某矿分段空场嗣后胶结充填底柱置换方法研究

朱俊宁 赵周能 张志贵 潘 锋 陈 勃 孙宇超

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

某矿位于甘肃省嘉峪关市西南部祁连山腹地，海拔2 640～3 310 m，相对高差500～700 m，是我国同类矿山中海拔较高、自然条件较为艰苦的矿山。该矿区除了铁矿体以外还赋存铜矿体，位于Ⅴ号铁矿体的下盘，且超前于铁矿开采，因此，铜矿开采会对上部铁矿带来一定影响。为保证铁矿顺利开采，采用分段空场嗣后胶结充填法。由于开采过程中矿块预留6 m高顶柱，有较高的回收价值，因此为回收该部分矿石，在上中段构筑人工底部结构，并浇筑钢筋混凝土人工假底。矿山采用1∶4尾砂胶结充填，充填体的抗拉强度远小于钢筋混凝土，且整体性受灰砂比影响较大，粘结力较低，其下工作人员安全势必受到威胁，因此铺设0.5 m厚的钢筋混凝土人工假底作为下中段的人工假顶。由于前人对置换底柱的研究不多，因此有必要对置换底柱作较详细的探究。

1 开采现状

该矿在长1 100 m(2～12线)、宽250 m的范围内有大小矿体共9个，其中CuⅠ、CuⅡ矿体提交的资源储量占总资源储量(金属量)的99.55%，其他矿体规模小、地质勘查程度低，铜矿开采对象主要为CuⅠ、CuⅡ矿体。CuI矿体赋存于2～12线的含铁碧玉岩及铁矿体中，FeI矿体为主要直接顶板围岩；CuⅡ矿体赋存于4～9a线间的蚀变千枚岩中，地表在5a～9a线间零星出露，断续长400 m，深部分布在4～9a线间，长度大于550 m，呈半隐伏—隐伏赋存状态。

该矿设计生产规模为30万t/a，投产后实际生产能力为20万t/a，服务年限共20 a。铜矿中段高度为60 m，矿体倾角为60°～85°，矿体厚度最高达43 m。前期开采中段为2 880～2 640 m，目前2 880 m中段回采已结束并正在充填，下一步将回采矿柱； 2 760 m中段为主要采矿水平，2 700 m和2 640 m 2个中段正准备进行开拓采准工作。

2 底柱置换方法

2.1 采矿方法

矿山采用分段空场嗣后胶结充填法，将中段划分为10～13 m分段进行开采，待矿石全部采出后，再用1∶4尾砂胶结充填体进行充填。采场设计由2 700 m水平回采至2 760 m水平，矿块沿走向布置，矿房长度30～40 m，矿房暴露面积在600 m2以内。采用堑沟式底部结构，堑沟底宽3.5 m。回采前，利用浅孔对堑沟受矿斜面以下矿石进行掏采，利用充填钻孔进行充填形成人工矿柱。矿房底部(包括矿体内出矿进路、堑沟、人工矿柱)铺设0.5 m厚的钢筋混凝土人工假底，以确保下中段顶柱安全回采。为便于充填架模、维护人工矿柱的稳定，置换空间与堑沟之间留3～5 m安全矿柱。最上分段高度为10 m，预留顶柱6 m，剩下4 m并入下分段一起回采。待矿房回采结束后，在出矿进路中凿扇形炮孔，回收残留矿石。矿房回采结束后，最上一个分段布置3个充填钻孔进行充填，如图1所示。

图1 分段空场嗣后胶结充填法

由于2 640 m和2 700 m中段的矿体在走向上长短不一，厚薄各异，因此，采切工程和矿块布置形式也不同。矿体厚度小于10 m时，不留顶底柱；当矿体厚度大于12 m时，预留6 m顶柱，并在进路侧预留护顶矿柱，其宽度由人工底柱和矿体厚度共同决定，置换“桃形矿柱”[1]并铺设0.5 m厚钢筋混凝土人工假底。矿体厚度小于17 m时，沿走向将矿体划分为一步回采矿房和二步回采矿房(矿房长度相同)，回采过程为“隔一采一”，一步矿房回采完毕后进行胶结充填，然后进行二步回采并充填。矿体厚度为17～25 m时，沿走向逐一回采，即采完一个矿房后立即进行充填，待充填体稳固后再开采相邻的矿房。矿体厚度为25～43 m时，沿走向划分为上下盘矿房，先回采下盘矿房，待充填后再回采上盘矿房。

