某金矿房柱法采场人工矿柱参数选取

2011-10-13胡慧明王晓军胡京涛杨涛波

采矿技术 2011年2期

关键词：矿房矿柱中段

赵奎，胡慧明，王晓军，胡京涛，杨涛波

(1．江西理工大学钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心，江西赣州市 341000;2．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341000)

某金矿房柱法采场人工矿柱参数选取

赵奎1，胡慧明2，王晓军2，胡京涛2，杨涛波2

(1．江西理工大学钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心，江西赣州市 341000;2．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341000)

基于某金矿的开采现状，根据采场顶板围岩的应力分布和破坏机理，得出不同开采深度条件下的矿房宽度;利用计入开采深度影响的地压估算公式，计算出人工矿柱承受的荷载，在考虑各种因素对矿柱强度的影响的基础上，对矿柱强度进行修正，建立了矿柱宽度与安全系数的关系式，最终确定出合理的采场结构参数。

房柱采矿法;人工矿柱;采场结构参数;矿柱强度;安全系数

0 引言

采用房柱法开采贵重金属、稀有金属及一些富矿时，为了提高矿石回收率，常采用人工混凝土矿柱代替原生矿柱进行回采。目前大部分的房柱法开采的采场结构参数都是凭着借鉴类似矿山及经验确定的，这种方法带有较大的主观性。合理设计矿柱、矿房尺寸是房柱法采矿的核心技术工作，采场结构参数选取将直接影响着采场的稳定状况、工作效率以及经济效益［1］。本文主要对各个中段矿房宽度进行计算，然后通过考虑人工矿柱应承受的压力与矿柱强度的关系，得出在不同矿柱宽度下各中段矿柱的安全系数。

1 采矿方法概述

某金矿属于缓倾斜矿体，矿体厚度大部分为8～10 m，矿体顶板为硅质岩、大理岩或硅质岩夹大理岩;底板岩石为大理岩，少量硅质岩，矿体、围岩都属于中等稳固以上。采用人工矿柱代替原生矿柱的房柱采矿法进行回采，采场沿矿体走向布置，分矿房、矿柱两步骤回采，采场高为矿体厚度，回采垂高为40 m，回采工作从中段巷道开始由下至上逐个分段进行，回采凿岩用气腿式凿岩机，利用电耙将矿体耙至溜井，利用漏斗出矿。矿柱回采完毕后采用块石胶结充填，形成人工假柱，然后回采两侧矿柱采场都已充填完毕的矿房。人工矿柱充填配比(体积比)水泥∶河沙∶废石=1∶2∶6，废石主要来源于下部中段开拓工程。该矿区主要中段标高有:－391，－420，－460，－500，－540，－580 m，目前主要回采－460 m中段矿体，上部中段矿体基本回采完毕。但－460 m以上中段矿房与矿柱的布置紊乱，部分人工矿柱布置过宽，增加了生产成本，同时还降低了工作效率，部分矿柱宽度设计过小，导致采场的顶板出现冒落。为了较好的控制下部矿体开采的地压，需对－500，－540，－580 m中段3个中段的采场结构参数进行优化设计，主要为矿房与人工矿柱的合理尺寸。

2 矿房宽度

针对顶板围岩的力学分布结构，考虑顶板上覆岩层的压力、岩体的力学特征等与矿房跨度的关系，得出房柱法矿房宽度确定的理论计算公式［2］。

式中:b为矿房宽度，m;λ为侧压力系数，取0～1;γ为矿石的容重，kN/m3;H为开采(顶板距地表)深度，m;α1为顶板的许可抗拉强度，Pa。

根据公式(1)，结合矿山实际情况及类似矿山资料，相关的参数取值如下:λ =0．63，γ =2．8 ×104kN/m3，α1=3．4 ×106Pa。得到图1 所示的矿房宽度与开采深度的关系曲线。

由图1可知，矿房宽度随着矿体的开采深度的增加而逐渐减小。根据各中段开采深度，结合图1曲线可得到井下各中段矿房的合理宽度，见表1。

表1的计算结果是矿房的最大宽度，在设计中考虑爆破作业等影响，对设计参数一般会保守取值，故对各中段调整取值，从而得到在－500 m中段，矿房合理宽度取10 m，－540 m中段矿房合理宽度取值10 m，－580 m中段矿房合理宽度取值为9 m。

