用砼柱置换原生矿柱的研究

杨秀明

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司， 贵州开阳县 550302)

用砼柱置换原生矿柱的研究

杨秀明

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司， 贵州开阳县 550302)

在实践的基础上，对某个地下矿山应用人工砼柱置换原生矿柱进行了分析，通过计算，确定人工砼矿柱的尺寸，并对矿柱置换的经济效益进行了比较。结果表明，在保障安全和经济效益前提下，用砼矿柱置换矿石矿柱，不但可充分回收矿产资源，而且可获得良好的经济效益。

盘区房柱法;砼矿柱;原生矿柱;矿石回收率;经济效益

矿产资源具有稀缺性和不可再生性，在开发利用上具有不可逆性。一旦开采之后，这些矿产资源将不复存在。因此，在资源开采经济条件可以承受、开采技术可以解决的前提下，提高资源回收率，成为全社会共同关注的焦点。

1 简 介

矿层属滨海、浅海相沉积磷块岩矿床，构造简单，断层较少，一般以北北东向为主，局部呈北东、东西向。矿体倾角一般小于20°，围岩稳固性较好，矿体厚度为1.5 ～3.5 m。

采矿方法为锚杆护顶盘区房柱法。凿岩设备为7655气腿式凿岩机，铲装、运输设备为自行式无轨设备。盘区走向长为600～800 m，矿房净跨度为10 m，沿走向和倾向均匀留设4 m×4 m矿柱，设计损失率为28.7%，见图1。

图1 盘区房柱采矿法

2 砼柱设计

在回采空区面积扩大后，顶板压力增大，使某一或某一些矿柱所受应力超过了其强度而破坏，然后波及整个矿柱系统。矿柱系统与其它工程一样，总是在最薄弱环节首先破坏，从而影响到相邻矿柱载荷增加，呈连锁反应，其结果导致整个矿柱破坏。

在设计开采区域内，要使空区处于良好的稳定状态，从而达到保证作业安全和保护地表安全的目的，必须满足以下两个条件:矿房跨度不超过极限值，矿柱尺寸大于其极限强度所要求的规格;解决矿房跨度和矿柱尺寸的合理配合问题。

2.1 极限跨度的确定

2.1.1 按顶板拉应力条件计算极限跨度

一般认为，开采空间的跨度越大，矿房顶板中央部位出现的拉应力越大;当拉应力达到其强度极限时，顶板开始断裂破坏。在顶板保持稳定的前提下，开采空间允许达到的最大跨度，即为开采空间的极限跨度。

影响开采空间极限跨度的因素很多，主要有岩体性质、开采深度、上覆岩层作用在顶板暴露面积上的重力、矿体倾角、顶板暴露时间、开采空间几何尺寸、构造等因素。采深愈大，上覆岩层作用在顶板暴露面积上的重力愈大;顶板暴露倾角愈缓，顶板暴露面的暴露时间愈长;岩层愈松软，极限跨度愈小。当矿房长度大于2～3倍矿房跨度时，开采空间的上覆岩层重力主要沿两端部的支承岩体向下传递;当矿房长度小于2～3倍矿房跨度时，开采空间的上覆岩层重力将沿开采空间四周的支承岩体向下传递，此情况下的开采空间极限跨度比前者大。当顶板暴露面积为正方形时，开采空间极限跨度最大。

本设计区域使用的房柱采矿法，其矿房长、宽尺寸基本接近，采深大于矿房跨度的3倍以上，矿体倾角小于30°，且本方案大部份用于缓薄矿体的开采，条件适宜布置人工砼柱，以置换开采留下的原生矿柱，达到充分回收矿产资源的目的。

按矿房长、宽尺寸相等计算矿房的极限跨度。设矿房长、宽尺寸均为a，采用斯列萨列夫公式计算本方案条件下的等效跨度:

