基于点柱充填采矿法的矿体顶底柱规模化采矿研究

刘晓光，付殿武，付秋波，孙星，苏环，王京生

(1.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台市 264000；2.东北大学，辽宁 沈阳 110000)

0 前言

当前，我国越来越关注在开采资源中对环境生态的保护和修复，传统的采矿方法逐渐被摒弃，比如空场采矿法和崩落采矿法，逐步转用充填采矿法。所以，怎样基于充填采矿法实施超大规模回采逐渐变成了矿山公司健康稳定运行的核心[1]。对于点柱式上向水平分层充填法而言，其可以确保回采的安全性和规模性，最主要的原因就是在空区有点柱支撑顶板，该顶板长期有效，另外也能够实施分层填充，从而让支护体系更加科学合理，实现围岩-点柱-充填体的结合。由于点柱和充填体共同支撑，使得回采的安全性进一步增大[2]。

张小刚等[3]出于增大矿山生产能力的目的，对三山岛的海底矿床的开采方式进行创新，引入了点柱式分层充填采矿法，提高了矿产开采的安全性和可靠性；侯朝富等[4]以瓮福磷矿磨坊矿段轻微倾斜中厚矿体为对象进行探究，发现在对其进行开采后通常会有很大的顶板下沉，进而引入了点柱式充填采矿法，有效地解决了上覆岩层沉降问题，也较为有效地治理了采空区，保障了生产的安全性；李全京[4]在研究李官集铁矿首采矿段时，提出采用点柱式大面积上向分层充填采矿法，进而实现了开采成本最小化的目标。以新城金矿Ⅴ#矿体为对象，深入考虑矿体的地质条件，提出点柱式充填采矿法，从而实现了Ⅴ#矿体的开采。

1 工程地质情况

该矿体存在于断裂构造带当中，矿体的顶板岩石类型有绢英岩、花岗闪长质碎裂岩，通过对底板的岩石进行分析，得出其主要类型是绢英岩化似斑状花岗闪长岩。Ⅰ#、Ⅴ#矿体是其核心，其矿体形状有2种形式，一种是层状，另一种是似层状，地表矿体通常在177线—185线间分布，其出露长度高达120m，地下矿体分布范围是143线—187线，同时往SW侧伏，其角度为45°，垂直标高的最深控制标高为−765m，矿体主要存在于焦家断裂的主裂面，受其影响和掌控。总体走向NE37°，倾角为30°，其走向最长延伸超过600m，所控制的斜深为1120m。

Ⅴ#矿体的分布范围主要是在−430m中段下侧的165～188线之间，主要存在在Ⅰ#矿体倾斜延深的侧面，其走向延伸长度达到了435m，矿体形状是层状类型，厚度一般为10m～30m，最厚达到62.5m，本质上是厚度变化非常固定的类型，在对资源储量进行圈定的过程中，所用到的样品数量是472件，这些样品的品位通常是在(1～11.8)×10−6范围内，平均值大约是3.61×10−6，为有效成分分布均匀的矿体。

2 采矿方案

点柱充填采矿法本质上是在矿体回采时，要比较均匀地留下一些矿体来充当矿柱支撑，从而提高回采作业时顶板的安全性和稳定性。对新城金矿Ⅴ#矿体−580m中段的研究发现，其在进行顶柱回采过程中所面临的最大困难就是怎样保障上部人工混凝土假顶的可靠性，所设立的点矿柱要平均地放在人工假顶的正下方，从而保障人工混凝土假顶所受到的压力相同，避免出现整体冒落和折断现象。针对充填采矿法，因为充填体的重力因素以及接顶难度非常大等困难，尚不能直接对其顶部进行支撑。将点矿柱充填采矿法应用于实践时，充填体需要遍布点矿柱的周围，这就等同于给点矿柱增加了一部分围压，进而提高了点矿柱的强度。本文把Ⅴ#矿体−580m中段顶柱分成了4个盘区，基于174、179、184勘探线，对顶柱实施划分，形成了4个盘区。采场方向和矿体走向保持一致，长度范围在30m～45m，宽为5m。盘区及采场布置如图1。

图1 盘区布置

2.1 点柱尺寸的计算

点柱的设计以矿柱的强度和作用在点柱上的最大垂直负荷的估算为基础。负荷的大小按面积分配理论确定，并受矿石回采率的控制，在充填体包围下的点柱，其破坏是在充填料内部逐步形成的，不会产生突然的破坏。所以点柱的设计可按安全系数为1考虑。即Cp（点柱强度）=δp（点柱应力）时可以稳定支撑顶板。

