大跨度钢筋混凝土梁板结构在采场底部结构中的应用

曾平国 ,曾先贵

(1.浙江省遂昌金矿有限公司，　浙江 遂昌县　323304；2.长沙市地质灾害监测评价中心，　湖南 长沙　410016)



大跨度钢筋混凝土梁板结构在采场底部结构中的应用

曾平国1,曾先贵2

(1.浙江省遂昌金矿有限公司，浙江 遂昌县323304；2.长沙市地质灾害监测评价中心，湖南 长沙410016)

摘要：遂昌金矿随着开采年限的增加，资源日益枯竭，为了节约和综合利用矿产资源，在原大矿体底部结构中，采用钢筋混凝土梁板结构人工假底替换矿石矿柱，介绍了人工假底设计及其施工方法，根据力学计算，人工假底采用5根2 m×3 m的梁与1.5 m厚的板组合结构，现场实践表明，采用该人工假底后，不仅保证了采安全区的安全性，而且有效回收了矿产资源增加了企业效益。该人工假底可为类似开采人工矿柱构筑提供实践经验。

关键词：人工假底；钢筋混凝土；梁板结构；底部结构

1工程概况

遂昌金矿产于前泥盆纪变质岩的北东东构造蚀变带中，为中温热液贫硫化物浅层建造含金银交代脉石英岩型矿床。矿石类型为富含金银贫硫化石英脉，平均品位：Au：11.5 g/t；Ag：190.27 g/t，矿体倾角一般为45°～60°，厚度为0.33～18 m不等，属薄～中厚倾斜矿体。矿体及围岩多处受到成矿后断层错动及岩脉穿插，局部节理裂隙发育，部分矿体上盘围岩存在平行于矿体的大小裂隙和光面，稳固性较差。矿石为脉石英岩，f=16～18，围岩以黑云母斜长片麻岩为主，f=16～18。

矿山为地下开采，采用平硐—盲竖井开拓系统，阶段高度40 m，采矿方法为留矿全面法，矿块沿走向布置，其长度一般为25～50 m，底柱高度为5～6 m，顶柱高为3～4 m，矿房两侧间柱宽度各为3～4 m,。底部结构主要为普通漏斗和电耙堑沟2种形式。针对品位较高的矿块，顶底柱及间柱先于矿房回采，然后构筑人工矿柱。至今已累计浇灌混凝土近3万m3，多回收矿石7万多吨。以往构筑的各类人工矿柱，其跨度一般均小于8 m，该采场人工矿柱平均厚度约10 m，为矿山首个大跨度人工矿柱。

26512矿块为V-1矿体西端顶部矿块，位于L3线东侧，东以霏细岩为界，西以一组断层为界。在+260 m中段矿块走向长度约为50 m，矿体水平厚度为2～14 m，矿房内有1～2条的夹石，矿体延伸至+280 m付中段两条矿体合并。矿块在+280 m付中段走向长度约45 m，矿体水平厚度为1.4～4.5 m，矿块走向上呈现中间厚两端薄，矿体总体产状为200°∠50°，产状较为稳定。矿块平均品位为：Au：14.69 g/t；Ag：171.13 g/t。

2人工假底设计

根据该矿块的地质形态及周边矿房位置关系，并结合矿柱资源的综合回收，设计在+260 m中段底部构筑人工假底。因矿体在该中段厚度大，且矿体顶底板围岩片状节理较发育，若采用矿山惯用的钢筋混凝土板进行设计，则满足不了采下矿石的承压荷载及构件自身的稳定性，故选用倒“T”形梁板组合结构进行设计。

矿房走向长度50 m，段高40 m，松散矿岩堆积高度H=35，矿体倾角α=50°，矿岩容重γ为26.75 kN/m3，内摩擦角￠=38°，松散矿岩与采场岩壁的摩擦系数tgθ=0.78，采场计算真厚度H0=7.5 m，采场上盘不稳固岩层平均厚度B=4 m，选用200#混凝土及Ⅰ、Ⅱ级钢筋，Ra=107.8 MPa，Rw=137.2 MPa,安全系数n取2，混凝土自重q=23.52 kN/m3。

2.1梁的计算

梁按照点柱结构进行计算，点柱一般位于采场中间，起减小采场跨度和支撑地压的作用，其所受外力主要来自上盘围岩的松散地压和变形地压。设计时即以此作为结构强度计算依据。

2.1.1荷载计算

设计点柱垂直顶底板布置，其所受压力为上盘不稳固岩块的重力在垂直点柱轴心方向的分力。按照面积承载假设理论，该地压值可用式(1)计算：

(1)

式中:Q——地压值，N；

S——点柱承担的顶板面积，m2；

γ——上盘围岩容重，N/m3；

B——不稳固岩块平均厚度,m；

α——矿体倾角。

即：Q=SγBcosα=687.78 MN。

2.1.2强度计算

梁的强度同样按照点柱计算其强度，梁设计为钢筋混凝土结构，为保证其自身的稳定，根据经验公式Sp/Sc=(D/H0)1/2，可推出梁设计强度计算公式(见式(2)):

(2)

式中:Sp——梁设计强度， N/m2;

Sc——混凝土立方试块强度， N/m2;

D——矩形断面点柱最短边长(或圆形断面点柱直径)，m;

H0——点柱高度，m;

D/H0——点柱宽高比，据经验确定。

即：Sp=(D/H0)1/2·Sc=48.21 MPa

2.1.3确定梁断面积

根据点柱平均应力小于等于其许用应力条件，可得下式(3)：

(3)

