露天转地采复合型人工境界矿柱结构设计*

孙琳琳 尤春安 刘建新 孙凌志

(1.山东省土木工程防灾减灾重点实验室;2.山东科技大学土木建筑学院;3.山东科技大学信息科学与工程学院)

山东黄金集团归来庄矿业有限公司露天采场1992年8月投产，经过20 a的生产，形成了现在东西长600 m，南北宽350 m，坑深170 m的露天坑。露天坑边坡角较陡，上盘平均坡面角在50°，下盘55°，局部坡面角65°～70°。由于种种原因，目前地下开采系统尚未形成，而露天开采范围内资源不足，矿井面临着接替不上的问题。

境界矿柱部分品位较高。为了保证目前的产量，充分利用资源，经过研究，提出归来庄金矿采用不扩帮延深开采技术:在向下延深开采的同时，铺设人工假顶和混凝土充填体复合结构人工境界矿柱，将本应该留作境界矿柱的矿石用钢筋混凝土假顶置换出来，形成地下开采的人工顶柱，以解决矿井的产量衔接问题。

目前国内外的境界矿柱均采用天然矿体，天然境界矿柱的回收率低，损失大，通常回收率最高达到50%～60%。因此，浪费了大量的永久性资源，丧失了缓解矿山过渡期生产压力的巨大矿量，造成了矿山的巨大经济损失。采用钢筋混凝土结构的人工境界矿柱尚属首次，人工境界矿柱的结构形式、形成方法、计算理论等都是崭新的课题，具有创新意义。

采用复合型人工境界矿柱方案具有许多优点:①提前回收境界矿柱资源，解决矿山露天转地下开采资源和产量接替问题;②复合型人工境界矿柱采用钢筋混凝土结构形式，整体性较好，有较高的承载能力，强度和稳定性相比天然矿柱能够提高2～3倍，对边坡能起到更好的支撑作用;③大大提高回采效率，减少资源品位贫化;④复合型人工境界矿柱相比天然矿柱厚度较薄，结合地下开采的充填工艺，可以降低成本;⑤复合型人工境界矿柱的防渗、防漏风性能优于天然境界矿柱。

1 复合型人工境界矿柱结构设计

1.1 复合型人工境界矿柱范围

根据矿井开采现状及技术条件、－30～－50 m资源赋存情况、露天采场边坡稳定性状态、矿井水文地质情况以及人工境界矿柱的形成过程等因素，将露天转地下开采复合型人工境界矿柱分为A、B和C 3个区域:A区为第27.5号勘探线以东部分，C区为第29.5号勘探线以西部分，B区为第27.5号勘探线至第29.5号勘探线之间。复合型人工境界矿柱总体分布如图1所示。

图1 人工境界矿柱总体分布

本工程设计复合型人工境界矿柱的厚度均为12 m［1-4］。设计A区人工境界矿柱底面标高为－42 m，顶面标高为－30 m;B区人工境界矿柱底面标高为－46 m，顶面标高为－34 m;C区人工境界矿柱底面标高为－50 m，顶面标高为－38 m［5］。露天底部开挖完成平面图如图2所示，在图中分别标出了A、B、C区人工境界矿柱的底面标高。

图2 开挖完成平面图

1.2 复合型人工境界矿柱结构

复合型人工境界矿柱由上覆的充填体和下部的人工假顶组成，人工境界矿柱穿矿脉方向应进入上盘岩体3.0 m，进入下盘岩体2.0 m，沿矿脉方向应分别进入东、西端帮边坡坡脚6.0 m(2个进路宽度)。下部的人工假顶的厚度为3 m，上覆的充填体的厚度为9 m。人工境界矿柱的27线、28线和30线断面如图3～图5所示，人工境界矿柱总体示意如图6所示。

图3 27线断面

图4 28线断面

图5 50线断面

图6 人工境界矿柱总体示意

充填体采用目前露天挂帮矿体开采的充填材料，即C15素混凝土结构。人工假顶厚度为3 m，采用C20钢筋混凝土结构，钢筋混凝土人工假顶采用单层钢筋网，钢筋网布置于人工假顶的底部，保护层厚度为150 mm。穿矿脉方向设置钢筋网的结构筋，采用ø20 mm HRB335螺纹钢筋，间距为250 mm;沿矿脉方向设置钢筋网的构造筋，采用ø12 mm HPB 235光面钢筋，间距为500 mm。

