某金礦房柱法采場人工礦柱參數選取

趙 奎，胡慧明，王曉軍，胡京濤，楊濤波

(1．江西理工大學鎢資源高效開發及應用技術教育部工程研究中心， 江西贛州市 341000;2．江西理工大學資源與環境工程學院， 江西贛州市 341000)

某金礦房柱法采場人工礦柱參數選取

趙 奎1，胡慧明2，王曉軍2，胡京濤2，楊濤波2

(1．江西理工大學鎢資源高效開發及應用技術教育部工程研究中心， 江西贛州市 341000;2．江西理工大學資源與環境工程學院， 江西贛州市 341000)

基于某金礦的開采現狀，根據采場頂板圍巖的應力分布和破壞機理，得出不同開采深度條件下的礦房寬度;利用計入開采深度影響的地壓估算公式，計算出人工礦柱承受的荷載，在考慮各種因素對礦柱強度的影響的基礎上，對礦柱強度進行修正，建立了礦柱寬度與安全系數的關系式，最終確定出合理的采場結構參數。

房柱采礦法;人工礦柱;采場結構參數;礦柱強度;安全系數

0 引言

采用房柱法開采貴重金屬、稀有金屬及一些富礦時，為了提高礦石回收率，常采用人工混凝土礦柱代替原生礦柱進行回采。目前大部分的房柱法開采的采場結構參數都是憑著借鑒類似礦山及經驗確定的，這種方法帶有較大的主觀性。合理設計礦柱、礦房尺寸是房柱法采礦的核心技術工作，采場結構參數選取將直接影響著采場的穩定狀況、工作效率以及經濟效益［1］。本文主要對各個中段礦房寬度進行計算，然后通過考慮人工礦柱應承受的壓力與礦柱強度的關系，得出在不同礦柱寬度下各中段礦柱的安全系數。

1 采礦方法概述

某金礦屬于緩傾斜礦體，礦體厚度大部分為8～10 m，礦體頂板為硅質巖、大理巖或硅質巖夾大理巖;底板巖石為大理巖，少量硅質巖，礦體、圍巖都屬于中等穩固以上。采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱采礦法進行回采，采場沿礦體走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采，采場高為礦體厚度，回采垂高為40 m，回采工作從中段巷道開始由下至上逐個分段進行，回采鑿巖用氣腿式鑿巖機，利用電耙將礦體耙至溜井，利用漏斗出礦。礦柱回采完畢后采用塊石膠結充填，形成人工假柱，然后回采兩側礦柱采場都已充填完畢的礦房。人工礦柱充填配比(體積比)水泥∶河沙∶廢石=1∶2∶6，廢石主要來源于下部中段開拓工程。該礦區主要中段標高有:－391，－420，－460，－500，－540，－580 m，目前主要回采 －460 m中段礦體，上部中段礦體基本回采完畢。但－460 m以上中段礦房與礦柱的布置紊亂，部分人工礦柱布置過寬，增加了生產成本，同時還降低了工作效率，部分礦柱寬度設計過小，導致采場的頂板出現冒落。為了較好的控制下部礦體開采的地壓，需對－500，－540，－580 m中段3個中段的采場結構參數進行優化設計，主要為礦房與人工礦柱的合理尺寸。

2 礦房寬度

針對頂板圍巖的力學分布結構，考慮頂板上覆巖層的壓力、巖體的力學特征等與礦房跨度的關系，得出房柱法礦房寬度確定的理論計算公式［2］。

式中:b為礦房寬度，m;λ為側壓力系數，取0～1;γ為礦石的容重，kN/m3;H為開采(頂板距地表)深度，m;α1為頂板的許可抗拉強度，Pa。

根據公式(1)，結合礦山實際情況及類似礦山資料，相關的參數取值如下:λ =0．63，γ =2．8 ×104kN/m3，α1=3．4 ×106Pa。得到圖1 所示的礦房寬度與開采深度的關系曲線。

由圖1可知，礦房寬度隨著礦體的開采深度的增加而逐漸減小。根據各中段開采深度，結合圖1曲線可得到井下各中段礦房的合理寬度，見表1。

表1的計算結果是礦房的最大寬度，在設計中考慮爆破作業等影響，對設計參數一般會保守取值，故對各中段調整取值，從而得到在－500 m中段，礦房合理寬度取10 m，－540 m中段礦房合理寬度取值10 m，－580 m中段礦房合理寬度取值為9 m。

圖1 礦房寬度與開采深度的關系

表1 井下各中段礦房的合理寬度

3 人工礦柱寬度

在礦柱強度一定的條件下，礦柱寬度取決于礦柱所承受的荷載，主要包括頂板壓力和礦柱的自重［3］。當人工礦柱所承載的壓力越大，礦柱的寬度也需相應增加。普氏地壓學說和太沙基地壓學說這2個經典地壓學說都認為地壓的大小與開采深度無關，當開挖空間埋深不大且圍巖比較松散時，計算結果與實際測量比較接近，對與開挖空間埋深較大，圍巖完整、強度較高時，計算結果誤差較大［4］。

人工礦柱對圍巖提供一定的承載強度，控制圍巖塑性區的發展，減小圍巖的移動，保持采場的穩定性。目前，該礦礦體開采深度大于600 m，應考慮開采深度對地壓的影響，為此引入計入深度影響的地壓估算公式，認為采場開挖后的塑性半徑RP就是巖體的破裂區，其內的巖體會全部滑落，人工礦柱所需支撐的圍巖壓力就是破裂區域內將滑落的巖體的全部重量。

式中:R0為開挖半徑，當開采空間是矩形斷面，R0取外接圓半徑，m;P0為開采深度的垂直自重應力，Pa;c為巖體內聚力，Pa;φ為巖體內摩擦角，°。

式中:L為礦體的走向長度，m。

巷道的頂壓密集度qd:

