人工組合點(diǎn)柱代替礦柱回采礦石及穩(wěn)定性計(jì)算

柴衡山 劉 濤 張晨潔

(西北礦冶研究院)

人工組合點(diǎn)柱代替礦柱回采礦石及穩(wěn)定性計(jì)算

柴衡山 劉 濤 張晨潔

(西北礦冶研究院)

房柱法回采礦房，遺留了大量點(diǎn)柱和間柱，約占礦房總礦量的30%。礦房回采后，為了維持采空區(qū)的穩(wěn)定，通常只能回收一小部分礦柱，造成礦石的大量浪費(fèi)。為此，提出采用“圓木+混凝土”組合形式的人工點(diǎn)柱代替礦柱支撐采空區(qū)，設(shè)計(jì)了3種人工點(diǎn)柱組合形式，對(duì)其受力、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算分析，通過(guò)在新城金礦殘留礦柱回采中的應(yīng)用，礦柱回采率達(dá)到85%以上，且能夠有效保障采場(chǎng)的作業(yè)安全。

人工組合點(diǎn)柱 穩(wěn)定性計(jì)算 礦柱回收 房柱法

礦產(chǎn)資源是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的基本條件，殘留礦柱的回收是礦山可持續(xù)發(fā)展的基本途徑。近年來(lái)，我國(guó)探索出了多種殘留礦柱和難采礦體的回采方法，并進(jìn)行了大量的生產(chǎn)實(shí)踐[1-6]。

為保證礦柱回采過(guò)程中的安全性，需要對(duì)礦柱回收后礦房的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析[7-10]。我國(guó)礦山開(kāi)采綜合水平較低，大部分礦山采用空?qǐng)龇ú傻V，預(yù)留了大量礦柱。由于礦體賦存狀態(tài)的不同，不同的礦山回收方案也不相同，貴金屬(金、銀)礦，由于礦石價(jià)值較高，回收礦柱產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益大，在安全的條件下，最大可能的回收礦柱是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的主要途徑。為此，對(duì)于緩傾斜礦柱和水平礦柱，研究采用人工點(diǎn)柱代替礦柱支撐采空區(qū)，以保證采空區(qū)的穩(wěn)定性。在新城金礦殘留礦柱的回采中，通過(guò)安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行等方面的綜合比較，采用“圓木+混凝土”組合形式，設(shè)計(jì)了3種人工組合點(diǎn)柱形式，礦柱回采率達(dá)到85%以上，且有效地保障了采場(chǎng)的作業(yè)安全。

1 人工組合點(diǎn)柱受力分析

1.1 單根木樁

引起木樁失穩(wěn)破壞的形式有受壓、抗剪切、彎曲等。

(1)木樁受壓破壞時(shí)承受的壓力為：

F1=k1s[σs] ，

(1)

式中,s為木樁橫截面積，cm2；k1為木樁安全系數(shù)；[σs]為木樁抗壓強(qiáng)度，MPa。

(2)受剪破壞時(shí)木樁可承受的抗剪強(qiáng)度為：

F2=k2s[τs] ，

(2)

式中，k2為木樁安全系數(shù)；[τs]為木樁縱截面抗剪切強(qiáng)度，MPa。

(3)受彎破壞時(shí)下端固定上端鉸承受的最大壓力：

(3)

式中,Pcr為臨界壓力，kN；E為木樁抗壓彈性模量，MPa；I為木樁橫截面對(duì)于其形心軸的慣性矩最小值，m4；L為樁的高度。

1.2 “圓木+混凝土”組合點(diǎn)柱

1.2.1 “圓木+混凝土”組合點(diǎn)柱形式

人工點(diǎn)柱的設(shè)計(jì)和布置與現(xiàn)場(chǎng)圍巖穩(wěn)定情況、頂板暴露面積等因素相關(guān)?！皥A木+混凝土”人工點(diǎn)柱長(zhǎng)度與采場(chǎng)高度相等或略低于采場(chǎng)高度的木樁釘在一起組成筒體，筒體內(nèi)部充填混凝土至采場(chǎng)頂部，然后噴射200～300 mm厚混凝土將筒體外部加固。該點(diǎn)柱具有承載力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其組合形式根據(jù)不同工程條件通常有三角形、正方形和多邊形，見(jiàn)圖1所示。