图1 矿房宽度与开采深度的关系

表1 井下各中段矿房的合理宽度

3 人工矿柱宽度

在矿柱强度一定的条件下，矿柱宽度取决于矿柱所承受的荷载，主要包括顶板压力和矿柱的自重［3］。当人工矿柱所承载的压力越大，矿柱的宽度也需相应增加。普氏地压学说和太沙基地压学说这2个经典地压学说都认为地压的大小与开采深度无关，当开挖空间埋深不大且围岩比较松散时，计算结果与实际测量比较接近，对与开挖空间埋深较大，围岩完整、强度较高时，计算结果误差较大［4］。

人工矿柱对围岩提供一定的承载强度，控制围岩塑性区的发展，减小围岩的移动，保持采场的稳定性。目前，该矿矿体开采深度大于600 m，应考虑开采深度对地压的影响，为此引入计入深度影响的地压估算公式，认为采场开挖后的塑性半径RP就是岩体的破裂区，其内的岩体会全部滑落，人工矿柱所需支撑的围岩压力就是破裂区域内将滑落的岩体的全部重量。

式中:R0为开挖半径，当开采空间是矩形断面，R0取外接圆半径，m;P0为开采深度的垂直自重应力，Pa;c为岩体内聚力，Pa;φ为岩体内摩擦角，°。

式中:L为矿体的走向长度，m。

巷道的顶压密集度qd:

式中:γ为矿石的容重，kN/m3;h为人工矿柱的高度，m。

每个矿柱单位长度应承受的压力Qd:

式中:γ1为人工矿柱的容重，kN/m3;N为矿柱个数，NB+(N+1)×b=L;B为矿柱的宽度，m。

矿柱的形状对矿柱强度有重要影响，在截面积相同情况下，圆形矿柱强度比正方形矿柱强度要高一些，比其他形状的矿柱强度要高的多。本文采用基于萨拉蒙和摩若原理的矿柱强度公式［6］，综合考虑采矿工艺、充填下料的不均匀性，得出人工矿柱强度公式［7，8］:式中:σc为单轴抗压强度，Pa;σP为人工矿柱强度，Pa;k1为采矿工艺系数，主要是为爆破工艺与人工矿柱强度的不均匀系数，取k1=0．9;α为常数，矿柱的高宽比大于5时，α=1．4;高宽比小于5时，α=1。

联立公式(1)～(7)可得到不同宽度条件下的人工矿柱安全系数F:

安全系数F的取值直接影响着人工矿柱的宽度，安全系数越高，矿柱稳定性越好，相应的充填成本越高。安全系数F的取值直接影响着人工矿柱的宽度，安全系数越高，矿柱稳定性越好，相应的充填成本越高。考虑矿柱截面的不均匀性，不同矿柱之间承受载荷的不均性，许多专家提出矿柱的安全系数F的取值范围，Bieniawski对美国174个采用房柱采矿法开采的矿山做了调查，其中大多数矿山采用安全系数为 1．2 ～2．5，矿柱未发生破坏［9］。根据目前矿山的实际情况，矿石的容重γ为2．8×104kN/m3，人工矿柱的容重 γ1为 2．2 ×104kN/m3，块石胶结充填体试件强度σc为4．8 MPa，围岩的内聚力 c 为 16．13 MPa，围岩内摩擦角 φ 为 46．3°，－500，－540，－580 m 中段走向长度 L 为 82．12，83．68，68．67 m。将各参数的代入式(8)中，得出各中段不同矿柱宽度下的安全系数，见图2。

图2 矿柱宽度与安全系数的关系

安全系数F取1．2时，可得－500 m中段的矿柱宽度为5．79 m，－540 m中段的矿柱宽度为5．96 m，－580 m中段人工矿柱宽度4．38 m。目前，矿山－500，－540 m中段人工矿柱实际宽度为6 m，－580 m中段人工矿柱宽度为4．5 m，计算出实际矿柱宽度条件下的矿柱安全系数，见表2。