式中:γ為礦石的容重，kN/m3;h為人工礦柱的高度，m。

每個礦柱單位長度應承受的壓力Qd:

式中:γ1為人工礦柱的容重，kN/m3;N為礦柱個數，NB+(N+1)×b=L;B為礦柱的寬度，m。

礦柱的形狀對礦柱強度有重要影響，在截面積相同情況下，圓形礦柱強度比正方形礦柱強度要高一些，比其他形狀的礦柱強度要高的多。本文采用基于薩拉蒙和摩若原理的礦柱強度公式［6］，綜合考慮采礦工藝、充填下料的不均勻性，得出人工礦柱強度公式［7，8］:式中:σc為單軸抗壓強度，Pa;σP為人工礦柱強度，Pa;k1為采礦工藝系數，主要是為爆破工藝與人工礦柱強度的不均勻系數，取k1=0．9;α為常數，礦柱的高寬比大于5時，α=1．4;高寬比小于5時，α=1。

聯立公式(1)～(7)可得到不同寬度條件下的人工礦柱安全系數F:

安全系數F的取值直接影響著人工礦柱的寬度，安全系數越高，礦柱穩定性越好，相應的充填成本越高。安全系數F的取值直接影響著人工礦柱的寬度，安全系數越高，礦柱穩定性越好，相應的充填成本越高?？紤]礦柱截面的不均勻性，不同礦柱之間承受載荷的不均性，許多專家提出礦柱的安全系數F的取值范圍，Bieniawski對美國174個采用房柱采礦法開采的礦山做了調查，其中大多數礦山采用安全系數為 1．2 ～2．5，礦柱未發生破壞［9］。根據目前礦山的實際情況，礦石的容重γ為2．8×104kN/m3，人工礦柱的容重 γ1為 2．2 ×104kN/m3，塊石膠結充填體試件強度σc為4．8 MPa，圍巖的內聚力 c 為 16．13 MPa，圍巖內摩擦角 φ 為 46．3°，－500，－540，－580 m 中段走向長度 L 為 82．12，83．68，68．67 m。將各參數的代入式(8)中，得出各中段不同礦柱寬度下的安全系數，見圖2。

圖2 礦柱寬度與安全系數的關系

安全系數F取1．2時，可得－500 m中段的礦柱寬度為5．79 m，－540 m中段的礦柱寬度為5．96 m，－580 m中段人工礦柱寬度4．38 m。目前，礦山－500，－540 m中段人工礦柱實際寬度為6 m，－580 m中段人工礦柱寬度為4．5 m，計算出實際礦柱寬度條件下的礦柱安全系數，見表2。

表2 各中段礦柱實際寬度及安全系數

以－500 m中段的走向長度L和埋藏深度H為基礎，分別得出當走向長度為L、埋深為H，走向長度為2L、埋深為H，以及走向長度為L、埋深為2H時，礦柱寬度與安全系數的關系曲線，見圖3。

圖3 礦柱寬度與安全系數的關系

根據圖3關系曲線，中段走向長度與埋深不同時，同礦柱寬度下安全系數的對比可得出以下結論:

(1)在同一中段中，礦柱寬度設計越大，人工礦柱的安全系數越高;

(2)當礦柱寬度、埋深不變時，礦柱安全系數隨著礦體走向長度的增加而降低;當礦柱寬度、礦體走向長度不變時，礦柱安全系數隨著礦體開采深度增加而降低;

(3)在礦柱寬度相同時，礦體走向長度對礦柱安全系數的影響要高于礦體的埋藏深度對礦柱安全系數的影響。

4 結束語

通過計算得出:該金礦－500，－540，－580 m中段礦房合理寬度分別為10，10，9 m;人工礦柱合理寬度分別為6，6，4．5 m。本文的計算方法對采用類似采礦方法開采的礦山的采場結構參數選取具備一定的參考價值。

在實際生產中還需注意:合理選擇回采順序;掌握巖體結構，如頂板圍巖中存在比較發育的斷層或節理時，需對礦房、礦柱寬度進行適當的調整;塊石膠結充填礦柱時，盡量將充填料拌勻，用振動棒將充填料搗勻、搗實，避免出現蜂窩現象，以免降低了礦柱強度，造成安全隱患;控制爆破作業，防止爆破對采場頂板和人工礦柱的破壞。

［1］ 李俊平，馮長根，郭新亞，等．礦柱參數計算研究［J］．北京理工大學學報，2002，31(05):23 －40．

［2］ 劉松偉．普通房柱法礦塊結構參數的計算及設計尺寸推薦［J］．湖南有色金屬，2001，17(3):4 －7．

［3］ 楊明春．礦柱尺寸設計方法研究［J］．采礦技術，2005，5(3):10－12．

［4］ 蔡美峰，何滿朝，劉東燕．巖石力學與工程［M］．北京:科學出版社，2002．

［5］ 肖樹芳，陽淑碧．巖體力學［M］．北京:地質出版社，1993．

［6］ 郭漢燊．礦柱強度的若干影響因素［J］．巖石力學與工程學報，1993，12(1):38 －45．

［7］ 劉學增，崔德元．礦柱可靠度設計［J］．巖石力學與工程學報，2000，19(1):85 －88．

［8］ 杜國慶，呂廣忠．充填房柱采礦中永久礦柱合理參數的確定［J］．礦業快報，2008，3(467):16 －25．

［9］ 常 劍．鄂西緩薄赤鐵礦采場穩定性分析及參數優化［D］．武漢:武漢理工大學，2010．

2010－11－28)

趙 奎(1969－)，男，安徽六安人，教授，從事礦山巖石力學與工程方面的教學與科研工作，Email:yglmf_zk@163．com。