2.2 底柱置换

2.2.1 人工底柱置换空间开挖

为安全高效回收矿石，需置换底柱。先由采场底部结构中的出矿进路向前掘进至人工底柱构筑位置，再沿采场走向掘进，贯通相邻出矿进路之间的置换空间。置换空间为圆弧形断面，宽不超过6 m，高4 m，圆弧半径为4 m。开挖上盘人工底柱置换空间时，由于先行构筑的下盘人工底柱强度较差，爆破时易被崩落，则需在人工底柱分次开挖分界处留1～1.5 m隔离矿柱，具体方法如图2所示。

置换空间形成后，铺设0.5 m厚的钢筋混凝土人工假底。以置换空间巷道为凿岩巷道，向上布置中深孔，扩挖置换空间，宽不大于6 m，高不大于12 m，具体方法如图3所示。

2.2.2 人工底柱置换空间的形成

(1)一步开挖。一步开挖采用掘进爆破，周边实施光面爆破。光面孔间距0.6 m，炮孔密集系数0.8，光面层厚度0.75 m，不耦合装药系数1.3，光面孔线装药密度0.1～0.12 kg/m，药卷直径为32 mm。掏槽眼、辅助眼和底孔等炮孔按矿山常规爆破布置。

图2 人工底柱置换空间一步开挖

图3 人工底柱置换空间二步开挖

(2)二步中深孔扩挖。以置换空间巷道为凿岩巷道，向上布置中深孔，最小抵抗线1.5 m，孔底距1.3 m。矿体倾角相对较小，如矿体厚度小于10 m，倾角为60°时，底部置换空间的上部按上述爆破参数布孔，下部布置2个辅助孔。如图4所示。

图4 底柱置换空间中深孔布置

2.2.3 浇 筑

人工底柱置换空间形成后，铺设钢筋混凝土人工假底，由上分段凿岩巷道向下打倾斜充填钻孔，输送充填料。为了确保接顶充分，每个采场布置3个钻孔，直径120 mm，如图5所示；输送充填料前，先沿进路距采空区1.5～2 m处架设厚0.65 m的挡墙。

3 钢筋混凝土人工假底施工

3.1 人工假底构筑方式

人工假底的铺设工序分为4个阶段：整平、铺设碎矿垫层及塑料薄膜、铺设钢筋网、架模并浇注混凝土料[2]。铺设人工假底前，先平整底板、清理采场内的浮石，保证采场尽量平整，从而确保人工假底施工质量；将清理的碎矿平铺底板并扒平，保证底板留有20cm的碎矿垫层，并在碎矿垫层上铺一层塑料隔水薄膜，用于隔离人工假底和碎矿垫层，铺设薄膜时应避开超挖部分；然后在其上铺设钢筋网；最后架模并浇筑混凝土料。具体施工如图6所示。

由于现场加工钢筋较困难，因此在地表进行钢筋加工作业，根据计算所需钢筋用量，在现场实地测量截取相应的长度；按照规范，将钢筋两端加工成弯钩状，钢筋的弯起点应距端头250 mm；再将长宽厚为150 mm×150 mm×5 mm的薄铁片焊接在竖筋两端。待以上钢筋加工完毕后，运至施工现场进行绑扎焊接。

图5 人工底柱充填钻孔和挡墙布置

图6 钢筋混凝土人工假底

3.2 人工假底施工

矿体上盘处超挖固定钢筋的空间(约500 mm×500 mm)，将纵筋一端搭接于其中，并在上盘打锚杆连接纵筋；另一端搭接于矿体下盘并延伸出边界1.5 m；选用砂浆锚杆或涨壳式预应力中空注浆，锚杆直径φ25 mm，长1 500 mm，间距2.0 m，钻孔直径50 mm，孔深1 m。横筋和纵筋分别按计算间距排开，弯钩朝下，两筋交汇处用铁丝捆绑(必要时用焊接)，即形成一张钢筋网。为提高钢筋网的整体性，可在钢筋网上铺一层金属网，并使用铁丝绑扎牢固。绑扎的同时，将接头整平，便于浇筑混凝土。然后将竖筋一端插于底板的碎矿垫层，将其与钢筋网绑扎成整体。将竖筋垂直于钢筋网按2 m×2 m的间距布置，竖筋长度为人工假底厚度[3]。钢筋铺设方式如图7所示。

在地表将混凝土干料搅拌好，1 m3混凝土配比为水泥∶砂∶石子=218.75 kg∶580.85 kg∶1 198.77 kg。使用JC3-D液压混凝土搅拌运输罐车运输至施工现场浇筑。浇筑时将上边界的超挖空间填满，并保证槽内的钢筋全部被混凝土包裹，洒水养护7～21 d。

图7 钢筋铺设

3.3 人工假底布筋计算

针对15#矿块进行配筋计算。15#矿块位于2 700 m中段3勘探线和4勘探线之间，矿块长39 m，厚16～19 m，矿块高12 m。采场(进路)跨度L为5 m，采场跨度之半l为2.5 m；1∶4尾砂胶结充填体的内摩擦角α为31.8°，其容重γ1为19.62 kN/m3。

