某金矿浅孔留矿法采场顶柱回收工艺研究

徐大智，丁福龙，孙德辉

(中核北方铀业有限公司，辽宁 葫芦岛 125000)

黄金是一种重要战略储备物资，随着科学技术和现代工业的发展，黄金在宇宙航行、医学、电子学和其他工业部门，日益发挥着重要作用[1]。黄金是一种不可再生资源，矿山在生产过程中，需尽可能降低开采损失率，提高资源回收率。

某金矿采用浅孔留矿法开采，并在开采过程中对该采矿方法进行了改进，将采场有底柱漏斗出矿改为无底柱巷道出矿，减少了采场底柱资源损失；但矿房留有顶柱作为保安矿柱，没有对其回收，顶柱的矿石量为矿房总量的10%。针对该矿采场顶柱的实际情况，研究浅孔留矿法顶柱回收工艺，可进一步回收黄金资源，同时能获得较好的经济效益[2]。为此，根据该矿采场地质特征、开采现状和采场顶柱作用，通过对采场顶柱稳定性、爆破产生地震波和采场矿体及围岩构造分析，研究采用人工砼顶柱置换矿石顶柱，以期在保证采场安全作业前提下，解决采场顶柱矿石回收问题。

1 工程背景

1.1 矿山采场概况

某金矿主要使用浅孔留矿法采矿，如图1所示。采用脉内采准方法，采场沿矿体走向布置，长50 m，宽1.2～2.0 m(矿体厚度)，高50 m(中段高度)。在采场两翼各布置1个行人通风天井，天井沿矿体倾角向上掘进到上中段，形成采场回风；在采场顶、底部分别留有顶、底矿柱，底柱高7 m，顶柱高4～6 m[3]123-124。

图1 浅孔留矿法采矿示意图Fig. 1 Schematic diagram of shallow hole shrinkage method

该矿在生产过程中对采矿方法进行了改进，改为脉外脉内联合采准，改有底柱漏斗结构为无底柱结构，即在脉外运输平巷中按间距6.3 m掘进出矿巷道与脉内平巷贯通，形成采场出矿通道，把脉内平巷变为采场拉底切割巷道。通过改进采矿方法，减少了因底部结构矿柱带来的资源损失，但顶柱的回收问题还未得到解决。

1.2 试验矿体地质及开采技术条件[3]61-74

试验矿体赋存于7号矿体1 130 m中段82～92线之间，矿体连续性好，为石英脉型矿体，围岩为石炭纪闪长岩，致密坚硬。矿块沿矿体走向长50 m，据1 130 m中段沿脉工程揭露，矿体总体走向264°，最大倾向174°，平均倾角59°。矿石结构以粒状为主，构造以细脉状为主，矿石类型为石英脉型矿体。矿石呈灰白色，少量呈乳白色，石英总含量达90%以上，矿化主要为黄铁矿化。矿体上下盘直接围岩主要是厚为0.2～1.0 m的蚀变花岗岩，不稳定，不利于回采作业。

矿床水文地质条件简单，是以孔隙、裂隙充水为主的矿床，属于第一类型。地表水体距矿床较远，与地下水水力联系较弱，对充水无明显影响。该矿块水文地质条件简单，以裂隙水为主，水文地质条件有利于回采。

2 影响采场顶柱回收安全的因素

影响采场顶柱回收安全的因素主要来源于采场回采矿房中矿岩和回采后充填料对顶柱稳定性形成的压力、采场爆破振动破坏，以及围岩稳定性等。

2.1 采场顶柱稳定性对人工砼顶柱的影响

2.1.1 松散岩体产生的压应力

采场回采过程中，随分层开采的上升，保留在采场内的矿岩量不断叠加，或充填过程中充填料在矿房内不断堆积，使得矿岩量对顶柱的作用力不断增加或上中段充填料重力对顶柱产生的压应力增加。由于采场有一定倾斜角度，加之矿房空间宽度所限和上下盘围岩的夹持作用，当回采达到一定高度时，其对顶柱产生的应力作用维持在一定范围内，不会无限叠加。该应力与矿房倾角成正比，矿房倾角越大，对顶柱的作用力越大。

根据以上对矿房中压应力的形成分析，在没有外力作用、也不考虑矿房两壁的摩擦力时，压应力计算公式为[4]179-180

σ压=F压/A

式中：σ压—压应力，kPa；F压—单位长度矿岩的荷载，kN；A—矿房底面积，m2。其中，F压=H×K×L×R×g×sinα，式中H—矿房高度，m；K—矿房宽度，m；L—矿房长度，m；R—松散矿岩体密度，t/m3；g—重力常数，9.8 N/g；α—矿房倾角。

