清水江磷矿矿柱置换设计方法与计算

张长江

摘  要：根据清水江矿既有采矿方法基础上，对保安矿柱进行了置换，利用充填法对保安矿柱进行置换，先回采保安矿柱，再进行充填，完成保安矿柱置换，然后再大面积进行矿体回采，并根据地质报告及现场岩石力学参数对清水江矿矿房宽度进行了计算，考虑了岩石的弯曲、剪切等一系列力学条件，对开阳县及周边矿区矿柱置换具有借鉴意义。

关键词：清水江磷矿   矿柱置换   矿房  设计方法

中图分类号：TP30

Design Methods and Calculation of the Pillar Replacement of the Qingshui River Phosphate Mine

ZHANG Changjiang

Guizhou Starry Sky Design Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550002 China

Abstract： Based on the existing mining method in the Qingshui River mine，  its security pillars are replaced. The filling method is used to replace security pillars.  Security pillars are first mined and then are filled to complete their replacement， and then a large area of the mine body is mined. According to the geological report and the mechanical parameters of on-site rock， the mine room width of the Qingshui River mine is calculated， and a series of mechanical conditions such as the bending and shear of rock are considered， which has reference significance for the replacement of mine pillars in Kaiyang County and its neighbouring mine areas.

Key Words： Qingshui River phosphate mine; Pillar replacement; Mining room; Design method

1  引言

在贵州省开阳及瓮安周边矿区主要采用房柱法采矿，但容易造成冲击地压，导致人员伤亡和财产的损失[1]。本文采用了新的矿柱留设和置换方法，回采率达到99%以上。

1.1  工程概况

开阳广隆矿业有限公司开阳县花梨乡清水江磷矿于2022年1月开始进行矿山改建的地面及井下工程建设，至2022年4月底，已基本建设完成，进入联合试运转。

1.2  原设计采矿方法及保安矿柱设计

1.2.1  清水江磷矿采空区隔离矿柱

对盘区浅部已形成部分采空区，防止采空区积水进入井下，留设采空区隔水矿柱。结合实际情况，考虑到采空区为地表采空区，可能沿矿层顶底板裂隙进入井下，设计根据实际情况，采空区最大留设20 m防水矿柱。

从采空区底板往下留设20 m高的隔水矿柱。开采过程中，不破坏防水矿柱[2]。矿区边界矿柱按25 m宽留设，采区隔离矿柱按20 m宽留设。顶板内巷道根据作图法计算为按崩落角下划至矿体后，外推10 m，位于脉内需要保护的巷道按照大巷两侧各10 m留设，断层保护矿柱按20 m留设，风氧化带保护矿柱按20m留设。分段上保护矿柱按照采场矿柱留设，上部留设3 m宽连续顶柱、矿房中部留设4 m×3 m的点柱、矿房底部留4 m×3 m连续间隔点柱。

开采过程中，各种保安矿柱不得进行开采，不破坏防水矿柱，是安全可靠的[3]。

1.2.2  矿柱留设安全性分析

设计留设的各种保安矿柱，为按照《化工矿山地下采矿设计规范》（HG/T  22809—1997）、《金属非金属地下矿山防治水安全技术规范》（AQ 2061—2018）留设原则计算得来，矿柱计算合理，能保证采场顶板稳固，安全性好。

1.3  矿柱置换设计

1.3.1  原设计方案

根据现场实际情况，将分段、采场矿柱进行置换，按照原设计方案，分段上保护矿柱按照采场矿柱留设[4-5]，分段房柱法上部留设3 m宽连续顶柱、矿房中部留设4 m×3 m的点柱、矿房底部留4 m×3 m连续间隔点柱。

