郭 旺 童陽春

(化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410012)

人工礦柱置換緩傾斜薄富礦體礦柱

郭 旺 童陽春

(化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410012)

隨著磷肥需求量的快速增長，提高品位高、質(zhì)量?jī)?yōu)的磷礦回收率尤為重要。宜昌某磷礦礦體品位高，屬緩傾斜薄礦體，目前房柱法采礦造成的礦柱損失率達(dá)25%～30%，為解決損失率過大的問題，提出了采用人工礦柱替代原生礦柱的方案，并經(jīng)人工礦柱與礦石礦柱的承載能力及安全穩(wěn)定性對(duì)比分析。通過理論計(jì)算得出：在設(shè)計(jì)的人工礦柱尺寸條件下，礦柱均勻分布時(shí)，人工礦柱抗壓強(qiáng)度為10.08 MPa；礦柱交錯(cuò)布置時(shí)，人工礦柱的強(qiáng)度參數(shù)為14 MPa。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，結(jié)果表明采用混凝土人工礦柱置換礦石礦柱，保證了原生礦柱置換后的采場(chǎng)作業(yè)安全，同時(shí)大幅提高了礦石的回收率。

人工礦柱 結(jié)構(gòu)尺寸 礦柱強(qiáng)度 礦石回收率

磷礦是不可再生的自然礦產(chǎn)資源之一，以礦物的形式存在。我國探明的磷礦資源排名世界第三，僅次于摩洛哥和美國。目前國際磷礦石市場(chǎng)處于供大于求，但庫存量逐年減少，趨于供需平衡。國內(nèi)市場(chǎng)磷礦石已由供需平衡，趨向于供不應(yīng)求，尤其是隨著高效磷肥的快速增長，品位高、質(zhì)量?jī)?yōu)，適合加工高濃度磷復(fù)肥的磷礦石缺口較大，所以富礦的最大限度回收勢(shì)在必行。

宜昌某磷礦賦存條件為礦體平均傾角8°，平均厚度3 m，是比較具有代表性的緩傾斜薄礦體，礦體和圍巖大多比較穩(wěn)固，原設(shè)計(jì)采礦方法為房柱法；該礦資源整體較好，出礦品位均能達(dá)到原礦銷售品位，房柱法開采礦柱損失可達(dá)25%～30%，由于原生礦柱變形破壞主要以受壓劈裂破壞為主，受巖石中節(jié)理裂隙的影響，破壞礦柱表層出現(xiàn)縱向裂隙并表現(xiàn)出側(cè)鼓和剝落，直至礦柱失去承壓能力。相比于原生礦柱，人工礦柱相對(duì)均勻，基本不存在節(jié)理裂隙，并且尺寸的規(guī)整也更能達(dá)到良好的承壓能力[1-3]。

因此，通過采用人工礦柱的方法將高品位富礦置換，不僅可以提高礦石的回收率，還可以通過礦柱的強(qiáng)度支撐空區(qū)，形成安全的回采環(huán)境，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

礦體產(chǎn)狀平穩(wěn)，礦體及圍巖均較穩(wěn)固，結(jié)合礦山生產(chǎn)布局和供礦計(jì)劃的安排，實(shí)施人工礦柱替代礦石礦柱。結(jié)合人工礦柱的作用和施工的特點(diǎn)，將人工礦柱置換納入正常的采礦工藝，進(jìn)行合理的布置。

2 人工礦柱結(jié)構(gòu)尺寸及強(qiáng)度

人工礦柱的形狀、尺寸和強(qiáng)度的選擇直接影響到采場(chǎng)的穩(wěn)定性和礦石的回收率。人工礦柱尺寸和強(qiáng)度較小時(shí)容易導(dǎo)致礦柱發(fā)生破壞，從而造成采場(chǎng)跨度過大，進(jìn)而引起頂板冒落，造成相鄰礦柱承受過多壓力，可能引起連鎖反應(yīng)，造成大面積的垮塌。因此，采用人工礦柱置換原生礦柱時(shí)，必須確保人工礦柱的結(jié)構(gòu)尺寸能滿足穩(wěn)定性要求[4-5]。

