新型充填采礦法在清水江磷礦的應用

楊忠烈

摘? 要：清水江磷礦采用房柱式采礦法，中部留有礦柱，在回采過程中，中部礦柱造成了大量資源損失，本文采用一種新的礦柱支護方法，提高了資源回采率，提高了經濟效益。

關鍵詞：清水江磷礦；礦柱回采方法

開陽廣隆礦業(yè)有限公司清水江磷礦開采礦種：磷礦；開采方式：地下開采；生產規(guī)模：30萬t/a。礦山劃分為南、北兩個采區(qū)，其中南采區(qū)為原一、二采區(qū)已布置有采掘工程的大部分區(qū)域，具體范圍為南采區(qū)西部以采空區(qū)為界，北部以F4斷層及礦方新揭露斷層為界，南部及東部至礦區(qū)邊界，北采區(qū)西部以地表陡崖礦柱及采空區(qū)為界、北部以礦體儲量核實邊界及礦區(qū)邊界為界、東部以礦區(qū)邊界為界，南以F4斷層及礦方新揭露斷層為界[1]。其中，南采區(qū)內以主平硐井筒為界劃分為一盤區(qū)和二盤區(qū)兩個部分進行開采。采區(qū)采用房柱式采礦法。

近年來，市場對磷礦石資源的需求不斷增加，充分利用現(xiàn)有磷礦資源，減少開采過程中的損失具有重要意義，為此，清水江磷礦為減少開采過程中預留礦柱的損失，利用人工混凝土柱代替原生礦柱，置換寶貴的礦產資源，從而減少礦石資源損失。將井下采掘過程中所產生的廢石直接作為澆灌混凝土柱的碎石原料，減少井下開采的排廢量，既節(jié)約了排廢運輸成本，又減少廢石對地表環(huán)境的污染，同時提高地下開采安全性，延長礦山服務年限。

1.原采礦方法

原采礦方法為每30至40m形成一個礦房，礦房寬34至40m，長45至55m，上下左右都有保護礦柱，分段上保護礦柱按照采場礦柱留設，分段房柱法上部留設3m寬連續(xù)頂柱、礦房中部留設4m×3m的點柱、礦房底部留4m×3m連續(xù)間隔點柱，每個礦房留設點柱，頂板管理采用全部垮落法，這種方法的缺點是礦柱留設過多，嚴重影響資源回采率。

2.充填式置換礦柱采礦法

本方法首先在上山方向開掘兩條巷道，兩巷道之間形成礦房，兩巷道中對中距離為20m，開好巷道后用混凝土將兩條巷道灌滿，用混凝土墻代替了礦柱進行支撐，然后再開采兩混凝土墻之間的礦柱。（圖1）

3.充填式置換礦柱采礦法回采工藝

先開掘寬為3m的切割上山與回風巷貫通，再向外拓寬2m，達到5m的巷道寬度，切割上山貫通后，在其下口（運輸巷）進行第一步驟混凝土擋墻及混凝土柱的澆筑，待強度到達要求后，再從上口（回風巷）向切割上山巷道內進行第二步驟混凝土柱的澆筑[2]，切割澆筑完第一個混凝土礦柱后，再澆筑第二個混凝土礦柱，依次往后循環(huán)施工，待強度到達設計要求后，開掘采場內切割上山，對礦房進行回采。

在以上兩種置換方案中，混凝土礦柱所需的砂石及水泥通過礦用卡車運輸至工作面臨時攪拌場，按所需充填料漿配比添加水、水泥、砂石至充填攪拌機，攪拌后的充填料漿通過礦用混凝土輸送泵直接泵送至采空區(qū)，在頂板比較破碎位置留設頂柱、間柱、點柱等隔離礦柱，在開采到這些礦柱時，用混凝土模板支模，形成封閉空間，然后灌入混凝土，為了讓人工混凝土澆筑達到強度要求，采取振動棒振動到位。這種方法工序簡單，施工快捷。

4.關鍵技術

（1）接頂要求與確保充分接頂措施

人工混凝土柱與礦體頂板的緊密接觸施工技術是混凝土柱施工的關鍵，它是混凝土柱采礦法成敗的關鍵。在澆筑混凝土柱過程中，當混凝土柱與礦體頂板接近時，應使用充填技術對形成的楔形空間進行填充，具體做法是：采用噴射混凝土將混凝土柱與礦體頂板連接起來；使用注漿技術，用注漿泵將水泥砂漿注進混泥土與礦體頂板之間；使用木杵或鐵杵從上往下進行人工搗實充填，使混凝土體礦體頂板緊密接觸。

（2）澆柱過程的安全措施

澆柱前需按已批準的安全設施設計對待澆柱區(qū)域進行檢查，確保待澆柱區(qū)域支護完好，澆柱過程中若澆柱區(qū)域通風不暢，需安設局部通風機對該區(qū)域進行通風，以確保澆柱過程安全。（圖2）

5.通過頂板巖石力學計算，設定礦房寬度

根據(jù)巖石彈性模量表，白云巖彈性模量E取最小值50GPa，礦房寬度設為Xm，根據(jù)鉆孔ZK801，白云巖厚18至61m，此層白云巖以上為70m厚白云巖，比較穩(wěn)定。根據(jù)關鍵層理論，上部70m厚白云巖不會垮落對巷道造成影響，對巷道有壓力的就是下部十多米厚的白云巖直接頂。

因在礦房兩邊的直接頂都被固定，因此認為礦房上部直接頂白云巖的力學模型為懸臂梁[3]，兩端固定結構，具體模型如圖3：

根據(jù)彎曲應力理論

其中為最大拉應力。

泥質白云巖抗剪斷強度為1～3Mpa，取最小值2.5Mpa，巖石抗拉強度比抗剪強度高，因此抗拉強度取抗剪強度值2.5Mpa，把白云巖頂板簡化為均布荷載的懸臂梁。白云巖厚度簡化為梁高16m，礦房長設為50m，考慮成兩條梁[4]，則一條梁寬25m。當抗拉強度達到3Mpa時，求梁長度。

設梁長為X，白云巖的密度為2.7t/m?

則梁的每米均布荷載為2.7*10KN*16*25*1=11200KN/m

從圖上可以看出，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8m

2.5×106=5250 X?

X=21.82m

因為為對稱結構，所以中間空頂最大距離為43.64m，這是整個白云巖頂板無任何斷層情況下的計算結果，但在實際工作中，斷層往往到處都是，因此建議礦房最大寬度取為30m，如頂板很破碎，則最小距離為5m，且需要及時支護頂板，具體支護方式按照原設計執(zhí)行。

綜上，通過分析，充填式置換礦柱采礦法有明顯的優(yōu)點。首先，利用混凝土墻代替了礦柱進行支護，提高了回采率，使礦房內資源回采率達到了百分之百。其次，回采工藝簡單，有利于提高機械使用效率。第三，出產的矸石用于制備混凝土又回填到井下，減少了矸石對環(huán)境的污染?；谝陨线@些優(yōu)點，此方法在清水江磷礦的應用，取得了很好的效果。

參考文獻

[1]尹尚先，連會青，徐斌等。深部帶壓開采：傳承與創(chuàng)新[J]. 煤田地質與勘探，2021，49（1）：170?181.

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[3] 劉少偉，張偉光，董士舉?；贏NSYS的巷道頂板錨固系統(tǒng)托盤尺寸參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭工程，2011， 43（12）： 82-84.

[4] 李英明，馬念杰?？导覟┟旱V回采巷道煤幫支護參數(shù)研究[J].煤炭工程，2009， 41（9）： 44-46

作者單位：桐梓縣工業(yè)和能源局