人工矿柱置换缓倾斜薄富矿体矿柱

郭 旺 童阳春

(化工部长沙设计研究院，湖南 长沙 410012)

人工矿柱置换缓倾斜薄富矿体矿柱

郭 旺 童阳春

(化工部长沙设计研究院，湖南 长沙 410012)

随着磷肥需求量的快速增长，提高品位高、质量优的磷矿回收率尤为重要。宜昌某磷矿矿体品位高，属缓倾斜薄矿体，目前房柱法采矿造成的矿柱损失率达25%～30%，为解决损失率过大的问题，提出了采用人工矿柱替代原生矿柱的方案，并经人工矿柱与矿石矿柱的承载能力及安全稳定性对比分析。通过理论计算得出：在设计的人工矿柱尺寸条件下，矿柱均匀分布时，人工矿柱抗压强度为10.08 MPa；矿柱交错布置时，人工矿柱的强度参数为14 MPa。通过现场实施，结果表明采用混凝土人工矿柱置换矿石矿柱，保证了原生矿柱置换后的采场作业安全，同时大幅提高了矿石的回收率。

人工矿柱 结构尺寸 矿柱强度 矿石回收率

磷矿是不可再生的自然矿产资源之一，以矿物的形式存在。我国探明的磷矿资源排名世界第三，仅次于摩洛哥和美国。目前国际磷矿石市场处于供大于求，但库存量逐年减少，趋于供需平衡。国内市场磷矿石已由供需平衡，趋向于供不应求，尤其是随着高效磷肥的快速增长，品位高、质量优，适合加工高浓度磷复肥的磷矿石缺口较大，所以富矿的最大限度回收势在必行。

宜昌某磷矿赋存条件为矿体平均倾角8°，平均厚度3 m，是比较具有代表性的缓倾斜薄矿体，矿体和围岩大多比较稳固，原设计采矿方法为房柱法；该矿资源整体较好，出矿品位均能达到原矿销售品位，房柱法开采矿柱损失可达25%～30%，由于原生矿柱变形破坏主要以受压劈裂破坏为主，受岩石中节理裂隙的影响，破坏矿柱表层出现纵向裂隙并表现出侧鼓和剥落，直至矿柱失去承压能力。相比于原生矿柱，人工矿柱相对均匀，基本不存在节理裂隙，并且尺寸的规整也更能达到良好的承压能力[1-3]。

因此，通过采用人工矿柱的方法将高品位富矿置换，不仅可以提高矿石的回收率，还可以通过矿柱的强度支撑空区，形成安全的回采环境，具有重要的经济效益和社会效益。

1 工程概况

矿体产状平稳，矿体及围岩均较稳固，结合矿山生产布局和供矿计划的安排，实施人工矿柱替代矿石矿柱。结合人工矿柱的作用和施工的特点，将人工矿柱置换纳入正常的采矿工艺，进行合理的布置。

2 人工矿柱结构尺寸及强度

人工矿柱的形状、尺寸和强度的选择直接影响到采场的稳定性和矿石的回收率。人工矿柱尺寸和强度较小时容易导致矿柱发生破坏，从而造成采场跨度过大，进而引起顶板冒落，造成相邻矿柱承受过多压力，可能引起连锁反应，造成大面积的垮塌。因此，采用人工矿柱置换原生矿柱时，必须确保人工矿柱的结构尺寸能满足稳定性要求[4-5]。

2.1 人工矿柱稳定性影响因素

影响人工矿柱稳定性的因素较多，结合本工程，考虑到的主要影响因素有：

(1)人工矿柱的受力大小；

(2)矿柱宽高比：宽高比大的矿柱稳定性好，常常以宽高比作为矿柱设计的主要指标；

(3)矿房尺寸与矿柱尺寸：矿房与矿柱的尺寸分布应合理，矿柱的分布应相对规整，否则容易造成个别矿柱发生先期破坏而造成大面积垮塌；

(4)矿柱自身的单轴抗压强度。

2.2 人工矿柱的平均应力

矿柱的面积承载理论认为：矿柱所承受的载荷是其所支撑的顶板范围内直通地表的上覆岩柱的重力，该岩柱的底面积S即是按岩柱分摊的开采面积与矿柱自身面积之和，由此假设计算矿柱的平均应力。

矿柱平均应力为

(1)

式中，γ为岩石容重；z为埋藏深度；wo，wp分别为矿房和矿柱的宽度。

2.3 人工矿柱结构尺寸

地表附近有民房或山体陡峭，采矿后上面地表不允许崩塌。因此，矿柱尺寸应以保证采矿后不破坏为原则。以混凝土矿柱置换原生矿石矿柱，设计矿柱尺寸应为4 m×4 m，矿柱间距8 m。顶板不稳固的地段，矿柱间距可适当缩小，则人工矿柱尺寸采用(3～4) m×(3～4) m，矿柱间距6.5～7 m。矿房矿柱结构尺寸如图1所示。

图1 矿柱均匀分布(单位：m)