将(1)式代入以下的经验公式(2)计算矿房顶板中央拉应力бt。调整a等效值并进行计算，当计算结果等于或约等于本矿段顶板白云岩自然条件下的许用拉应力〔бt〕=1548.4 kPa(抗拉强度)时，选定的a等效的值，然后再将选定的a等效值代入(1)式确定a值，即为矿房的极限跨度。

式中:H——开采深度，m;

γ——上覆岩层容重，2.7 t/m3;

λ——侧压系数，λ =μ/(1 － μ)=0.3889，μ 为上覆岩层泊松比。

取 a等效=15 m，бt=1544.7 kPa≈〔бt〕=1548.4 kPa，此时，按式(1)求得矿房的极限跨度a=30 m。

2.1.2 用函数估价法确定矿房极限跨度

函数估价法就是将生产实际选用的跨度作为岩石性质的函数参数，来表达岩体力学性质的方法。开采条件和类似条件的矿房极限跨度见表1。

表1 开采条件和类似条件矿房极限跨度

按下式转为基准条件下的矿房跨度:

式中:H——开采深度;

γ——上覆岩层容重，2.7 t/m3;

k——载荷系数，因H/L(开采空间短边尺寸)＞2，故取 k=0.5;

β——矿体倾角;

μ——上覆岩层泊松比，μ =0.28;

αu——矿房的极限跨度(编号矿体为调查值);

λ——侧压系数，λ =μ/(1－μ)=0.3889;

m——大于1的系数，苏联里夫金教授测得m=2。

对于第1种情况(采高2 m)，得出:αuj1=16 m，αuj2=18.05 m，αuj3=17.54 m，基准条件下的平均极限跨度 αuj=(16+18.05+17.54)/3=17.2 m。设计区域矿房极限跨度αux=14.7 m。

对于第 2种情况(采高 3.5 m)，得出:αuj1=16.3 m，αuj2=18 m，αuj3=16.3 m，基准条件下的平均极限跨度 αuj=(16.3+18+16.3)/3=16.87 m。设计区域矿房极限跨度αux=16.87 m。

按上述两种方法计算的结果，差异较大。其原因在于受环境因素、时间因素及岩体本身所表现的性质不确定性、各向异性、构造等因素和各种偶然因素的影响，运用顶板许用拉应力条件计算出的结果，可靠性不高，难以正确反映现场的真实情况和满足实际工程的应用需要。本设计区域和矿段内，及其它矿段类似条件矿体的开采已进行多年，其运用的相关参数均由生产实际进行了检验，具有很高的可靠程度。函数估价法是运用理论和实践方法求出极限跨度的函数式，然后由经过生产实际检验的类似条件矿体的矿房极限跨度求算设计区域矿体矿房的极限跨度。此方法的实质就是工程类比法，类似条件越接近，参与类比的实例越多，结果的可靠性越高。因此，为使结果有较高的可靠性，尽可能满足实际工程应用需要，本方案采用函数估价法确定矿房极限跨度。

2.2 矿房尺寸的确定

矿房长、宽尺寸的确定，应充分考虑开采空间形状及上述计算确定的矿房极限跨度，运用岩体力学理论和实验研究结果，提高人工矿柱支撑顶板的面积，以提高投入产出效益，同时，必须以确保施工作业安全和对地表保护为前提。

按上述计算结果和顶板暴露面为正方形时矿房极限跨度最大的岩体力学理论，结合生产经验，确定矿房形状为正方形，矿房跨度取10 m，即矿房长、宽尺寸均为10+a m(a为砼柱边长)。

2.3 砼柱设计

根据岩石力学理论和实验研究，正方形矿柱强度最大，随着矿柱长度增加，矿柱强度相应减小，当长宽比为3时，矿柱强度只有正方形矿柱强度的1/2至1/3。因此，本设计中人工矿柱按正方形设计。同时，矿柱的宽、高比对矿柱强度的影响很大，比值增大，矿柱的强度随之增大，其关系是:RP=KrRc(RP为矿柱抗压强度，Rc为矿柱材料立方体试件单轴抗压强度，Kr为矿柱宽高比系数，当矿柱宽度BP＞矿柱高度h时，Kr≈BP/h)。当Kr＞1时，由于顶底板围岩限制矿柱的横向膨胀，使矿柱实际上处于三向应力之下，此时Kr值对矿柱强度的影响很明显。据实验研究，宽高比＞4～7时，矿柱将能承受实际上可能施加的最大荷载而不发生破坏，此时的矿柱可以认为是具有“无限强度”的矿柱。

