肋板式人工假底在石湖金矿的应用

刘龙琼 王征 周乐 宋士生 温耸

摘要： 为维护岩体稳定，为下分段顶柱回采创造作业条件，提高资源回采率，石湖金矿在平行中深孔分段充填采场采用高强度肋板式人工假底替代矿体构筑底部结构。通过理论分析，确定人工假底可行性，并提出肋板式人工假底构筑方案。现场应用表明：在每个采场底部构筑人工假底，实现了矿体安全高效回采的目的，采矿损失率降低到3.52 %，矿石贫化率降低到5.36 %，采场不留底柱，平均每个矿块可新增经济效益526万元。

关键词： 平行中深孔分段充填;肋板式;充填体;人工假底;底部结构

  中图分类号：TD853.34 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）09-0067-05 doi：10.11792/hj20210912

   引 言

中国黄金集团石湖矿业有限公司（下称“石湖金矿”）是一座具有采、选、冶综合生产能力的国有矿山企业，1993年3月建成投产。目前，石湖金矿主要由101坑口、116坑口和石门坑口等组成，101坑口为主要生产坑口，石湖金矿现采选总生产规模为700 t/d，年处理矿石量18万t，年产黄金550 kg。101坑口主采矿体赋存于构造蚀变破碎带中，矿岩界线明显，矿体走向长约600 m，厚8～10 m，矿体走向约180°、倾角65°～73°，属急倾斜中厚破碎矿体。矿体岩性为硅化岩，硬度高，靠近上盘的矿体夹杂部分绿泥石，该部分矿体不稳固，极易塌方;上盘围岩为石英闪长玢岩，硬度亦较高，较稳固;下盘围岩为片麻岩，硬度高，较稳固。现针对101坑口急倾斜中厚破碎矿体主要采用平行中深孔分段充填采矿法回采[1]。

在原采矿方案常规开采过程中，为维护岩体稳定，创造继续回采作业条件，通常留部分顶底柱，由于顶底柱一般难以回收，因此造成资源严重浪费（顶底柱矿量占20 %～30 %）。为提高资源回采率，石湖金矿在品位较高地段试验应用了肋板式人工假底技术，以充填体人工假底替代矿体构筑底部结构，减少了顶底柱矿量的损失。

1 人工假底参数确定

1.1 强 度

国内外代表性矿山人工假底承载层的材料及强度要求[2-3]见表1。

根据石湖金矿101坑口的实际，在配置主、副钢筋及金属网的情况下，设计3.0 MPa以上的充填体强度可满足安全要求。依照全尾砂胶结充填体试块强度试验结果，最终确定以下充填参数：胶凝材料为胶固料，灰砂比1 ∶ 4，充填浓度68 %。

1.2 厚 度

根据俄罗斯Γ.Η.库兹涅佐夫的研究结果[4]，作为人工顶板的充填额定强度可按下式计算：

σ=2.8 γnb2（1+K） 1 000δ   （1）

式中：σ为人工假底额定强度（MPa）;γn为充填体体重（kN/m3）;b为回采进路的宽度（m）;K为承载层上部分层载荷系数，一般取K=1.0～1.5;δ为承载层厚度（m）。

当K分别为1.5，1.25，1.0时，σ值计算结果分别见表2、表3、表4。

在矿体厚度平均8 m的情况下，根据人工假底胶结充填体质量指标要求达到的3.0 MPa强度，对比表2～4可知，当人工假底厚度为2.0 m时，其充填体额定强度为3.10～3.88 MPa，可以满足人工假底的强度要求。

1.3 受力分析

人工假底承受的充填体载荷情况比较复杂，难以准确计算。本次研究采用3种计算方法，并进行对比分析。

1）简支梁简化算法。人工假底下部矿体拉开后，人工假底的受力状态主要由人工假底上部的充填体自重所决定。矿房内的充填体在重力作用下有向下滑动的趋势，由此而产生下滑力（F1）和摩擦力（f1），其合力（F1′）直接作用于人工假底上，在水平方向上，F1′产生的水平分力使人工假底有向上盘移动的趋势，对人工假底作用不大，其垂直分力（G1′）是作用在人工假底上的主要影响力。同时，人工假底自重（G2）和G1′共同构成了人工假底所受的合力。因此，通过受力分析，可以将人工假底问题简化为受均布载荷的简支梁问题，这样一来便大大简化了应力计算工作。人工假底受力分析及力学模型简化见图1，力学计算见式（2）。

q= G2+G′ 1 S

G1′=G1sin α（sin α-μcos α）

G1=γ1Sh1

G2=γ2Sh2

（2）

式中：q为人工假底所受均布载荷（kN/m）;γ1、γ2分別为充填体体重、人工假底体重（kN/m3）;S为充填面积（m2）;h1、h2分别为充填体高度、人工假底高度（m）;μ为充填体与岩体间的摩擦系数，取0.3;G1、G2分别为充填体自重、人工假底自重（kN）;α为矿体倾角（°）。