2.1 人工礦柱穩(wěn)定性影響因素

影響人工礦柱穩(wěn)定性的因素較多，結(jié)合本工程，考慮到的主要影響因素有：

(1)人工礦柱的受力大??；

(2)礦柱寬高比：寬高比大的礦柱穩(wěn)定性好，常常以寬高比作為礦柱設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)；

(3)礦房尺寸與礦柱尺寸：礦房與礦柱的尺寸分布應(yīng)合理，礦柱的分布應(yīng)相對(duì)規(guī)整，否則容易造成個(gè)別礦柱發(fā)生先期破壞而造成大面積垮塌；

(4)礦柱自身的單軸抗壓強(qiáng)度。

2.2 人工礦柱的平均應(yīng)力

礦柱的面積承載理論認(rèn)為：礦柱所承受的載荷是其所支撐的頂板范圍內(nèi)直通地表的上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積S即是按巖柱分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和，由此假設(shè)計(jì)算礦柱的平均應(yīng)力。

礦柱平均應(yīng)力為

(1)

式中，γ為巖石容重；z為埋藏深度；wo，wp分別為礦房和礦柱的寬度。

2.3 人工礦柱結(jié)構(gòu)尺寸

地表附近有民房或山體陡峭，采礦后上面地表不允許崩塌。因此，礦柱尺寸應(yīng)以保證采礦后不破壞為原則。以混凝土礦柱置換原生礦石礦柱，設(shè)計(jì)礦柱尺寸應(yīng)為4 m×4 m，礦柱間距8 m。頂板不穩(wěn)固的地段，礦柱間距可適當(dāng)縮小，則人工礦柱尺寸采用(3～4) m×(3～4) m，礦柱間距6.5～7 m。礦房礦柱結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 礦柱均勻分布(單位：m)

圖2 礦柱交錯(cuò)分布(單位：m)

2.4 人工礦柱強(qiáng)度

在實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)例調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析和實(shí)際調(diào)查，世界各國提出的礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式有10余種，這些計(jì)算公式大多是對(duì)煤礦礦柱的研究結(jié)果，而對(duì)非煤礦山礦柱的研究較少，但非煤礦山在設(shè)計(jì)時(shí)也常常借鑒這些公式，實(shí)踐表明采用這些公式進(jìn)行的非煤礦山人工礦柱設(shè)計(jì)仍然能滿足要求[6-13]。

Bieniawski與Van Heerden以南非Witbank 煤礦為基礎(chǔ)，通過大規(guī)模原位測(cè)試得出煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Sp為礦柱的強(qiáng)度,MPa；SL為礦巖強(qiáng)度參數(shù),MPa；Wp為礦柱的寬度,m；h為礦柱的高度,m；α為常數(shù)，當(dāng)煤柱的寬高比大于5時(shí)，α=1.4；而當(dāng)煤柱的寬高比小于5 時(shí)，α=1.0。

結(jié)合本次人工礦柱的設(shè)計(jì)形狀及尺寸，其礦柱的寬高比小于5，系數(shù)α的取值為1.0，得出計(jì)算人工礦柱強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

式中，Sl為人工礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；F為安全系數(shù)；SY為巖柱面積，m2；SK為礦柱面積，m2。

根據(jù)上述計(jì)算公式及設(shè)計(jì)的人工礦柱尺寸，計(jì)算得出:在礦柱均勻分布時(shí)人工礦柱抗壓強(qiáng)度為10.08MPa，礦柱交錯(cuò)布置時(shí)人工礦柱的強(qiáng)度參數(shù)為14MPa。