图2 矿柱交错分布(单位：m)

2.4 人工矿柱强度

在实验研究和实例调查的基础上，结合理论分析和实际调查，世界各国提出的矿柱强度计算公式有10余种，这些计算公式大多是对煤矿矿柱的研究结果，而对非煤矿山矿柱的研究较少，但非煤矿山在设计时也常常借鉴这些公式，实践表明采用这些公式进行的非煤矿山人工矿柱设计仍然能满足要求[6-13]。

Bieniawski与Van Heerden以南非Witbank 煤矿为基础，通过大规模原位测试得出煤柱强度计算公式如下：

(2)

式中，Sp为矿柱的强度,MPa；SL为矿岩强度参数,MPa；Wp为矿柱的宽度,m；h为矿柱的高度,m；α为常数，当煤柱的宽高比大于5时，α=1.4；而当煤柱的宽高比小于5 时，α=1.0。

结合本次人工矿柱的设计形状及尺寸，其矿柱的宽高比小于5，系数α的取值为1.0，得出计算人工矿柱强度参数的计算公式为

(3)

式中，Sl为人工矿柱抗压强度，MPa；F为安全系数；SY为岩柱面积，m2；SK为矿柱面积，m2。

根据上述计算公式及设计的人工矿柱尺寸，计算得出:在矿柱均匀分布时人工矿柱抗压强度为10.08MPa，矿柱交错布置时人工矿柱的强度参数为14MPa。

3 人工矿柱类型与材料

在周围无大面积采空区的情况下，混凝土人工矿柱的尺寸一般为 (3～4)m×(3～5)m。人工矿柱尺寸及间距应根据地压情况、矿体采高及顶板的稳固程度作适当调整。人工矿柱的施工可视矿柱所处具体位置采用单面支模～四周支模形式，单面支模即只支一面模板，其余三面为矿体。人工矿柱示意图如图3所示。

图3 人工矿柱示意

人工矿柱采用C20混凝土，中间可投放部分毛石，毛石投放量不宜超过混凝土的30%。掺入的毛石宜采用未风化、坚硬、无裂缝夹层的白云岩废石料，强度等级MU30以上。矿柱上部0.5～0.8 m采用碎石混凝土充填，顶部采用膨涨混凝土接顶。

4 矿柱置换工艺

(1)标准矿块长112.5 m，宽76.5 m，在矿块的一边设置连续间柱，另一边设置切割上山，每个矿块设置3条切割平巷以完成矿柱硐室的需要。

(2)利用相邻采区，从中段平巷分别向上掘切割上山至采区上边界，紧邻矿块顶柱掘进切割平巷，并在平巷中按设计尺寸掘矿柱硐室，处理顶板浮石，完成矿柱硐室的开挖。

(3)支模板，浇混凝土矿柱。在浇筑混凝土之前，应清理基底，形成坚实的基坑，清出老底，不留杂物；在进行混凝土浇筑时，要不断震动捣实，确保混凝土浇筑的质量，同时应加强养护工作。

(4)依次利用下部2条切割平巷分布完成两边矿柱硐室的开挖。

(5)矿块沿倾向从上往下依次浇混凝土矿柱。

(6)待上部通道(上山)一侧的人工矿柱达到设计强度后，即可在最上一个矿房从上部通道开始回采工作。

具体实施方案如图4所示。

5 结 论

(1)结合矿山的生产实际，为最大限度的回收品位较高的矿石，提出了采用人工矿柱代替原生矿柱的方案。

(2)在设计的人工矿柱尺寸条件下，通过理论计算得出了在矿柱均匀分布时要求人工矿柱抗压强度为10.08 MPa，矿柱交错布置时人工矿柱的强度参数为14 MPa。

(3)通过现场实施，在人工矿柱采用C20混凝土时，人工矿柱能很好地支撑采场顶板，保障了原生矿柱置换后的采场作业安全。

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(责任编辑 徐志宏)

Artificial Pillar Substituting the Gently Inclined Thin Rich Ore Pillars

Guo Wang Tong Yangchun

(Changsha Design and Research Institute，Chemical Industry Ministry，Changsha 410012，China)

With the rapid growth in fertilizer demand,it is particularly important to improve the recovery of high grade,and high quality phosphate.Yichang phosphate ore is in high grade,and belongs to the gently inclined thin ore.The current mining method results in the loss rate of ore pillar by 25% to 30%.To solve the problem of excessive loss rate,the scheme of artificial pillar substituting the original ore pillars is proposed.Based on the comparative analysis on the bearing capacity and stability of artificial pillar and ore pillar,the compressive strength of artificial pillar under different pillar distribution forms was obtained.The on-site implementation indicated that the scheme of artificial concrete pillar substituting the ore pillar ensured security of the stope after replacement,and significantly improved the recovery rate of the ore.

Artificial pillar,Structural size,Pillar strength，Ore extraction rate

2014-09-07

郭 旺(1986—)，男，硕士，助理工程师。

TD863

A

1001-1250(2014)-11-027-04