经计算：q=34 557.1 kN/m，即人工假底所受均布载荷为34 557.1 kN/m。

2）杨森（Jansson）计算法[5]。该方法是基于以下假设导出的：充满松散充填体的空间内，任意深度垂直压力沿水平断面呈均匀分布;充满松散充填体中任意处的水平压力与垂直压力成正比;充填体不可压缩。杨森导出的公式为：

q= γA 1- C0P A   f0K1P × 1-exp 1- f0K1P A h    （3）

式中：A为采场水平面积（m2）;C0为充填体与岩壁的内聚力（N/m2）;f0为充填体与岩壁的摩擦系数，f0=tan φ0，φ0为充填体与岩壁的摩擦角（°）;γ为充填体体重（kN/m3）;K1为充填散体的水平侧压系数;P为采场的水平周长（m）;h为充填体垂直高度（m）。

根据杨森计算法得出的压力为均布压力，没有考虑倾斜周壁的情况，计算结果偏大，其中水平侧压系数可以采用朗肯系数KL=（1-sin φ）/（1+sin φ），φ为充填散体的内摩擦角（°）。

经计算：q=4 156.9 kN/m，即人工假底所受均布载荷为4 156.9 kN/m。

3）泰沙基（Karl Terzaghi）散体地压理论计算法[6]。泰沙基散体地压理论一般用于埋深不大的松散岩体地压计算。该理论计算方法见图2。分析微分体单元的平衡，导出的垂直应力（σV）为：

σV= α1γ-C0 K0tan （1-e-K0tan ）+σqe-K0tan    （4）

式中： K0 为侧压力系数;σq 为岩体上部所受应力 （MPa）。

水平侧压系数仍按照朗肯系数计算，将已知数据代入式（4）可得充填人工假底所受均布载荷为 28 936.9 kN/m。

由于人工假底属于简支梁结构，最大弯矩在采场宽度中间，因此可计算出其最大弯矩为：

M= qbj2 8   （5）

式中：M为人工假底最大弯矩（kN·m）;bj为人工假底宽度（m）。

将已知数据代入式（5）可得人工假底所受最大弯矩。3种计算方法所得人工假底所承受的均布载荷、应力和弯矩对比见表5。

为了保证安全，取3种计算方法中数值最大的一组数据进行进一步计算。

2 肋板式人工假底

2.1 布筋计算

由于试验采矿方法最上一分段切顶在人工假底下方，采用下向中深孔作业时，人员和设备需要在人工假底下作业，为了提高作业安全度，人工假底采用高强度胶结充填体结构，且要加配钢筋网。配筋截面积可由受弯构件强度计算公式求得：

Rwlhx=RgA主

kM=Rwlhx（h0- hx[]2 ）

h0=hj-s   （6）

式中：Rw为人工假底弯曲抗压强度（MPa）;l为人工假底单位长度，取l=1 m为计算单元;hx为人工假底受压区计算高度（m）;Rg为钢筋屈服强度，340 MPa;A主为主筋截面积（cm2）;k为人工假底强度设计安全系数，取1.2;h0为人工假底截面有效高度（m）;hj为人工假底截面高度（m）;s为纵向受拉钢筋合力点到截面近边的距离（m）。

经计算：A主=1.34 cm2。

因此，钢筋直径不能小于13 mm，故最终选用14 mm鋼筋作为主筋。

2.2 构筑工艺

石湖金矿采用肋板式人工假底结构进行人工假底构筑，其中“肋”指的是人工假底中间隔一定距离浇筑的嵌入矿体上下盘围岩内的长条状充填体（见图3），“板”指的是钢筋网与高浓度充填体共同浇筑的高强度充填块体。该肋板式人工假底利用高强度充填假底的立体结构和加固机理，形成整体性好、刚度较大的柔性结构层，在上下盘岩体内设置楔形加固区，采用模量渐变原理，实现刚性肋条式楔形加固段和柔性钢筋网骨架的平稳过渡，使高强度充填体人工假底与上下盘围岩形成一个整体。

1）预留碎矿垫层和铺设塑料薄膜。拉底层全部拉开后进行人工平场，将拉底层残留矿石扒平，使底板纵横向平整，底板留有厚200～300 mm的碎矿垫层，在碎矿垫层上铺盖一层塑料薄膜。

碎矿垫层可保证下分层回采炮孔与人工假顶间距离，对爆破冲击波有良好的吸收、减弱作用，减少凿岩及爆破对人工假顶的破坏，也防止了人工假顶冒落造成矿石贫化。铺设的塑料薄膜可防止人工假底充填时将碎矿胶结，避免矿石损失，而且使下分层回采假顶平整、光滑、密实，不需再处理顶板，简化了工艺。