按矿仓最大荷载计算，即人工砼柱上部存在50 m高废石或充填料，取松散矿岩体密度为1.6 t/m3，在矿房倾角为59°时，计算得到压应力为672 kPa。在矿房参数一定的前提下，不同倾角采场矿岩产生的压应力如图2所示。

图2 不同倾角下采场矿柱压应力分布Fig. 2 Distribution of pillar compressive stress under different dip angles

2.1.2 松散岩体产生的拉应力

当采场回采到采场顶部，与矿柱揭露，人工砼顶柱暴露出来后，上中段采场堆积的充填料的静压力对人工顶柱产生应力分布，形成拉应力。拉应力主要作用于人工砼顶柱上，使人工砼顶柱产生弯曲变形。当拉应力大于人工砼顶柱抗拉强度时，将会导致人工砼顶柱遭到破坏。

2.1.3 松散岩体产生的动压力

松散岩体产生的动压力主要由矿房爆破落矿产生的冲击波以及充填阶段充填料对矿柱的冲击力而产生。这2种动压力中，矿房初始开采爆破落矿产生的冲击波对矿柱的影响较大；但随着矿房开采高度不断上升或采空区充填料不断堆积，其冲击力被堆积物中的空隙消耗，影响程度不断降低。

在矿房初始落矿或初始充填时，压应力和动压力是叠加的；但前期积存在采场内的矿岩量较少，其压应力较小。

2.2 采场爆破振动对人工砼顶柱的影响

采场在爆破落矿过程中，通过炸药起爆产生的能量，在使炮孔周围岩石破碎的同时，会产生剪应力和拉应力，使岩石产生裂缝破坏。爆破产生的一部分能量以波的形式，传播到采场周边，引起质点的振动，形成爆破地震波，影响波及采场围岩和构筑物。起爆点与构筑物应达到一定的安全距离，以减小爆破振动使构筑物受到的影响[5-7]。地下浅孔爆破频率(f)在60～300 Hz。

根据采场原生条件，按公式R=(K/V)1/α·Q1/3[8]43计算爆破振动安全允许距离。保护对象为砼、f>50 Hz时，安全允许质点(砼)振动速度(V)为10～12 cm/s，取10 cm/s。对中硬岩石，与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数K和衰减指数α，分别为150～250和1.5～1.8，计算中K取250，α取1.5。根据采场单体设计，单段最大起爆炸药质量(Q)为13.77 kg。根据公式计算得到爆破振动安全允许距离(R)应大于0.21 m。

浅孔留矿法采场控顶作业高度为2.0～2.5 m，按最低高度点计算，爆破点至砼构筑物最近距离为1.5 m，远大于计算的爆破点到构筑物的安全允许距离，爆破对人工砼矿柱基本没有影响。

2.3 采场围岩稳定性对人工砼顶柱的影响

矿体、围岩的稳定性，与矿体、围岩物理力学性质和地质构造有关。该采场矿体岩性为石英脉型，围岩以石炭纪蚀变闪长岩和二叠纪似斑状花岗岩为主，矿石与围岩硬度系数为8～10，较为稳固。但在矿体与上下盘围岩之间，有0.2～1.0 m厚度不等的蚀变花岗岩或蚀变闪长岩，不太稳定；蚀变岩金品位为0.5～1.5 g/t，在采场回采过程中，蚀变岩会被回采下来。

围岩稳定性好，加之矿体为脉状型，采场宽度小，在上下盘的夹持作用下，围岩有利于构筑物的稳定。

3 顶柱回收方案

根据矿山使用的浅孔留矿法采场结构参数，采场顶柱是分隔上下中段采场，保证下中段采场安全开采留下的保安矿柱。顶柱需要承载采场矿岩或充填料对矿柱产生的应力和开采中的爆破震动，保证采场能够安全正常地开采。必须在保证回采安全的前提下，才能进行采场顶柱回收。

3.1 人工砼顶柱设计

根据对采场内矿岩产生的压应力、采场开采爆破地震波对构筑物的安全允许距离计算，以及对矿体、围岩物理力学性质和地质构造等分析，用人工砼顶柱替代采场顶柱，可实现该矿采场顶柱资源回收。人工砼顶柱的建设是在中段采场底部进行的。