圖1 人工點(diǎn)柱的組合形式示意

1.2.2 組合點(diǎn)柱承載能力計(jì)算

“圓木+混凝土”人工組合點(diǎn)柱的承載能力與兩種材料的組合面積和彈性模量有關(guān)，由于混凝土和木樁澆筑為一體，故混凝土與木樁在受壓時(shí)其應(yīng)變相等，即：

(4)

其承受的壓力可表示為：

P=nσwSw+σcSc=nEwεSw+EcεSc.

(5)

人工組合點(diǎn)柱的橫截面積可表示為：

S=nSw+Sc.

(6)

由式(4)～式(6)可得：

P=nεSw(Ew-Ec)+EcεS.

(7)

式中，Sw、Sc分別為木樁、混凝土橫截面積，m2；Ew、Ec分別為木樁、混凝土彈性模量，MPa；σw、σc分別為木樁、混凝土橫截面應(yīng)力，MPa。

要使人工組合點(diǎn)柱的承載力達(dá)到最大，根據(jù)多元函數(shù)求極值的方法，式(7)只要滿(mǎn)足：

(8)

即：

Ew-Ec=0 .

(9)

由式(9)可知，當(dāng)木樁的彈性模量與混凝土的彈性模量相等時(shí)，組合點(diǎn)柱的承載能力達(dá)到最大值：

Pmax=EcεS=σcS.

(10)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

新城金礦是我國(guó)黃金行業(yè)的典型礦山，是山東黃金集團(tuán)旗下的龍頭企業(yè)。通過(guò)多年開(kāi)采，遺留了大量的礦柱和頂?shù)字鶜埖V，占該礦總儲(chǔ)量的8%，金金屬量約4t，平均品位8g/t。如充分利用原來(lái)的生產(chǎn)系統(tǒng)，回收這部分遺留礦柱，生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，如不及時(shí)回收，受到地壓影響坍塌后無(wú)法再利用。因此，礦房回采結(jié)束后盡快回收礦柱，既可保障殘礦回收的安全性，又可節(jié)約開(kāi)采成本。

2.2 礦柱回采存在的問(wèn)題

新城金礦礦體賦存復(fù)雜，屬中等穩(wěn)固，局部節(jié)理發(fā)育，礦體傾角25°左右，厚度3～5m。礦體上盤(pán)圍巖破碎，穩(wěn)定性較差，礦體中段礦房回采已經(jīng)結(jié)束，礦房?jī)?nèi)遺留的礦柱由于受到多次爆破震動(dòng)和應(yīng)力多次分布的影響，礦柱內(nèi)裂隙更加發(fā)育，強(qiáng)度大幅下降，回采安全性降低。礦房回采時(shí)，大量的探礦巷道、采準(zhǔn)巷道分布其中，部分巷道由于常年未維護(hù)，冒落嚴(yán)重。以上因素都對(duì)礦柱回采造成了一定的難度，需加強(qiáng)人工點(diǎn)柱的支撐作用。

2.3 組合點(diǎn)柱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析

采用人工點(diǎn)柱代替礦柱支撐采空區(qū)，每采一個(gè)礦柱澆注一個(gè)人工組合點(diǎn)柱。根據(jù)空區(qū)高度不同采用不同的點(diǎn)柱形式，空區(qū)較低時(shí)采用三角形組合點(diǎn)柱，空區(qū)較高時(shí)采用多邊形組合點(diǎn)柱，中等高度時(shí)采用正方形組合點(diǎn)柱。為了保證人工點(diǎn)柱有足夠的承載能力，其直徑應(yīng)保證不低于1.5～2m。