2） 铺设钢筋网。在塑料薄膜上放置木块或碎石，然后再铺设钢筋网，使钢筋网被架高30～50 mm， 从而使钢筋网可以完全被充填料浆包裹，增加整体强度。钢筋网中主筋为14 mm螺纹钢，网度为1 000 mm×1 500 mm （横向×纵向）;副筋为6.5 mm螺纹钢，网度为500 mm×300 mm（横向×纵向）;横筋在下、纵筋在上，纵横筋相交处用24#铁丝缠绕加固或焊接。在宽8 m拉底层的底板上，均匀铺设8根纵向主筋，中央主筋位于拉底层中线，左右主筋距上下盘围岩距离均为0.5 m，钢筋网布置结构见图3。侧帮为上下盘围岩，在距底板高0.2～0.3 m的上下盘围岩中凿下倾斜孔并镶入圆钢，孔距1.5 m、孔深1.0 m，圆钢直径为38 mm、长度1.5 m，圆钢需与钢筋网中横向主筋焊接，焊接长度为150～200 mm。

3）高浓度充填人工假底。采用高配比充填料浆制作充填人工假底，充填体28 d强度3.0 MPa以上，人工假底充填高度2.0 m。采场充填尽量一次性浇筑完成，若分两段进行浇筑，则充填间隔时间应小于6 h，避免人工假底充填体内出现分层弱面。

4）充填养护。由于人工假底浇筑后，需要进行中深孔落矿，所以人工假底需要有28 d养护期，当28 d充填体强度达到3.0 MPa后方可进行中深孔落矿，以保证人工假底不被破坏。

3 应用及效果

现场人工假底内筋网铺设及充填后效果见图4、图5。

通过在每个采场底部构筑人工假底，下一中段矿块回采时，可以不留设顶柱，在上一中段高强度人工假底的保护下，实现安全高效回采。通过统计分析，人工假底的应用，使采矿损失率降低到3.52 %，矿石贫化率降低到5.36 %。经计算，采场不留底柱，平均每个矿块可新增经济效益526万元。

4 结 语

通过在石湖金矿急倾斜中厚破碎矿体中应用肋板式人工假底，利用高强度充填假底的立体结构和加固机理，形成整体性好、刚度较大的柔性结构层，在上下盘岩体内设置楔形加固区，采用模量渐变原理，实现刚性肋条式楔形加固段和柔性钢筋网骨架的平稳过渡，使高强度人工假底与上下盘围岩形成一个整体，大大提高了人工假底的稳定性及安全性。

[參 考 文 献]

[1]  梅群力，周乐，刘龙琼，等.平行中深孔落矿分段充填采矿法在石湖金矿的应用[J].黄金，2020，41（7）：39-43.

[2]  龚新华，侯克鹏，孙健.人工假底在金属矿山的应用现状及展望[J]. 中国钨业，2014（1）：21-24.

[3] 周磊.基于ANSYS数值模拟的人工假底设计与安全性分析[J].金属矿山，2018（10）：46-51.

[4] 石明超，杜飞，张小瑞.基于Flac3D下向进路采场参数优化[J].黄金，2016，37（7）：36-39.

[5] 李旺，毛明发，崔鹏，等.进路式胶结充填采矿人工假底稳定性力学分析[J].价值工程，2020，39（25）：165-167.

[6]  纪晓飞，童大志，曲展鹏，等.充填体下人工假底模型分析与设计[J]. 采矿技术，2018，18（6）：35-37.

Application of rib plate artificial false bottom in Shihu Gold Mine

Liu Longqiong1，Wang Zheng2，Zhou Le1，Song Shisheng1，Wen Song3

（ 1.Changchun Gold Research Institute Co. ，Ltd.  ;  2.Hebei Zhongjin Gold Co. ，Ltd.  ;

3.Shihu Mining Co. ，Ltd. ，China National Gold Group Co. ，Ltd. ）

Abstract： In order to maintain the stability of rock mass，create working conditions for sublevel top pillar extraction，and improve the recovery rate of resources，Shihu Gold Mine adopted high-strength rib plate artificial false bottom to substitute the orebodies to construct bottom structures in the parallel medium-long hole sublevel filling stope.Through theoretical analysis，the paper determined the feasibility of artificial false bottom，and put forward the construction scheme of rib plate artificial false bottom construction.The field application shows that artificial false bottom construction at the bottom of each stope meets the goal to safely and efficiently mine the orebodies，lowers the mining loss rate to 3.52 % and the ore dilution rate to 5.36 %.Without sill pillars，each ore block can create 5.26 million yuan more profits on average.

Keywords：  parallel medium-long hole sublevel filling;rib plate;filling body;artificial false bottom;bottom structure