刚果(金)某铜矿房柱法开采中矿柱尺寸设计研究

尚晓明， 范文录

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

房柱法一般用来开采水平和缓倾斜矿体，在划分回采单元的基础上，将矿房和矿柱规则交替布置。先回采矿房，留下规则的连续条带矿柱或不连续矿柱来支撑采空区顶板，若留设的矿柱宽度过小，则易造成矿柱失稳；若留设的矿柱宽度过大，则矿石的回收率大大降低[1-2]。因此，科学合理设计深部开采中矿柱的宽度，对提高矿柱的稳定性和矿石的回收率具有重要意义。

2 矿床开采技术条件

该铜矿区位于刚果(金)西南部卢阿拉巴省，为一超大型层状铜矿床，位于中非铜矿带西部。矿区地层岩性相对简单，以变质沉积岩为主，地表岩体风化较强，岩体结构以层状结构为主，新鲜岩石以坚硬岩为主，构造较发育、高陡断裂为主，风化带及构造带对矿床开采影响较大，矿床工程地质条件属以坚硬半坚硬层状岩类为主的中等类型。矿区矿岩密度26kN/m3,矿岩单轴抗压强度 51.6MPa。

矿体埋深400～700m，倾角5°～20°，矿体受沉积地层控制，总体呈背斜产出，形态近似马鞍。按边界品位3%圈定矿体平均真厚度5.3m。

3 矿柱尺寸研究

采矿方法中，对于矿体厚度在4m以下的矿体采用房柱法开采，本文主要对房柱法开采中矿柱的尺寸进行研究。

3.1 矿柱设计方法

影响矿柱稳定性的因素主要有矿柱的平均抗压强度、矿柱宽度、矿柱高度、矿房宽度、上覆岩体的容重、开挖半径和开采深度等[3]。

矿柱设计采用矿柱支护从属面积分析法，利用从属面积法来估算矿柱平均轴向应力。矿柱所受轴向平均应力为

(1)

式中，σp为矿柱的轴向平均应力；pzz为开采前应力场的垂向正应力分量，通过采深与岩体密度计算确定；wo为矿房宽度；wp为矿柱宽度。具体布置形式如图1所示。

图1 矿房矿柱布置形式

矿柱强度S的经验式为

(2)

式中，So为矿岩单轴强度；h为矿柱高度；α、β为反映矿体的地质构造和岩石力学条件的参数。

由矿柱强度S与矿柱所受轴向平均应力σp的比值得到安全系数F为

F=S/σp

式中，F为安全系数；S为矿柱强度；σp为矿柱的轴向平均应力。

3.2 矿柱设计参数

在进行矿柱支护设计前，需确定相关技术参数，根据Obert and Duvall (1967)的矿柱设计理论，主要参数包括开采深度、矿岩密度、矿岩单轴抗压强度及开采高度等,主要技术参数见表1。

表1 矿柱支护主要技术参数

3.3 矿柱尺寸设计

根据矿柱支护从属面积分析法进行矿柱尺寸设计。根据采矿设计，采用矿柱法的矿柱尺寸参数为7m×7m，矿房宽度为6m，矿体平均厚度为5m，计算时采高分别采用6m、5m、4m进行计算。根据矿体赋存条件，矿体埋藏深度为400～700m，采用以上矿柱尺寸参数，计算得到不同采高以及不同采深下的安全系数，具体见表2。

表2 房柱法安全系数表

由表2可以看出，当采高和矿柱宽度一定时，安全系数随着开采深度的增加逐渐递减。安全系数F>1时矿柱稳定，F<1时矿柱不稳定,安全系数越大越安全。在选取安全系数时，要考虑地质构造、应力分布、矿柱存在时间等因素影响。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[4]。本次计算取安全系数1.2作为评价标准。

根据以上结果，采用房柱法开采时，矿柱稳定性系数达到1.2时，矿柱设计尺寸参数见表3。

表3 矿柱尺寸参数设计(安全系数=1.2)

一般而言，随着埋深增加，若采高不变，只有增大矿柱宽度或减少矿房宽度才能保证矿柱的安全。

4 结论

房柱采矿法的主要构成要素为矿房和矿柱，其尺寸的选取关系到开采的安全和矿石回收率。科学合理的确定矿房和矿柱的尺寸，可以保证开采时的安全和最低的矿石损失。

本文通过选取安全系数1.2为评价标准，对不同采高、不同开采深度的矿房、矿柱尺寸进行设计计算，可以更好地指导后续的采矿设计。