由于礦柱內(nèi)部存在大量的裂隙、節(jié)理，經(jīng)計(jì)算直徑3m的礦柱強(qiáng)度與直徑2m的人工組合點(diǎn)柱相當(dāng)，可用直徑2m的人工架柱支撐采空區(qū)，其綜合成本6 652元。

直徑3m的礦柱所含礦石量為59.346t,平均品位8.0g/t，按照金價(jià)250元/g計(jì)算，回收一個(gè)礦柱可產(chǎn)生118 692元的產(chǎn)值，扣除人工點(diǎn)柱的綜合成本6 652元，可盈利112 040元，即每噸礦石的盈利為1 887.9元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合礦山殘留礦柱回收的難點(diǎn)和實(shí)際工程條件，提出用人工點(diǎn)柱代替礦柱支撐采空區(qū)，從而提高礦柱回采率和安全性。

(2)對(duì)人工點(diǎn)柱的受力進(jìn)行了分析，當(dāng)木樁的彈性模量與混凝土的彈性模量相等時(shí)，組合點(diǎn)柱的承載能力達(dá)到最大值。

(3)將該方法應(yīng)用于新城金礦，礦柱回采率達(dá)到85%以上，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，人工組合點(diǎn)柱能夠有效地保障采場(chǎng)作業(yè)安全，防止巖石冒落和片幫事故的發(fā)生。

[1] 王宏巖．礦柱穩(wěn)定性對(duì)礦柱回收的影響[J]．中國(guó)礦山工程，2012(4)：21-23．

[2] 張合君，王洪勇，趙 偉．紅透山礦礦柱回收的實(shí)踐[J]．化工礦物與加工，2008(5)：29-31．

[3] 宮國(guó)慧，金忠偉．淺孔留礦法礦柱回收方案探討[J]．礦業(yè)工程，2008(4)：24-26．

[4] 張 飛，王 濱，菅玉榮，等．東升廟礦9號(hào)礦柱回收采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012(6)：1255-1260．

[5] 張 飛，徐曉宏，王創(chuàng)業(yè)，等．礦柱回收對(duì)空區(qū)穩(wěn)定影響分析[J]．有色金屬：礦山部分，2013(3)：17-20．

[6] 胡道喜，尹寶昌．某鐵礦山礦柱回收技術(shù)研究[J]．金屬礦山，2012(8)：19-20,24．

[7] 張永亮．東升廟礦柱回采順序研究[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2011(2)：4-7．

[8] 趙迎貴，游 勛，岳國(guó)均，等．基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析[J]．金屬礦山，2014(8)：19-23．

[9] 任家權(quán)，曹同波．撫順紅透山礦業(yè)公司礦柱回收實(shí)踐[J]．中國(guó)礦山工程，2013(5)：16-19．

[10] 于世波，崔 松，王湖鑫，等．殘礦柱回收地壓演變及巖體穩(wěn)固性模擬研究[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2013(4)：55-58,87．

Artificial Combination Point Pillar Instead of Ore Pillar Stoping and Its Stability Calculation

Chai Hengshan Liu Tao Zhang Chengjie

(Northwest Institute of Mining)

The large number of point pillars are left behind by using the room-and-pillar mining method, the point pillars are 30% of the total amount of ore in the mine. In order to maintain the stability of goaf area, only a small part of the point pillars are recovered to result in a substantial waste of ore. For this case, the ore pillars are replaced with the artificial point pillars with the combination forms of "logs+concrete" to support the goaf area. Three kinds of artificial points pillars combinations are designed, The stress, safety and economy of the artificial points pillars combinations are computed and analyzed. The above method is applied to mining the residual pillars in Xincheng gold mine. The application results show that, the pillars recovery rate is over 85%, therefore, the stope operation safety is guaranteed.

Artificial combination point pillar, Stability calculation, Pillar recovery, Room-and-pillar method

2014-11-06)

柴衡山(1986—)，男，助理工程師，730900 甘肅省白銀市人民路19號(hào)。