1.3.2  新设计方案

（1）左右两侧留设间柱位置开两条5 m宽的巷道。

（2）巷道开完后将巷道下部封闭，厚度2 m，并将巷道内全部灌满灌注C20混凝土，形成混凝土墙支撑顶板。

（3）在两条混凝土墙之间将矿体采出，每隔5 m开一条新巷道，巷道形成以后向左右两边开采，宽度为5 m，利用形成新的巷道通风。

矿房内两混凝土墙间距离30 m，开采时，在距离混凝土隔墙5 m处开5 m宽巷道，并及时支护，然后在巷道内向左右两侧回采（各采5 m），完成整个矿房的开采。

1.4  条带式矿柱的置换设计及回采方法

（1）在顶板比较破碎位置采用原设计方案中的开采方法，但在开采过程中，留设顶柱、间柱、点柱等安全、隔离矿柱。待采场往前推进5 m后，距离隔离矿柱5 m以上时，利用开拓回采时产生的碎石，从地面运输一部分砂石、水泥，在工作面进行搅拌，混凝土强度指标为C20混凝土。

（2）在开采之前，在采场隔离矿柱位置开5 m宽巷道，将隔离矿柱位置矿体全部采出。

（3）用混凝土在新开巷道底部将巷道封闭，厚度为2 m，待一周后混凝土强度达到70%以上使用。

（4）将巷道内全部灌满C20混凝土，待28天后混凝土强度达到设计要求后，进行其他施工。

（5）分段房柱法上部在原开采设计当中留设了3 m宽连续顶柱，顶柱和底柱不在置换范围内。

（6）隔离矿柱用混凝土置换后，在原回风巷位置开掘回风巷，用于形成回风系统。

（7）原矿房内点柱取消，将矿房宽度变为15 m。

（8）在距离两侧混凝土墙各5 m处各开辟一条上山巷道，并沿下山方向，后退式向左、向右回采5 m宽的矿石。

（9）如在回采过程中顶板有大面积破碎，需要在工作面后部空区内距离工作面8 m处打设2 m宽木垛，防止顶板大面积垮落。

（10）根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）只有在顶板为Ⅰ类和Ⅱ类时才能使用本方案，其他岩石类别时采用原设计方案进行支护，并根据现场情况及时加强支护。

（11）回采结束后，按照《开阳广隆矿业有限公司开阳县花梨乡清水江磷矿（改建）安全设施设计（变更）》要求及时封闭采空区。

1.5 顶板破碎时混凝土置换方式

当顶板比较破碎时，采用原设计采矿方法，具体混凝土置换方式如下。

（1）在顶板比较破碎位置留设顶柱、间柱、点柱等安全、隔离矿柱，在开采到这些矿柱时，用混凝土模板支模，形成封闭空间，然后灌入混凝土。

（2）混凝土标号为C20。

（3）在用混凝土形成这些点柱，间柱、顶柱后，再将其余资源开采出来。

（4）在倾角大于12°时采用台阶置换法，并用钢筋植入底板，形成三角形钢筋笼。

2  矿房的计算

2.1  矿房宽度计算

根据地质报告，开采矿体顶板为白云岩，根据岩石弹性模量，白云岩弹性模量E取最小值50 GPa，矿房宽度设为Xm，根据钻孔ZK801，白云岩厚18.61 m，此层白云岩以上为70 m厚，比较稳定。根据关键层理论，上部70 m厚白云岩不会垮落，下部10 m左右厚的白云岩直接顶。因矿房两边直接顶都被固定，因此认为矿房上部直接顶白云岩的力学模型为悬臂梁，两端固定结构。

根据弯曲应力理论

其中为最大拉应力。

泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa，取最小值3 MPa，把白云岩顶板简化为均布荷载的悬臂梁。白云岩厚度简化为梁高16 m，矿房长设为50 m，考虑成两条梁，则一条梁宽25 m。当抗拉强度达到3 MPa时，求梁长度。

设梁长为X，白云岩的密度为2.8 t/m?，则梁的每米均布荷载为2.8×10 kN×16×25×1=11 200 kN/m。

可以看出，最大弯矩发生在矿柱与空区交界处。

y为中性到的高度，为惯性矩，y为8 m。

对称结构在白云岩顶板无任何的断层情况下计算出的中间空顶最大距离为47.8 m，但在实际工作中，断层多，因此建议矿房最大宽度取30 m，如顶板很破碎，则最小距离为5 m，并及时支护顶板。