3 人工礦柱類型與材料

在周圍無大面積采空區(qū)的情況下，混凝土人工礦柱的尺寸一般為 (3～4)m×(3～5)m。人工礦柱尺寸及間距應(yīng)根據(jù)地壓情況、礦體采高及頂板的穩(wěn)固程度作適當(dāng)調(diào)整。人工礦柱的施工可視礦柱所處具體位置采用單面支?！闹苤Ｐ问剑瑔蚊嬷＜粗恢б幻婺０?，其余三面為礦體。人工礦柱示意圖如圖3所示。

圖3 人工礦柱示意

人工礦柱采用C20混凝土，中間可投放部分毛石，毛石投放量不宜超過混凝土的30%。摻入的毛石宜采用未風(fēng)化、堅(jiān)硬、無裂縫夾層的白云巖廢石料，強(qiáng)度等級(jí)MU30以上。礦柱上部0.5～0.8 m采用碎石混凝土充填，頂部采用膨漲混凝土接頂。

4 礦柱置換工藝

(1)標(biāo)準(zhǔn)礦塊長112.5 m，寬76.5 m，在礦塊的一邊設(shè)置連續(xù)間柱，另一邊設(shè)置切割上山，每個(gè)礦塊設(shè)置3條切割平巷以完成礦柱硐室的需要。

(2)利用相鄰采區(qū)，從中段平巷分別向上掘切割上山至采區(qū)上邊界，緊鄰礦塊頂柱掘進(jìn)切割平巷，并在平巷中按設(shè)計(jì)尺寸掘礦柱硐室，處理頂板浮石，完成礦柱硐室的開挖。

(3)支模板，澆混凝土礦柱。在澆筑混凝土之前，應(yīng)清理基底，形成堅(jiān)實(shí)的基坑，清出老底，不留雜物；在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，要不斷震動(dòng)搗實(shí)，確保混凝土澆筑的質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作。

(4)依次利用下部2條切割平巷分布完成兩邊礦柱硐室的開挖。

(5)礦塊沿傾向從上往下依次澆混凝土礦柱。

(6)待上部通道(上山)一側(cè)的人工礦柱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可在最上一個(gè)礦房從上部通道開始回采工作。

具體實(shí)施方案如圖4所示。

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合礦山的生產(chǎn)實(shí)際，為最大限度的回收品位較高的礦石，提出了采用人工礦柱代替原生礦柱的方案。

(2)在設(shè)計(jì)的人工礦柱尺寸條件下，通過理論計(jì)算得出了在礦柱均勻分布時(shí)要求人工礦柱抗壓強(qiáng)度為10.08 MPa，礦柱交錯(cuò)布置時(shí)人工礦柱的強(qiáng)度參數(shù)為14 MPa。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，在人工礦柱采用C20混凝土?xí)r，人工礦柱能很好地支撐采場(chǎng)頂板，保障了原生礦柱置換后的采場(chǎng)作業(yè)安全。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Artificial Pillar Substituting the Gently Inclined Thin Rich Ore Pillars

Guo Wang Tong Yangchun

(Changsha Design and Research Institute，Chemical Industry Ministry，Changsha 410012，China)

With the rapid growth in fertilizer demand,it is particularly important to improve the recovery of high grade,and high quality phosphate.Yichang phosphate ore is in high grade,and belongs to the gently inclined thin ore.The current mining method results in the loss rate of ore pillar by 25% to 30%.To solve the problem of excessive loss rate,the scheme of artificial pillar substituting the original ore pillars is proposed.Based on the comparative analysis on the bearing capacity and stability of artificial pillar and ore pillar,the compressive strength of artificial pillar under different pillar distribution forms was obtained.The on-site implementation indicated that the scheme of artificial concrete pillar substituting the ore pillar ensured security of the stope after replacement,and significantly improved the recovery rate of the ore.

Artificial pillar,Structural size,Pillar strength，Ore extraction rate

2014-09-07

郭 旺(1986—)，男，碩士，助理工程師。

TD863

A

1001-1250(2014)-11-027-04