点柱强度计算的经验公式为：

式中，Cp为点柱的强度，MPa；0δ为30 cm×30 cm×30 cm岩体单轴抗压强度，MPa；W为点柱宽度，m；h为点柱高度，m。

点柱负荷的计算公式为：

式中，pδ为点柱的负荷，MPa；vδ为应力垂直分量，MPa；vδ为0.036H，H为被计算矿柱的埋藏深度，m；Ap为矿柱的总面积，m2；At为总体开采面积，m2。

点柱尺寸的估算是根据对矿岩不连续界面的量测、统计分析，按梁柱理论计算顶板沿走向跨度和点柱间距，并按点柱内相交的不连续界面交割的楔形块体重量所必须的支撑面积来估算。最终由岩石力学专家和采矿工程师根据岩石力学试验成果，结合设计矿山特点并参考类似矿山的具体经验共同研究确定。

由于新城金矿Ⅴ#矿体−580m中段顶柱上面的人工假顶稳定性不能确定，因而设计的点柱尺寸较小，为3m×3m，根据上面的公式可以计算得到点柱中心距为7.5m，每个点柱承受57m2顶板所承受的垂直应力。计算得到的点矿柱占矿石总量的16%。

2.2 采矿方法

采场的确定依据矿体走向，在采场中平均留出一部分矿柱支撑顶板，从而确保顶板的稳定性和牢固性。针对任何一个盘区，在其内部必须从上盘沿矿体走势开设切割巷，充当回采作业空间，回采模式为从上而下。顶柱的高度为6m，所以在开展回采过程中，所采用的方式为两层阶梯。该种采矿方式可以提供非常强劲的垂直压力，以此来支撑顶板，但采矿的工艺非常繁琐，而且不可以经受水平力，所以在充填过程中要设立隔离挡板。采矿方法见图2。

回采顺序如下：

（1）采场布置和矿体走向相垂直，其开采方向为自上而下，回采时需要在每间隔4.5m处开设一条3m×3m的矿柱；

（2）其开采方向为从南到北，所产生的污风从北回风中流出；

（3）所有的盘区都采用后退式回采，其终点是盘区运输巷；

（4）在进行回采过程中，其回采模式运用阶梯型，任何一个台阶的高度是3m。

2.3 采准工程布置

从−530m中段运输大巷沿174、176、181、184勘探线向下倾斜挖掘出4条采场联络巷，进而实现通联。所开设的巷道断面为3.2m×3.1m的1/3三心拱型，所构建的联络巷的坡度范围控制在不高于12%。对于上盘来说，需要掘进一条切割巷道，进而充当第一次回采的工作面。采场沿矿体走向布置，宽为4.5m。

图2 采矿方法

2.4 回采工艺

（1）凿岩爆破。在对岩石进行凿破时，利用YT28气腿式凿岩机打出2.4m深炮孔，每隔2m设置崩矿步距。落矿眼设置成梅花形，排间距设置成0.6m～0.7m。孔间距设置成0.7m～0.9m，其顶板控爆眼排之间的距离小于0.5m，孔间距小于0.7m。所利用的炸药类型为2#岩石乳化炸药，利用非电导爆雷管进行微差爆破。不管是落矿眼还是控爆眼，都采用间隔填装炸药。

（2）掘进通风。在工作面上利用离心式风机进行强制通风，通风方法为JK58-1№4（5.5 kw）局扇和Φ300mm阻燃导风筒构建的压入式通风系统，设置高度比底板高0.8m。

（3）采场通风。进入的新鲜风需要由分段巷流入脉内运输巷，经过采场冲刷界面后，污风借助于所构建的临时回风巷流入北风井，从而排出地面。

（4）出矿。出矿时借助于铲运机在采场内部运输矿石，再用汽车运送到溜矿井。

3 经济技术指标

采用点柱式充填采矿法所留间柱的矿石损失率大约为19.2%，损失贫化率较低；同时点矿柱均匀地分布在采场的各个位置，可以均匀地支撑顶板，而且点柱在充填体的包围下不易破坏，采用从上盘到下盘的回采顺序可同时开采2个采场，经济效果显著。

4 结论

本文根据新城金矿矿体条件和地应条件，综合考虑经济技术因素及安全性，发现采用点柱式充填采矿法留不连续矿柱要比留连续矿柱的损失率低。在安全性方面，点矿柱均匀地分布在采场的各个位置，可以均匀地支撑顶板，而且点柱在充填体的包围下不易破坏。因此，点柱式充填采矿法完全适合新城金矿Ⅴ#矿体顶底柱的规模化开采。