柴衡山 劉 濤 張晨潔

(西北礦冶研究院)

人工組合點柱代替礦柱回采礦石及穩(wěn)定性計算

柴衡山 劉 濤 張晨潔

(西北礦冶研究院)

房柱法回采礦房，遺留了大量點柱和間柱，約占礦房總礦量的30%。礦房回采后，為了維持采空區(qū)的穩(wěn)定，通常只能回收一小部分礦柱，造成礦石的大量浪費。為此，提出采用“圓木+混凝土”組合形式的人工點柱代替礦柱支撐采空區(qū)，設(shè)計了3種人工點柱組合形式，對其受力、安全性和經(jīng)濟性進(jìn)行了計算分析，通過在新城金礦殘留礦柱回采中的應(yīng)用，礦柱回采率達(dá)到85%以上，且能夠有效保障采場的作業(yè)安全。

人工組合點柱 穩(wěn)定性計算 礦柱回收 房柱法

礦產(chǎn)資源是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的基本條件，殘留礦柱的回收是礦山可持續(xù)發(fā)展的基本途徑。近年來，我國探索出了多種殘留礦柱和難采礦體的回采方法，并進(jìn)行了大量的生產(chǎn)實踐[1-6]。

為保證礦柱回采過程中的安全性，需要對礦柱回收后礦房的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析[7-10]。我國礦山開采綜合水平較低，大部分礦山采用空場法采礦，預(yù)留了大量礦柱。由于礦體賦存狀態(tài)的不同，不同的礦山回收方案也不相同，貴金屬(金、銀)礦，由于礦石價值較高，回收礦柱產(chǎn)生的經(jīng)濟效益大，在安全的條件下，最大可能的回收礦柱是提高礦山經(jīng)濟效益的主要途徑。為此，對于緩傾斜礦柱和水平礦柱，研究采用人工點柱代替礦柱支撐采空區(qū)，以保證采空區(qū)的穩(wěn)定性。在新城金礦殘留礦柱的回采中，通過安全、經(jīng)濟、技術(shù)可行等方面的綜合比較，采用“圓木+混凝土”組合形式，設(shè)計了3種人工組合點柱形式，礦柱回采率達(dá)到85%以上，且有效地保障了采場的作業(yè)安全。

1 人工組合點柱受力分析

1.1 單根木樁

引起木樁失穩(wěn)破壞的形式有受壓、抗剪切、彎曲等。

(1)木樁受壓破壞時承受的壓力為：

F1=k1s[σs] ，

(1)

式中,s為木樁橫截面積，cm2；k1為木樁安全系數(shù)；[σs]為木樁抗壓強度，MPa。

(2)受剪破壞時木樁可承受的抗剪強度為：

F2=k2s[τs] ，

(2)

式中，k2為木樁安全系數(shù)；[τs]為木樁縱截面抗剪切強度，MPa。

(3)受彎破壞時下端固定上端鉸承受的最大壓力：

(3)

式中,Pcr為臨界壓力，kN；E為木樁抗壓彈性模量，MPa；I為木樁橫截面對于其形心軸的慣性矩最小值，m4；L為樁的高度。

1.2 “圓木+混凝土”組合點柱

1.2.1 “圓木+混凝土”組合點柱形式

人工點柱的設(shè)計和布置與現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定情況、頂板暴露面積等因素相關(guān)?！皥A木+混凝土”人工點柱長度與采場高度相等或略低于采場高度的木樁釘在一起組成筒體，筒體內(nèi)部充填混凝土至采場頂部，然后噴射200～300 mm厚混凝土將筒體外部加固。該點柱具有承載力強、施工簡單等特點，其組合形式根據(jù)不同工程條件通常有三角形、正方形和多邊形，見圖1所示。

圖1 人工點柱的組合形式示意

1.2.2 組合點柱承載能力計算

“圓木+混凝土”人工組合點柱的承載能力與兩種材料的組合面積和彈性模量有關(guān)，由于混凝土和木樁澆筑為一體，故混凝土與木樁在受壓時其應(yīng)變相等，即：

(4)

其承受的壓力可表示為：

P=nσwSw+σcSc=nEwεSw+EcεSc.

(5)

人工組合點柱的橫截面積可表示為：

S=nSw+Sc.

(6)

由式(4)～式(6)可得：

P=nεSw(Ew-Ec)+EcεS.

(7)

式中，Sw、Sc分別為木樁、混凝土橫截面積，m2；Ew、Ec分別為木樁、混凝土彈性模量，MPa；σw、σc分別為木樁、混凝土橫截面應(yīng)力，MPa。

要使人工組合點柱的承載力達(dá)到最大，根據(jù)多元函數(shù)求極值的方法，式(7)只要滿足：

(8)

即：

Ew-Ec=0 .