2.2  最大挠度计算

悬臂梁挠度的公式：

其中：q为均布荷载（11 200 kN/m）；X为梁长度23.9 m；E为弹性模量，取白云岩最小值50 GPa；I为惯性矩大小为，8 533 m4。

最大挠度在矿房的中部，及悬臂梁的最右侧边缘位置。

X=23.9 m处最大挠度为：

矿房最中间位置最大挠度为1 mm，位移小，说明当矿房宽度27.8 m时，矿房中部23.9 m处，挠度最大为1 mm，位移很小，比较安全。

2.3  顶板的抗剪计算

设本矿白云岩厚度为16 m，宽25 m，矿房宽47.8 m，则一面矿柱所承担的重量为16 m×25 m×23.9 m×28 kN/m?=267680 kN，

则白云岩的最大剪切力发生在顶板与矿柱交界处，最大剪力为267 680 kN;

则白云岩的切应力为：

实验得知白云岩最小抗剪强度为3.07 MPa，而0.669 2 MPa<3.07 MPa，因此，在矿柱边缘剪力最大，但是剪切强度满足要求，不会发生剪切破坏。

综上，根据现场实际情况，矿房实际宽度如下。

（1）在无断层无涌水情况下，矿房最大宽度设定为47.8 m，如遇断层，断层落差在0.5 m以下的，每增加一条落差0.5以下的无涌水断层，矿房宽度减少10%。

（2）遇到落差在0.5 m以上断层，如发现一条，则矿房宽度减少20%。

（3）遇到顶板淋水，则矿房宽度减少40%。

（4）矿上围岩共分成四类：Ⅰ类为强稳定性岩层，Ⅱ类为稳定性岩层，Ⅲ类为中等稳定岩层，Ⅳ类为弱稳定性岩层。根据分类，Ⅰ类岩层矿房宽度选100%，每降一类矿房宽度减少20%。得到公式：

其中：B为矿房实际计算宽度；L为落差小于0.5m的断层条数；M为断层大于0.5m的断层条数；N为顶板是否有淋水，如果有N取1，如果没有，N取零；P为围岩种类；Ⅰ类取0；Ⅱ类取1；Ⅲ类取2；Ⅳ类3。

（5）在按照以上公式计算矿房宽度低于10 m时，采用原设计方案在矿房内布置点柱增加支护面积。

（6）在原设计方案中，当回采到点柱位置后，先将点柱位置提前回采，然后按照设计将点柱位置用混凝土进行置换。

在矿房取宽度47.8 m时，在没有断层破碎带的情况下，白云岩位移为1 mm，有断层和破碎带的情况下建议矿房最大宽度取15 m，在小于15 m范围内，按照以上公式计算矿房宽度，并对顶板及时支护。当矿房顶板破碎且有淋水时，顶板支护可按照原设计进行回采。

3  结语

综上，清水江矿矿柱置换已通过专家评审并开始使用，经过半年的运行，新的矿柱置换方法为矿房节省了大量资金，并增加了回采率，因此，条带式矿柱置换方法是可行的。

参考文献

[1]李世发.浅孔房柱法在郝家河铜矿开采中的实际应用[J].工程建设（重庆）， 2022， 5（2）：88-90.

[2]王术峰，杨志勇，胡桂林.露天矿构造结构面对端帮靠帮开采过程中稳定性的影响[J].煤矿安全，2022，53（12）：235-240.

[3]吴振雨，王靖，刘培正，等.山东某铁矿保安矿柱开采对地表构筑物的影响分析[J].现代矿业，2022（2）：38.

[4]米智华.深部复杂矿体回采与矿柱留设厚度模拟研究[J].湖南有色金属，2023，39（2）：9-13.

[5]马进功.旺格维利式开采采硐间煤柱合理宽度留设研究[J].煤炭科学技术，2022，50（3）：69-77.