复合型人工境界矿柱结构的结构筋应锚入上盘的岩体中，其做法是在纵向结构筋的上盘端安装全长黏结式砂浆锚杆，锚杆规格为ø20 mm HRB335，L=2 000 mm，向下倾斜15°，铺设钢筋网时与纵向结构筋搭焊连接。

复合型人工境界矿柱结构的人工假顶与上盘岩体的界面采用植筋连接。植筋规格为 ø22 mm HRB335，L=3 000 mm，间排距为0.75 m×0.75 m，向下倾斜15°。植筋施工方法与锚杆一致，植筋外露长度为1 000 mm，与钢筋混凝土人工假顶浇灌为一体。人工境界矿柱断面见图7。

图7 人工境界矿柱断面

1.3 复合型人工境界矿柱的形成

回采采用上向进路胶结充填法，进路尺寸为3 m×3 m，回采顺序为隔二采一，由里往外依次回采，应注意上下两层进路应交错布置。在人工假顶范围内采用钢筋混凝土结构充填，其余部分采用素混凝土充填。充填时以进路为单独的充填单元，在进路单元间的端口处设置封口模板，首先充填每层的进路单元间，最后充填这层的沿脉巷道［6］。人工境界矿柱剖面如图8所示。

图8 人工境界矿柱剖面

1.4 充填单元间钢筋的连接

(1)进路单元间构造筋的连接。在进路单元间铺设人工假顶的构造筋时，将本进路单元间的构造筋向上弯折成直角，紧贴矿体，并充填完毕。在铺设下一进路单元间人工假顶的构造筋时，用风镐将上一进路的构造筋剔开并整直，然后与下一进路的构造筋进行搭焊连接。

(2)沿脉巷与进路单元间结构筋的连接。在进路单元间封口模板的底部设置钢筋预留孔。在进路单元间铺设人工假顶的结构筋时，为便于结构筋与巷道的顺利连接，将进路单元间的结构筋从钢筋预留孔外露400 mm，并做好埋土保护措施。铺设沿脉巷人工假顶的结构筋时，直接将其结构筋与进路单元间的预留结构筋进行搭焊连接［7］。

1.5 充填单元间的混凝土界面处理

复合型人工境界矿柱每一层的每一个进路单元间回采后，应清理浮渣浮石，并用清水冲洗，然后绑扎钢筋支设模板，最后浇筑混凝土进行进路单元间的充填。

每层的进路单元间充填后，充填这层的沿脉巷道，在沿脉巷充填前，应对沿脉巷与进路单元间的界面进行凿毛处理。同时，在沿脉巷与岩体的界面上应加设混凝土植筋。植筋的钢筋为 ø22 mm HRB335螺纹钢筋，长度为1 500 mm，埋深750 mm，向下倾斜15°，间排距为0.75 m×0.75 m。

1.6 狭窄矿体区域人工境界矿柱结构

为了形成有利的人工矿柱，对狭窄矿体区域的上盘应进行适当的扩帮处理，以形成边坡角不大于75°的充填区域，对狭窄矿体区域充填的下盘侧应挑下盘围岩500 mm。狭窄矿体区域钢筋混凝土人工假顶结构及充填体结构形成楔形状。钢筋混凝土人工假顶的配筋与前述相一致。

1.7 人工境界矿柱底部隔离层

为了避免人工假顶下部矿体开采时爆破对人工假顶结构的影响，在人工假顶结构底部应设置隔离层。底下留设100 mm左右的粉状矿石(粒径小于30 mm)，然后铺设0.5 mm厚的土工膜，也可铺设0.5 mm厚的土工布，再铺设1层农用薄膜。人工境界矿柱底部隔离层如图9所示。

图9 人工境界矿柱底部隔离层

2 沟槽角砾岩坡面的临时支护

由于矿体岩性破碎、强度低、易风化，沟槽开挖时应对工作帮进行临时支护。为了避免人为地贫化矿石，采用金属网进行临时护坡处理。

金属网采用成品铁丝网，网格为40 mm×40 mm，10#铁丝编制。网片宽度为3 200 mm。网片采用水平铺设，搭接宽度100 mm，搭接位置应与分层开采的界线重合。金属网采用管缝式锚杆及钢筋带固定。