(9)

由式(9)可知，當(dāng)木樁的彈性模量與混凝土的彈性模量相等時，組合點柱的承載能力達(dá)到最大值：

Pmax=EcεS=σcS.

(10)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

新城金礦是我國黃金行業(yè)的典型礦山，是山東黃金集團旗下的龍頭企業(yè)。通過多年開采，遺留了大量的礦柱和頂?shù)字鶜埖V，占該礦總儲量的8%，金金屬量約4t，平均品位8g/t。如充分利用原來的生產(chǎn)系統(tǒng)，回收這部分遺留礦柱，生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟效益十分可觀，如不及時回收，受到地壓影響坍塌后無法再利用。因此，礦房回采結(jié)束后盡快回收礦柱，既可保障殘礦回收的安全性，又可節(jié)約開采成本。

2.2 礦柱回采存在的問題

新城金礦礦體賦存復(fù)雜，屬中等穩(wěn)固，局部節(jié)理發(fā)育，礦體傾角25°左右，厚度3～5m。礦體上盤圍巖破碎，穩(wěn)定性較差，礦體中段礦房回采已經(jīng)結(jié)束，礦房內(nèi)遺留的礦柱由于受到多次爆破震動和應(yīng)力多次分布的影響，礦柱內(nèi)裂隙更加發(fā)育，強度大幅下降，回采安全性降低。礦房回采時，大量的探礦巷道、采準(zhǔn)巷道分布其中，部分巷道由于常年未維護(hù)，冒落嚴(yán)重。以上因素都對礦柱回采造成了一定的難度，需加強人工點柱的支撐作用。

2.3 組合點柱現(xiàn)場應(yīng)用及經(jīng)濟性分析

采用人工點柱代替礦柱支撐采空區(qū)，每采一個礦柱澆注一個人工組合點柱。根據(jù)空區(qū)高度不同采用不同的點柱形式，空區(qū)較低時采用三角形組合點柱，空區(qū)較高時采用多邊形組合點柱，中等高度時采用正方形組合點柱。為了保證人工點柱有足夠的承載能力，其直徑應(yīng)保證不低于1.5～2m。

由于礦柱內(nèi)部存在大量的裂隙、節(jié)理，經(jīng)計算直徑3m的礦柱強度與直徑2m的人工組合點柱相當(dāng)，可用直徑2m的人工架柱支撐采空區(qū)，其綜合成本6 652元。

直徑3m的礦柱所含礦石量為59.346t,平均品位8.0g/t，按照金價250元/g計算，回收一個礦柱可產(chǎn)生118 692元的產(chǎn)值，扣除人工點柱的綜合成本6 652元，可盈利112 040元，即每噸礦石的盈利為1 887.9元，經(jīng)濟效益可觀。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合礦山殘留礦柱回收的難點和實際工程條件，提出用人工點柱代替礦柱支撐采空區(qū)，從而提高礦柱回采率和安全性。

(2)對人工點柱的受力進(jìn)行了分析，當(dāng)木樁的彈性模量與混凝土的彈性模量相等時，組合點柱的承載能力達(dá)到最大值。

(3)將該方法應(yīng)用于新城金礦，礦柱回采率達(dá)到85%以上，現(xiàn)場試驗表明，人工組合點柱能夠有效地保障采場作業(yè)安全，防止巖石冒落和片幫事故的發(fā)生。

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Artificial Combination Point Pillar Instead of Ore Pillar Stoping and Its Stability Calculation

Chai Hengshan Liu Tao Zhang Chengjie

(Northwest Institute of Mining)

The large number of point pillars are left behind by using the room-and-pillar mining method, the point pillars are 30% of the total amount of ore in the mine. In order to maintain the stability of goaf area, only a small part of the point pillars are recovered to result in a substantial waste of ore. For this case, the ore pillars are replaced with the artificial point pillars with the combination forms of "logs+concrete" to support the goaf area. Three kinds of artificial points pillars combinations are designed, The stress, safety and economy of the artificial points pillars combinations are computed and analyzed. The above method is applied to mining the residual pillars in Xincheng gold mine. The application results show that, the pillars recovery rate is over 85%, therefore, the stope operation safety is guaranteed.

Artificial combination point pillar, Stability calculation, Pillar recovery, Room-and-pillar method

2014-11-06)

柴衡山(1986—)，男，助理工程師，730900 甘肅省白銀市人民路19號。