3.2 人工砼顶柱结构

根据以上计算结果与分析，人工砼顶柱结构参数必须满足大于采场内矿岩产生的压应力(672 kN)，爆破点到砼构筑物的安全允许距必须在0.21 m以上。

人工砼顶柱，采用C20砼矿柱结构，C20砼抗压强度为20 MPa，约为矿房中矿岩产生的压应力强度的29倍。为了增强砼矿柱的抗拉强度，在砼中配置HRB335螺纹钢筋，主筋φ10，辅筋φ6，网度200 mm×200 mm；并在砼结构部位的采场两壁对称打入楔形锚杆，用锚固剂进行锚固，两壁锚杆与配置钢筋焊接成一体。为了进一步加强砼矿柱抗拉和稳定性，在砼矿柱上每隔6.3 m设计1个断面300 mm×300 mm钢筋砼加强柱，加强柱钢筋φ14 mm[9-11]。人工砼顶柱结构如图3所示。

图3 人工砼顶柱结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of artificial concrete pillar

3.3 人工砼顶柱施工

在采场切割拉底掘进时，向下超挖0.25 m，长、宽与采场相同，作为人工矿柱施工基坑。根据设计在矿房上下盘两壁打好锚杆孔，安装φ14螺纹钢楔形锚杆，并用锚固剂固定，锚杆长度1.2 m以上，排距800～1 000 mm。清理基坑后，在基坑中铺设M10水泥砂浆垫层，待砂浆凝固(48 h)后，铺设、绑扎钢筋和浇注砼(加强柱同时绑扎钢筋和浇注砼)，砼养护28 d。

3.4 采场顶部矿石回采

回采采场上部矿石时，需要考虑保护人工砼矿柱。采场联络道每4 m为1个分层高度，当回采到最上一层联络道时，改浅孔落矿为深孔落矿，将5 m高的矿石一次性爆破落矿。采用YGZ-90凿岩机凿岩打孔，炮孔直径60 mm，网度900 mm×900 mm，深度4 500 mm，从采场中部掏槽向两端凿岩，分段爆破。为了确保回采安全，保证人工砼矿柱的完整性不受破坏，凿岩时炮孔眼底与人工砼顶柱应至少保持500 mm距离，以减轻爆破震动对人工砼顶柱的影响，并采用毫秒延时爆破方式，一次将顶柱矿石落下[12-14]。

4 技术经济分析

4.1 安全技术可行性分析

从施工技术方面分析，人工砼顶柱替代原生矿岩柱，主要取决于砼顶柱的抗压强度和抗拉强度。人工砼顶柱要承受采场内矿岩产生的压力而不受破坏，其强度必须大于矿岩叠加产生的压应力和拉应力。为了增加其抗拉能力，在人工矿柱中设计了加强柱和两壁锚杆。C20砼的抗压强度远大于矿岩叠加产生的压应力；人工钢筋砼矿柱，采用的HRB335螺纹钢筋的抗拉强度达445 MPa，而采场内产生的拉应力与压应力均为672 kPa，人工钢筋砼的抗拉强度可满足抗拉要求。

从安全技术方面分析，按照采场爆破参数，计算得出爆破点到砼构筑物的振动安全允许距离应在0.21 m以上，其实际距离远大于振动安全允许距离。因此，爆破产生的地震波破坏程度有限。但第一分层回采爆破的矿岩直接砸在砼构筑物上，为避免对砼构筑物造成破坏，在爆破前可在其上覆盖0.5 m厚的充填物进行保护。

4.2 经济可行性分析

按照采场顶柱长44 m、矿体宽0.89 m、顶柱高5 m计算，采场顶柱地质矿量573 t，地质品位4.14 g/t，金属量2 372 g。按矿山开采贫化率15%、损失率5%计算，可采出矿量641 t，品位3.52 g/t，金属量2 256 g。

目前该矿单位采矿成本为329元/t，吨矿石选冶加工单位成本为275元/t，因此采冶单位成本合计604元/t。人工钢筋砼矿柱顶柱成本约7万元，回收总成本约为45.71万元。

矿柱回收效益取决于矿石品位的高低；同时与人工矿柱建造成本、矿柱矿石回收成本、采矿贫化率、选冶回收率、市场金价密切相关。以采冶回收率85%计算，该采场顶柱可回收金属1 917 g，销售收入72.84万元；扣除采冶成本和矿柱建造成本45.71万元，利润达21.13万元，可获得较好的经济效益。

5 结论

对某金矿浅孔留矿法采场顶柱回收的可行性分析表明，采用人工砼矿柱替代原有矿柱，能在安全的前提下顺利回收矿柱，并获得较好的经济效益。

在顶柱结构设计时，钢筋砼的抗拉问题，有待进一步研究，以优化确定加强柱的间距范围，并通过抗拔试验获得两壁锚杆的锚固力。