式中：Ap——点柱断面积，m2；

n——安全系数。

即：Ap≥n·Q/Sp=28.53 m2

据此确定梁为5根断面积为2×3 m2的矩形梁，合计断面积为5×6=30 m2，此时宽高比为0.2，Sp为48.21 MPa，安全系数为2.1。

参照轴心受压构件的适筋梁配筋要求，配置纵向受力钢筋为每根梁20×Φ28,沿截面等距均匀布置，配筋率为0.21%。

2.2板的计算

人工假底其主要作用是隔离上下中段采场中的松散矿岩。因此，假底的荷载计算应以其上部堆积的松散矿岩静压力为设计依据。

从应力传递概念出发，按照太沙基散体地压理论，当矿体倾角不大时，松散矿岩与上盘围岩接触不紧密，摩擦力可忽略不计。假定松散矿岩的全高重力除克服与底板接触面的摩擦力外全部加载在假底上，此时，假底所受平均压力可用式(4)计算。

P=γH(sinα-cosαtgθ)

(4)

从式(4)可知，P的大小在α、γ、θ一定的条件下只与H有关，而与厚度无关，但实际上矿体厚度越小，P值越小；而当H超过一定值后对P值得大小影响甚微。由此可见式(4)适用于矿体厚度较大而松散矿岩堆积高度不太大的情况。

取1 m宽板为计算单元，板厚为1.5 m进行计算，根据公式(4)可知:平均压力P= 26375×103×35×(sin50°-cos50°×0.78)=2.48 MPa；构件自垂均布荷载q=23.52×103×1.5×sin50°=0.27 MPa；最大弯矩Mmax=1/8(P+q) ·H02=1/8(2.48+0.27) ×7.52×105=19.34 MN/m；据此计算配筋截面为60.29 cm2，取10×Φ28，分上下两层等距布置。

综合以上计算结果，该人工假底设计采用5根2 m×3 m规格(宽×高)的梁与1.5 m厚的板进行组合(见图1)。

图1梁板组合结构(单位 mm)

3施工方法

(1) 场地开挖与平整。首先，根据采场地质平面资料，提前对该人工假底标高位置矿体进行切采，并依据梁板设计标高及施工作业空间控制上采高度，上采至预定标高后放出部分松散矿岩，大部分松散矿岩用作假底浇筑垫层，结合采场上下盘实际倾角进行场地平整(原则上梁板截面应垂直上下盘围岩，若假底跨度大，可适当降低其坡度)。

(2) 插筋眼孔施工及围岩加固。场地平整后，依据钢筋结构布置沿采场走向及倾向进行眼孔标定，眼孔位置及眼深必须按设计施工，防止构件布置发生改变而影响其力学性能。若在眼孔施工时发生围岩开裂，则采用树脂锚杆进行围岩加固，确保插筋处在稳固岩层内。

(3) 构件架设。构件架设前，需先在松散垫层上铺设一层油布，以防止浇捣时渗浆。依据构件布置图进行构件架设及支模，并按指定位置预留卸矿口，并敷设好工作面至上部搅拌混凝土所在位置的自流管道及人行通道。

(4) 混凝土浇捣。待以上所有工作都准备后，则按相应《混凝土结构工程施工质量验收规范》进行混凝土施工，由于采场施工条件受限，施工周期长，故每班浇捣作业前需进行混凝土施工缝的处理。

4效果浅析

自2008年该假底完工养护期满后继续回采采场上部矿体，共采出矿量17450 t，因企业供配矿生产计划的原因，假底上部松散矿存窿期约6年，在此期间，人工假底自身结构未出现任何变化，且假底以上采空区顶底板未出现冒落，对采空区顶底板的维护管理发挥了积极的作用。从资源的回收效果分析，若采用预留矿石矿柱，则将损失近4500 t矿石资源，采用人工假底置换后，多回收矿产金属量Au：51.7 kg、Ag：856.2 kg，剔除人工假底构筑成本，增加企业经济效益约1293万元。

5结论

遂昌金矿随着开采年限的增加，企业资源日益枯竭，保有资源储量与矿山现有的生产能力相比，资源紧张状况相当严峻，2005年被国土资源部列为资源危机矿山。历年来，企业高度重视矿产资源节约与综合利用，想方设法提高资源回收率，采取低品位边角矿块与高品位矿体相结合开采、应用(钢筋)混凝土替换各类矿石矿柱等方式。仅2009～2011年期间，开采回收率均达到99%以上，用于提高“三率”项目的总投入达3465.43万元，增加产品金218.106 kg、银2927.15 kg；增加企业收入6476.98万元；经济效益为3011.55万元，达到了很好的经济，社会效益。

参考文献：

[1]张德明.新编矿山采矿设计手册[M].北京:中国矿业大学出版社,2006.

[2]高磊,等.矿山岩石力学[M].北京:机械工业出版社,1987.

[3]柳桂山,等.遂昌金矿二期工程初步设计[R].北京:北京有色冶金设计研究总院,1996.

[4]曾庆友.人工假底上向分层废石充填法在玉水硫铜矿的应用[J].采矿技术,2010,4(10):17-19

[5]李荣辉,等.人工假底替换采场底柱在淘锡坑钨矿的应用[J].有色冶金设计与研究,2012(3):33.(收稿日期：2015-07-06)

作者简介：曾平国，男，江西南丰人，采矿工程师,主要从事采矿工艺、采矿方法研究及矿山技术管理，Email:115967381@.com。