人工组合点柱代替矿柱回采矿石及稳定性计算

柴衡山 刘 涛 张晨洁

(西北矿冶研究院)

人工组合点柱代替矿柱回采矿石及稳定性计算

柴衡山 刘 涛 张晨洁

(西北矿冶研究院)

房柱法回采矿房，遗留了大量点柱和间柱，约占矿房总矿量的30%。矿房回采后，为了维持采空区的稳定，通常只能回收一小部分矿柱，造成矿石的大量浪费。为此，提出采用“圆木+混凝土”组合形式的人工点柱代替矿柱支撑采空区，设计了3种人工点柱组合形式，对其受力、安全性和经济性进行了计算分析，通过在新城金矿残留矿柱回采中的应用，矿柱回采率达到85%以上，且能够有效保障采场的作业安全。

人工组合点柱 稳定性计算 矿柱回收 房柱法

矿产资源是维持矿山可持续发展的基本条件，残留矿柱的回收是矿山可持续发展的基本途径。近年来，我国探索出了多种残留矿柱和难采矿体的回采方法，并进行了大量的生产实践[1-6]。

为保证矿柱回采过程中的安全性，需要对矿柱回收后矿房的稳定性进行计算分析[7-10]。我国矿山开采综合水平较低，大部分矿山采用空场法采矿，预留了大量矿柱。由于矿体赋存状态的不同，不同的矿山回收方案也不相同，贵金属(金、银)矿，由于矿石价值较高，回收矿柱产生的经济效益大，在安全的条件下，最大可能的回收矿柱是提高矿山经济效益的主要途径。为此，对于缓倾斜矿柱和水平矿柱，研究采用人工点柱代替矿柱支撑采空区，以保证采空区的稳定性。在新城金矿残留矿柱的回采中，通过安全、经济、技术可行等方面的综合比较，采用“圆木+混凝土”组合形式，设计了3种人工组合点柱形式，矿柱回采率达到85%以上，且有效地保障了采场的作业安全。

1 人工组合点柱受力分析

1.1 单根木桩

引起木桩失稳破坏的形式有受压、抗剪切、弯曲等。

(1)木桩受压破坏时承受的压力为：

F1=k1s[σs] ，

(1)

式中,s为木桩横截面积，cm2；k1为木桩安全系数；[σs]为木桩抗压强度，MPa。

(2)受剪破坏时木桩可承受的抗剪强度为：

F2=k2s[τs] ，

(2)

式中，k2为木桩安全系数；[τs]为木桩纵截面抗剪切强度，MPa。

(3)受弯破坏时下端固定上端铰承受的最大压力：

(3)

式中,Pcr为临界压力，kN；E为木桩抗压弹性模量，MPa；I为木桩横截面对于其形心轴的惯性矩最小值，m4；L为桩的高度。

1.2 “圆木+混凝土”组合点柱

1.2.1 “圆木+混凝土”组合点柱形式

人工点柱的设计和布置与现场围岩稳定情况、顶板暴露面积等因素相关。“圆木+混凝土”人工点柱长度与采场高度相等或略低于采场高度的木桩钉在一起组成筒体，筒体内部充填混凝土至采场顶部，然后喷射200～300 mm厚混凝土将筒体外部加固。该点柱具有承载力强、施工简单等特点，其组合形式根据不同工程条件通常有三角形、正方形和多边形，见图1所示。

图1 人工点柱的组合形式示意

1.2.2 组合点柱承载能力计算

“圆木+混凝土”人工组合点柱的承载能力与两种材料的组合面积和弹性模量有关，由于混凝土和木桩浇筑为一体，故混凝土与木桩在受压时其应变相等，即：

(4)

其承受的压力可表示为：

P=nσwSw+σcSc=nEwεSw+EcεSc.

(5)

人工组合点柱的横截面积可表示为：

S=nSw+Sc.

(6)

由式(4)～式(6)可得：

P=nεSw(Ew-Ec)+EcεS.

(7)

式中，Sw、Sc分别为木桩、混凝土横截面积，m2；Ew、Ec分别为木桩、混凝土弹性模量，MPa；σw、σc分别为木桩、混凝土横截面应力，MPa。

要使人工组合点柱的承载力达到最大，根据多元函数求极值的方法，式(7)只要满足：

(8)

即：

Ew-Ec=0 .

(9)

由式(9)可知，当木桩的弹性模量与混凝土的弹性模量相等时，组合点柱的承载能力达到最大值：

Pmax=EcεS=σcS.

(10)

2 工程应用

2.1 工程概况

新城金矿是我国黄金行业的典型矿山，是山东黄金集团旗下的龙头企业。通过多年开采，遗留了大量的矿柱和顶底柱残矿，占该矿总储量的8%，金金属量约4t，平均品位8g/t。如充分利用原来的生产系统，回收这部分遗留矿柱，生产成本低，经济效益十分可观，如不及时回收，受到地压影响坍塌后无法再利用。因此，矿房回采结束后尽快回收矿柱，既可保障残矿回收的安全性，又可节约开采成本。

2.2 矿柱回采存在的问题

新城金矿矿体赋存复杂，属中等稳固，局部节理发育，矿体倾角25°左右，厚度3～5m。矿体上盘围岩破碎，稳定性较差，矿体中段矿房回采已经结束，矿房内遗留的矿柱由于受到多次爆破震动和应力多次分布的影响，矿柱内裂隙更加发育，强度大幅下降，回采安全性降低。矿房回采时，大量的探矿巷道、采准巷道分布其中，部分巷道由于常年未维护，冒落严重。以上因素都对矿柱回采造成了一定的难度，需加强人工点柱的支撑作用。

2.3 组合点柱现场应用及经济性分析

采用人工点柱代替矿柱支撑采空区，每采一个矿柱浇注一个人工组合点柱。根据空区高度不同采用不同的点柱形式，空区较低时采用三角形组合点柱，空区较高时采用多边形组合点柱，中等高度时采用正方形组合点柱。为了保证人工点柱有足够的承载能力，其直径应保证不低于1.5～2m。

由于矿柱内部存在大量的裂隙、节理，经计算直径3m的矿柱强度与直径2m的人工组合点柱相当，可用直径2m的人工架柱支撑采空区，其综合成本6 652元。

直径3m的矿柱所含矿石量为59.346t,平均品位8.0g/t，按照金价250元/g计算，回收一个矿柱可产生118 692元的产值，扣除人工点柱的综合成本6 652元，可盈利112 040元，即每吨矿石的盈利为1 887.9元，经济效益可观。

3 结 论

(1)结合矿山残留矿柱回收的难点和实际工程条件，提出用人工点柱代替矿柱支撑采空区，从而提高矿柱回采率和安全性。

(2)对人工点柱的受力进行了分析，当木桩的弹性模量与混凝土的弹性模量相等时，组合点柱的承载能力达到最大值。

(3)将该方法应用于新城金矿，矿柱回采率达到85%以上，现场试验表明，人工组合点柱能够有效地保障采场作业安全，防止岩石冒落和片帮事故的发生。

[1] 王宏岩．矿柱稳定性对矿柱回收的影响[J]．中国矿山工程，2012(4)：21-23．

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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，助理工程师，730900 甘肃省白银市人民路19号。