管缝式锚杆是一种全长锚固，主动加固围岩的新型锚杆，管缝式锚杆杆体部分是一根纵向开缝的高强度钢管形，当安装于比管径稍小的钻孔时，可立即在全长范围内对孔壁施加径向压力和阻止围岩下滑的摩擦力，加上锚杆托盘托板的承托力，从而使围岩处于三向受力状态，以提高岩体稳定性。管缝式锚杆在爆破振动围岩移动等情况下，后期锚固力有明显增大，当围岩发生显著位移时，锚杆并不失去其支护抗力，它比涨壳式锚杆有更好的特性。

采用ø43 mm，L=2 000 mm材质为16Mn钢的管缝式锚杆，主要技术指标:初始锚固力70 kN，管环拉脱荷载10 kN，锚杆管抗拉断能力13 kN。锚杆间排距为1 500 mm×1 500 mm，垂直于坡面布置。托盘的尺寸为120 mm×120 mm，厚度为5 mm，高度为20 mm。

钢筋带布置于金属网和管缝式锚杆的托盘之间。采用2根ø10 mm光面钢筋组成。钢筋带沿水平铺设。施工时先铺设金属网，压上钢筋带，然后用ø41 mm钻头的风钻在坡面上钻锚杆孔，将托盘套入锚杆杆体，再用风锤将杆体打入锚杆孔中，使托盘金属网、钢带密贴［8-10］。

3 经济效益

3.1 复合型人工境界矿柱带来的经济效益

留设境界矿柱，需在露天坑底，留设矿体厚度为12 m，占用矿体矿量为13.725 1万t。参照国内外预留境界矿柱的矿山，针对境界矿柱，有的是永久损失，有的采用后期回采的方案，但回采率通常仅有50%～60%［11］。

本方案针对境界矿柱的回收率达95%以上，其经济效益如下。

(1)多回收的矿石矿量为

(2)按照归来庄金矿的矿石品均品位为4.32 g/t，根据黄金矿石金属回收率为86.66%，则多回收黄金量为

(3)黄金价格2010年价格为244～302元/g，2011年黄金持续走高，全年平均价格为336元/g，矿石采选综合成本在538.66元/t，则该部分的经济效益为

3.2 人工境界矿柱下矿体回收经济效益

归来庄金矿矿石如果利用竖井提升，每天的出矿能力仅能维持在500 t/d左右，大大制约了矿山的正常生产。通过人工假顶和混凝土充填体复合结构的人工境界矿柱的应用，促使－70～－30 m块段提前出矿，使矿山生产能力在过渡期维持1 000 t/d，保证了矿山生产的稳定。换言之，人工境界矿柱的构建使矿山每日多生产500 t矿石，330 d可多生产16.5万t矿石，保证了矿山产能的正常接续。按归来庄金矿的平均出矿品位为4.32 g/t，矿石金属回收率为86.66%计算，则每年可多生产黄金为

2012年黄金持续走高，全年平均价格为370元/g，矿石采选综合成本为538.66元/t，提高生产能力获得的经济效益为

3.3 综合经济效益

目前该项目正在稳步推进，到整个项目结束，预期可采出矿石量为865 559 t，品位4.32 g/t。黄金价格按390元/t算，预计可回采黄金3 240 403.62 g(865 559×4.32×86.66%)，可带来产值12.64亿元(3 240 403.62×390)，直接经济效益7.98亿元(12.64－865 559×538.66×10－8)。

4 结论

本研究提出了一种有效的复合型人工境界矿柱的构建与回采方法，实现在保证边坡稳定的情况下，露天以及地下开采的同时进行，延长露天转地下的过渡期，使露天转地下矿山实现了安全高效开采，尤其是解决了露天与地下开拓工程、产能衔接以及境界矿柱回收等技术难题，提高了资源回收率，保持了矿山露天转地下的高效、安全、平稳过渡。同时该方法可为黄金矿山乃至全国同类有色、黑色及稀贵金属地下矿山，特别是在水平厚度较大的高品位复杂矿体开采提供借鉴，其经济效益和社会效益十分显著。

(1)提出复合型人工境界矿柱的具体结构设计参数和隔二采一的交错的上向进路胶结充填的回采方案，可操作性强。

(2)由于矿体岩性破碎、强度低、易风化，采用金属网进行临时护坡处理，金属网采用管缝式锚杆及钢筋带固定，效果较好。

(3)对复合型人工境界矿柱及以下矿体进行经济效益分析，共获得7.98亿元的直接经济效益，效益显著。

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