，采空區(qū)最大留設(shè)20?m防水礦柱。

從采空區(qū)底板往下留設(shè)20?m高的隔水礦柱。開采過(guò)程中，不破壞防水礦柱[2]。礦區(qū)邊界礦柱按25?m寬留設(shè)，采區(qū)隔離礦柱按20?m寬留設(shè)。頂板內(nèi)巷道根據(jù)作圖法計(jì)算為按崩落角下劃至礦體后，外推10?m，位于脈內(nèi)需要保護(hù)的巷道按照大巷兩側(cè)各10?m留設(shè)，斷層保護(hù)礦柱按20?m留設(shè)，風(fēng)氧化帶保護(hù)礦柱按20m留設(shè)。分段上保護(hù)礦柱按照采場(chǎng)礦柱留設(shè)，上部留設(shè)3?m寬連續(xù)頂柱、礦房中部留設(shè)4?m×3?m的點(diǎn)柱、礦房底部留4?m×3?m連續(xù)間隔點(diǎn)柱。

開采過(guò)程中，各種保安礦柱不得進(jìn)行開采，不破壞防水礦柱，是安全可靠的[3]。

1.2.2??礦柱留設(shè)安全性分析

設(shè)計(jì)留設(shè)的各種保安礦柱，為按照《化工礦山地下采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（HG/T??22809—1997）、《金屬非金屬地下礦山防治水安全技術(shù)規(guī)范》（AQ?2061—2018）留設(shè)原則計(jì)算得來(lái)，礦柱計(jì)算合理，能保證采場(chǎng)頂板穩(wěn)固，安全性好。

1.3??礦柱置換設(shè)計(jì)

1.3.1??原設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將分段、采場(chǎng)礦柱進(jìn)行置換，按照原設(shè)計(jì)方案，分段上保護(hù)礦柱按照采場(chǎng)礦柱留設(shè)[4-5]，分段房柱法上部留設(shè)3?m寬連續(xù)頂柱、礦房中部留設(shè)4?m×3?m的點(diǎn)柱、礦房底部留4?m×3?m連續(xù)間隔點(diǎn)柱。

1.3.2??新設(shè)計(jì)方案

（1）左右兩側(cè)留設(shè)間柱位置開兩條5?m寬的巷道。

（2）巷道開完后將巷道下部封閉，厚度2?m，并將巷道內(nèi)全部灌滿灌注C20混凝土，形成混凝土墻支撐頂板。

（3）在兩條混凝土墻之間將礦體采出，每隔5?m開一條新巷道，巷道形成以后向左右兩邊開采，寬度為5?m，利用形成新的巷道通風(fēng)。

礦房?jī)?nèi)兩混凝土墻間距離30?m，開采時(shí)，在距離混凝土隔墻5?m處開5?m寬巷道，并及時(shí)支護(hù)，然后在巷道內(nèi)向左右兩側(cè)回采（各采5?m），完成整個(gè)礦房的開采。

1.4??條帶式礦柱的置換設(shè)計(jì)及回采方法

（1）在頂板比較破碎位置采用原設(shè)計(jì)方案中的開采方法，但在開采過(guò)程中，留設(shè)頂柱、間柱、點(diǎn)柱等安全、隔離礦柱。待采場(chǎng)往前推進(jìn)5?m后，距離隔離礦柱5?m以上時(shí)，利用開拓回采時(shí)產(chǎn)生的碎石，從地面運(yùn)輸一部分砂石、水泥，在工作面進(jìn)行攪拌，混凝土強(qiáng)度指標(biāo)為C20混凝土。

（2）在開采之前，在采場(chǎng)隔離礦柱位置開5?m寬巷道，將隔離礦柱位置礦體全部采出。

（3）用混凝土在新開巷道底部將巷道封閉，厚度為2?m，待一周后混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上使用。

（4）將巷道內(nèi)全部灌滿C20混凝土，待28天后混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行其他施工。

