新型充填采矿法在清水江磷矿的应用

杨忠烈

摘  要：清水江磷矿采用房柱式采矿法，中部留有矿柱，在回采过程中，中部矿柱造成了大量资源损失，本文采用一种新的矿柱支护方法，提高了资源回采率，提高了经济效益。

关键词：清水江磷矿；矿柱回采方法

开阳广隆矿业有限公司清水江磷矿开采矿种：磷矿；开采方式：地下开采；生产规模：30万t/a。矿山划分为南、北两个采区，其中南采区为原一、二采区已布置有采掘工程的大部分区域，具体范围为南采区西部以采空区为界，北部以F4断层及矿方新揭露断层为界，南部及东部至矿区边界，北采区西部以地表陡崖矿柱及采空区为界、北部以矿体储量核实边界及矿区边界为界、东部以矿区边界为界，南以F4断层及矿方新揭露断层为界[1]。其中，南采区内以主平硐井筒为界划分为一盘区和二盘区两个部分进行开采。采区采用房柱式采矿法。

近年来，市场对磷矿石资源的需求不断增加，充分利用现有磷矿资源，减少开采过程中的损失具有重要意义，为此，清水江磷矿为减少开采过程中预留矿柱的损失，利用人工混凝土柱代替原生矿柱，置换宝贵的矿产资源，从而减少矿石资源损失。将井下采掘过程中所产生的废石直接作为浇灌混凝土柱的碎石原料，减少井下开采的排废量，既节约了排废运输成本，又减少废石对地表环境的污染，同时提高地下开采安全性，延长矿山服务年限。

1.原采矿方法

原采矿方法为每30至40m形成一个矿房，矿房宽34至40m，长45至55m，上下左右都有保护矿柱，分段上保护矿柱按照采场矿柱留设，分段房柱法上部留设3m宽连续顶柱、矿房中部留设4m×3m的点柱、矿房底部留4m×3m连续间隔点柱，每个矿房留设点柱，顶板管理采用全部垮落法，这种方法的缺点是矿柱留设过多，严重影响资源回采率。

2.充填式置换矿柱采矿法

本方法首先在上山方向开掘两条巷道，两巷道之间形成矿房，两巷道中对中距离为20m，开好巷道后用混凝土将两条巷道灌满，用混凝土墙代替了矿柱进行支撑，然后再开采两混凝土墙之间的矿柱。（图1）

3.充填式置换矿柱采矿法回采工艺

先开掘宽为3m的切割上山与回风巷贯通，再向外拓宽2m，达到5m的巷道宽度，切割上山贯通后，在其下口（运输巷）进行第一步骤混凝土挡墙及混凝土柱的浇筑，待强度到达要求后，再从上口（回风巷）向切割上山巷道内进行第二步骤混凝土柱的浇筑[2]，切割浇筑完第一个混凝土矿柱后，再浇筑第二个混凝土矿柱，依次往后循环施工，待强度到达设计要求后，开掘采场内切割上山，对矿房进行回采。

在以上两种置换方案中，混凝土矿柱所需的砂石及水泥通过矿用卡车运输至工作面临时搅拌场，按所需充填料浆配比添加水、水泥、砂石至充填搅拌机，搅拌后的充填料浆通过矿用混凝土输送泵直接泵送至采空区，在顶板比较破碎位置留设顶柱、间柱、点柱等隔离矿柱，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，为了让人工混凝土浇筑达到强度要求，采取振动棒振动到位。这种方法工序简单，施工快捷。

4.关键技术

（1）接顶要求与确保充分接顶措施

人工混凝土柱与矿体顶板的紧密接触施工技术是混凝土柱施工的关键，它是混凝土柱采矿法成败的关键。在浇筑混凝土柱过程中，当混凝土柱与矿体顶板接近时，应使用充填技术对形成的楔形空间进行填充，具体做法是：采用喷射混凝土将混凝土柱与矿体顶板连接起来；使用注浆技术，用注浆泵将水泥砂浆注进混泥土与矿体顶板之间；使用木杵或铁杵从上往下进行人工捣实充填，使混凝土体矿体顶板紧密接触。

（2）浇柱过程的安全措施

浇柱前需按已批准的安全设施设计对待浇柱区域进行检查，确保待浇柱区域支护完好，浇柱过程中若浇柱区域通风不畅，需安设局部通风机对该区域进行通风，以确保浇柱过程安全。（图2）

5.通过顶板岩石力学计算，设定矿房宽度

根据岩石弹性模量表，白云岩弹性模量E取最小值50GPa，矿房宽度设为Xm，根据钻孔ZK801，白云岩厚18至61m，此层白云岩以上为70m厚白云岩，比较稳定。根据关键层理论，上部70m厚白云岩不会垮落对巷道造成影响，对巷道有压力的就是下部十多米厚的白云岩直接顶。

因在矿房两边的直接顶都被固定，因此认为矿房上部直接顶白云岩的力学模型为悬臂梁[3]，两端固定结构，具体模型如图3：

根据弯曲应力理论

其中为最大拉应力。

泥质白云岩抗剪断强度为1～3Mpa，取最小值2.5Mpa，岩石抗拉强度比抗剪强度高，因此抗拉强度取抗剪强度值2.5Mpa，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16m，矿房长设为50m，考虑成两条梁[4]，则一条梁宽25m。当抗拉强度达到3Mpa时，求梁长度。

设梁长为X，白云岩的密度为2.7t/m?

则梁的每米均布荷载为2.7*10KN*16*25*1=11200KN/m

从图上可以看出，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8m

2.5×106=5250 X?

X=21.82m

因为为对称结构，所以中间空顶最大距离为43.64m，这是整个白云岩顶板无任何断层情况下的计算结果，但在实际工作中，断层往往到处都是，因此建议矿房最大宽度取为30m，如顶板很破碎，则最小距离为5m，且需要及时支护顶板，具体支护方式按照原设计执行。

综上，通过分析，充填式置换矿柱采矿法有明显的优点。首先，利用混凝土墙代替了矿柱进行支护，提高了回采率，使矿房内资源回采率达到了百分之百。其次，回采工艺简单，有利于提高机械使用效率。第三，出产的矸石用于制备混凝土又回填到井下，减少了矸石对环境的污染。基于以上这些优点，此方法在清水江磷矿的应用，取得了很好的效果。

参考文献

[1]尹尚先，连会青，徐斌等。深部带压开采：传承与创新[J]. 煤田地质与勘探，2021，49（1）：170?181.

[2]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南 [S].北京：煤炭工业出版社，2017.

[3] 刘少伟，张伟光，董士举。基于ANSYS的巷道顶板锚固系统托盘尺寸参数优化[J].煤炭工程，2011， 43（12）： 82-84.

[4] 李英明，马念杰。康家滩煤矿回采巷道煤帮支护参数研究[J].煤炭工程，2009， 41（9）： 44-46

作者单位：桐梓县工业和能源局