3.3.1 载荷计算

根据塌落拱原理，进路开挖后，人工假顶上覆充填体会出现近似等边三角形载荷，如图7所示。

图8 等边三角形载荷

首先计算塌落拱高度[4]：

(1)

沿长轴方向取单位长度1 m三角形塌落体进行载荷计算：

(2)

式中，s为三角形面积，m2，s=(1/2)HL=(1/2)×4.03×5=10.08 m2;b为长轴方向的单位长度，取1 m。

将已知数据代入(2)式，可得人工假顶上覆充填体重为：

则钢筋混凝土人工假底所受总载荷为

q=q1+γ1h=39.55+24.53h=51.82 kN/m2,

式中，h为人工假底厚度，取0.5 m；γ2为C20混凝土容重，γ2=24.53 kN/m3。

因此，人工假底所受载荷取51.82 kN/m2。

3.3.2 配筋计算

根据矿山实际情况，钢筋采用材质为HPB300的热轧钢筋，选用C20混凝土，其弹性模量25 500 MPa，泊松比μ为0.2；一步回采时，人工假底支座为两帮千枚岩或铜矿石，其弹性模量Ej1=10 000～ 80 000 MPa；二步回采时，进路支座为1∶4的充填体或围岩(千枚岩)，其弹性模量Ej1=613 MPa或 100 00～80 000 MPa。由文献[5]可知，支座的弹性模量与人工假底的弹性模量之比Ej/El和人工假底弯矩M成反比，即当Ej/El取最小值时，弯矩M最大。因此为安全考虑，按最大弯矩考虑，以充填体支座为计算基础，即Ej/El=0.024，则由可知人工假底的最大弯矩：

51.82×2.5=137.79 kN·m

其中，

考虑1.4倍的安全系数，则Mmax=194.31 kN·m。

根据钢筋混凝土施工标准[6]，钢筋混凝土人工假底截面的有效高度为

h0=h-as=500-20=480 mm,

式中，as为钢筋混凝土保护层的安全高度，即受拉钢筋重心至受拉混凝土边缘的垂直距离。当混凝土等级大于C20时，as至少取20 mm。

钢筋混凝土人工假底截面抵抗矩系数为

式中，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，取9.6 MPa；α为等效矩形图形系数，α=1.0；b为取单位宽度的人工假底进行计算，b=1.0 m。

根据αs值，对照钢筋混凝土矩形截面受弯构件强度计算表，查得钢筋的内力臂系数γs为0.95。则钢筋混凝土人工假底纵向钢筋截面面积为

0.001 595 m2=1 595 mm2,

式中，fy为钢筋抗拉强度设计值，HPB300钢筋的抗拉强度设计值为270 MPa。

3.3.3 检 验

(1)最小配筋率验算。

As,min=ρminbh,

(3)

式中，ρmin为最小配筋率；As,min为钢筋最小截面面积，mm2。

实际最小配筋率为

(4)

式中，ft为混凝土的抗拉强度，C20混凝土抗拉强度为1.1 MPa。

将已知数据带入式(4)，得

ρmin=0.18%<0.2%.

钢筋混凝土规范要求钢筋混凝土最小配筋率不能低于0.2%，因此，最小配筋率取0.2%。将已知数据代入(3)式得：

As,min=1 000 mm2

满足要求。

(2)最大弯矩检验。

(5)

式中,Mu为钢筋混凝土人工假底的弯矩承载力。

考虑修正指数

则截面抵抗矩系数为

将已知数据代入(5)式，得

Mu=212.33 kN·m>Mmax=194.31 kN·m，

满足要求。

根据配筋计算结果，钢筋混凝土人工假底的配筋图如图9所示。

图9 钢筋网结构

4 结 论

(1)矿山在回采底柱时置换“桃形矿柱”并铺设0.5 m厚的钢筋混凝土人工假底方法是可行的。

(2)人工假底配筋横筋总截面面积为301.6 mm2，φ8 mm，间距160 mm；纵筋总截面面积为 1 781.3 mm2，直径为18 mm，间距为140 mm，满足最小配筋率和最大弯矩。

(3)开挖上盘人工底柱置换空间时，为避免先构筑的人工底柱发生破坏，保证作业人员安全，需在人工底柱分次开挖分界处留1～1.5 m隔离矿柱；为便于充填架模、维护人工矿柱的稳定，置换空间与堑沟之间留3～5 m安全矿柱。

(4)由于地下空间有限，建议钢筋先在地表截断再运至现场进行绑扎；钢筋混凝土浇筑后洒水养护7～21 d，再充填置换空间。

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