由于矿柱的荷载及强度与很多因素有关，情况复杂，在工程计算中，一般均按“面积承载理论”作为确定矿柱荷载的基本依据。

设砼柱边长为a，按间排距(中心距)均为10+a呈规则布置计算。因设计区域矿体倾角小于30°，按下式计算:

式中:Sp——矿柱横断面积，Sp=a2，m2;

Sd——砼柱支撑的顶板面积，Sd=(10+a)2，m2;

γ——上覆岩层平均容重，2.7 t/m3;

H——矿体平均埋深，m;

k——荷载系数，k=0.5;

n——安全系数，设计矿柱为人工砼，设计区域地表不允许较大程度的沉陷，故取n=2;

Rc——矿柱材料立方体试件单轴抗压强度，设计人工砼柱为C20砼，即Rc=20 MPa;

Kr——矿柱形状系数。

第1种情况:砼柱高度，即采高为2 m。按砼柱长、宽均为3 m 试算，因 a ＞ h，Kr≈a/h=1.5，由(4)试计算得 Sp≥16.73 m2，即 a≥4.1 m，不合要求;按砼柱长、宽均为 3.5 m 试算，得 Sp≥15.46 m2，即a≥3.9 m，不合要求;按砼柱长、宽均为4 m试算，得:Sp≥14.55 m2，即 a≥3.8 m，符合要求。

第2种情:砼柱高度，即采高为3.5 m。按砼柱长、宽均为 4 m 试算，因 a ＞ h，Kr≈a/h=1.14，由(1)式计算得:Sp≥25.53 m2，即 a≥5 m，不合要求;按砼柱长、宽均为4.5 m 试算，因 a＞h，Kr≈a/h=1.29，由(1)式计算得:Sp≥24.2 m2，即 a≥4.9 m，不合要求;按砼柱长、宽均为5 m试算，因 a＞h，Kr≈a/h=1.43，由(1)式计算得:Sp≥23.36 m2，即a≥4.83 m，合符要求。

按上述计算结果，人工砼柱的布置如图2所示。

3 效益比较

本矿区C20砼平均造价300元/m3。按一比一置换计算，即1 m3砼置换1 m3原生矿柱，折算后为0.351 m3砼/t矿。以砼 300元/m3、矿柱回收成本50元/t计，矿柱置换总成本为155.3元/t，与目前超过300元/t原矿售价比较，即使加上100元/t管理和销售费用，仍有相当的利润空间。

4 结束语

按照以上计算和确定的有关参数，结合现场实际情况，在实施中以安全生产为首要原则进行灵活适当调整，矿石回收率超过了85%，个别条件较好地段达到了90%，取得了较好的经济效益。更重要的在于充分的回收了矿产资源，延长了矿山服务年限，提高了社会效益，促进了矿山的可持续发展。

图2 人工混凝土矿柱的布置

[1] 《采矿手册》编委会.采矿手册(第四卷)[M].北京:冶金工业出版社，1990.

[2] 高 磊，等.矿山岩体力学[M].北京:冶金工业出版社，1979.

[3] 李兆权.应用岩石力学[M].北京:冶金工业出版社，1994.

[4] 金宇松，黎文斐.中厚近水平矿体采矿技术探讨[J].中国高新技术企业评价，2009，(19):176 －177.

2011－03－28)

杨秀明(1965－)，男，贵州湄潭人，工程师，主要从事矿山开采设计与管理，Email:Yang7588989@sina.com。