（5）分段房柱法上部在原開采設(shè)計(jì)當(dāng)中留設(shè)了3?m寬連續(xù)頂柱，頂柱和底柱不在置換范圍內(nèi)。

（6）隔離礦柱用混凝土置換后，在原回風(fēng)巷位置開掘回風(fēng)巷，用于形成回風(fēng)系統(tǒng)。

（7）原礦房?jī)?nèi)點(diǎn)柱取消，將礦房寬度變?yōu)?5?m。

（8）在距離兩側(cè)混凝土墻各5?m處各開辟一條上山巷道，并沿下山方向，后退式向左、向右回采5?m寬的礦石。

（9）如在回采過(guò)程中頂板有大面積破碎，需要在工作面后部空區(qū)內(nèi)距離工作面8?m處打設(shè)2?m寬木垛，防止頂板大面積垮落。

（10）根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB?50086—2015）只有在頂板為Ⅰ類和Ⅱ類時(shí)才能使用本方案，其他巖石類別時(shí)采用原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

（11）回采結(jié)束后，按照《開陽(yáng)廣隆礦業(yè)有限公司開陽(yáng)縣花梨鄉(xiāng)清水江磷礦（改建）安全設(shè)施設(shè)計(jì)（變更）》要求及時(shí)封閉采空區(qū)。

1.5?頂板破碎時(shí)混凝土置換方式

當(dāng)頂板比較破碎時(shí)，采用原設(shè)計(jì)采礦方法，具體混凝土置換方式如下。

（1）在頂板比較破碎位置留設(shè)頂柱、間柱、點(diǎn)柱等安全、隔離礦柱，在開采到這些礦柱時(shí)，用混凝土模板支模，形成封閉空間，然后灌入混凝土。

（2）混凝土標(biāo)號(hào)為C20。

（3）在用混凝土形成這些點(diǎn)柱，間柱、頂柱后，再將其余資源開采出來(lái)。

（4）在傾角大于12°時(shí)采用臺(tái)階置換法，并用鋼筋植入底板，形成三角形鋼筋籠。

2??礦房的計(jì)算

2.1??礦房寬度計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，開采礦體頂板為白云巖，根據(jù)巖石彈性模量，白云巖彈性模量E取最小值50?GPa，礦房寬度設(shè)為Xm，根據(jù)鉆孔ZK801，白云巖厚18.61?m，此層白云巖以上為70?m厚，比較穩(wěn)定。根據(jù)關(guān)鍵層理論，上部70?m厚白云巖不會(huì)垮落，下部10?m左右厚的白云巖直接頂。因礦房?jī)蛇呏苯禹敹急还潭?，因此認(rèn)為礦房上部直接頂白云巖的力學(xué)模型為懸臂梁，兩端固定結(jié)構(gòu)。

根據(jù)彎曲應(yīng)力理論

其中為最大拉應(yīng)力。

泥質(zhì)白云巖抗拉強(qiáng)度為3～7?MPa，取最小值3?MPa，把白云巖頂板簡(jiǎn)化為均布荷載的懸臂梁。白云巖厚度簡(jiǎn)化為梁高16?m，礦房長(zhǎng)設(shè)為50?m，考慮成兩條梁，則一條梁寬25?m。當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到3?MPa時(shí)，求梁長(zhǎng)度。

設(shè)梁長(zhǎng)為X，白云巖的密度為2.8?t/m?，則梁的每米均布荷載為2.8×10?kN×16×25×1=11?200?kN/m。

可以看出，最大彎矩發(fā)生在礦柱與空區(qū)交界處。

y為中性到的高度，為慣性矩，y為8?m。

對(duì)稱結(jié)構(gòu)在白云巖頂板無(wú)任何的斷層情況下計(jì)算出的中間空頂最大距離為47.8?m，但在實(shí)際工作中，斷層多，因此建議礦房最大寬度取30?m，如頂板很破碎，則最小距離為5?m，并及時(shí)支護(hù)頂板。

2.2??最大撓度計(jì)算

懸臂梁撓度的公式：

其中：q為均布荷載（11?200?kN/m）；X為梁長(zhǎng)度23.9?m；E為彈性模量，取白云巖最小值50?GPa；I為慣性矩大小為，8?533?m4。

最大撓度在礦房的中部，及懸臂梁的最右側(cè)邊緣位置。

X=23.9?m處最大撓度為：

礦房最中間位置最大撓度為1?mm，位移小，說(shuō)明當(dāng)?shù)V房寬度27.8?m時(shí)，礦房中部23.9?m處，撓度最大為1?mm，位移很小，比較安全。

2.3??頂板的抗剪計(jì)算

設(shè)本礦白云巖厚度為16?m，寬25?m，礦房寬47.8?m，則一面礦柱所承擔(dān)的重量為16?m×25?m×23.9?m×28?kN/m?=267680?kN，

則白云巖的最大剪切力發(fā)生在頂板與礦柱交界處，最大剪力為267?680?kN;

則白云巖的切應(yīng)力為：

實(shí)驗(yàn)得知白云巖最小抗剪強(qiáng)度為3.07?MPa，而0.669?2?MPa<3.07?MPa，因此，在礦柱邊緣剪力最大，但是剪切強(qiáng)度滿足要求，不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

綜上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，礦房實(shí)際寬度如下。

（1）在無(wú)斷層無(wú)涌水情況下，礦房最大寬度設(shè)定為47.8?m，如遇斷層，斷層落差在0.5?m以下的，每增加一條落差0.5以下的無(wú)涌水?dāng)鄬樱V房寬度減少10%。

（2）遇到落差在0.5?m以上斷層，如發(fā)現(xiàn)一條，則礦房寬度減少20%。

（3）遇到頂板淋水，則礦房寬度減少40%。

（4）礦上圍巖共分成四類：Ⅰ類為強(qiáng)穩(wěn)定性巖層，Ⅱ類為穩(wěn)定性巖層，Ⅲ類為中等穩(wěn)定巖層，Ⅳ類為弱穩(wěn)定性巖層。根據(jù)分類，Ⅰ類巖層礦房寬度選100%，每降一類礦房寬度減少20%。得到公式：

其中：B為礦房實(shí)際計(jì)算寬度；L為落差小于0.5m的斷層條數(shù)；M為斷層大于0.5m的斷層條數(shù)；N為頂板是否有淋水，如果有N取1，如果沒(méi)有，N取零；P為圍巖種類；Ⅰ類取0；Ⅱ類取1；Ⅲ類取2；Ⅳ類3。

（5）在按照以上公式計(jì)算礦房寬度低于10?m時(shí)，采用原設(shè)計(jì)方案在礦房?jī)?nèi)布置點(diǎn)柱增加支護(hù)面積。

（6）在原設(shè)計(jì)方案中，當(dāng)回采到點(diǎn)柱位置后，先將點(diǎn)柱位置提前回采，然后按照設(shè)計(jì)將點(diǎn)柱位置用混凝土進(jìn)行置換。

在礦房取寬度47.8?m時(shí)，在沒(méi)有斷層破碎帶的情況下，白云巖位移為1?mm，有斷層和破碎帶的情況下建議礦房最大寬度取15?m，在小于15?m范圍內(nèi)，按照以上公式計(jì)算礦房寬度，并對(duì)頂板及時(shí)支護(hù)。當(dāng)?shù)V房頂板破碎且有淋水時(shí)，頂板支護(hù)可按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行回采。

3??結(jié)語(yǔ)

綜上，清水江礦礦柱置換已通過(guò)專家評(píng)審并開始使用，經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行，新的礦柱置換方法為礦房節(jié)省了大量資金，并增加了回采率，因此，條帶式礦柱置換方法是可行的。

參考文獻(xiàn)

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