砼柱預控頂分段尾砂充填采礦法試驗研究

2017-03-14 06:39:25余丙銀彭善瑤

采礦技術 2017年1期

余丙銀，田麒，彭善瑤

(湖北柳樹溝礦業集團，湖北宜昌市 443145)

砼柱預控頂分段尾砂充填采礦法試驗研究

余丙銀，田麒，彭善瑤

(湖北柳樹溝礦業集團，湖北宜昌市 443145)

黃石溝礦原采用房柱法回采，導致回采率低，且遺留大量礦柱，造成資源浪費，為此，針對該礦的開采技術條件，提出了砼柱預控頂分段尾砂充填采礦法，并通過理論計算確定了砼柱的間距和尺寸。與原房柱法相比，該采礦法可在試驗區多開采礦量27097 t，增加純利潤455萬元，消耗尾砂約2.5萬m3，具有良好的效益。

預控頂；尾砂充填；砼柱

湖北柳樹溝礦業股份有限公司丁西磷礦黃石溝礦礦體平均厚度3.5 m，礦石P2O5平均品位30%。但該區域斷層、節理極度發育，地表涉及民居、公路、河流等構筑物，且該區域緊鄰集鎮，不允許地表有較大形變。所以該區域采用房柱法采礦回采率只有60%～65%。為了提高資源利用率，提出了砼柱預控頂分段尾砂充填采礦法，并進行了研究，以達到控制采空區、高效利用礦產資源的目的。

1 地質概況及開采技術條件

礦區位于黃陵背斜北部沉積蓋層區，地處宜昌磷礦丁家河礦區西部，地層傾向東～北東，傾角 2°～8°，為一平緩單斜構造，褶皺不明顯，斷層、節理發育。

礦區出露地層有前震旦系崆嶺群、震旦系上統陡山沱組(Z2d)、燈影組(Z2dn)，工業礦層Ph13位于陡山沱組。Ph13礦層直接頂板為Z2d13塊狀粉晶白云巖，底板為含鉀頁巖，礦層與頂底板均呈漸變過渡關系。

區域水文地質條件屬簡單類型，主要地表水流為黃柏河水系分支西沖河，地下巖溶水不發育，以裂隙水為主。工程地質類型屬堅硬、半堅硬巖層，工程地質條件簡單～中等。試驗礦塊沿走向長116 m，沿傾向平均寬約60 m，區塊總面積7900 m2。

2 采礦方法

采礦方法分為砼柱預控頂和尾砂充填采礦兩個階段。砼柱預控頂階段分兩個步驟，第一步在礦房內切割砼柱柱位，柱位切割寬6 m，預留連續礦柱寬6 m，依次循環推進。第二步為砼柱施工，每一柱位條帶切割完成后，由上至下依次進行砼柱施工。砼柱采用直徑4 m的圓柱形結構，沿傾向(即沿柱位條帶方向)中心距10 m。

第二階段尾砂干式充填采礦分為兩個步驟，第一步是在砼柱養護期完成后，對砼柱間預留的6 m礦帶進行回采。第二步是在每一條礦帶回采完成后，立即利用選礦廠尾砂對空場進行干式充填。兩個階段的實施順序見圖1。

3 砼柱設計

3.1 砼柱間距

根據圍巖移動破壞的三帶規律，存在著冒落帶、裂隙導水帶和彎曲下沉帶。根據經驗公式，冒落帶的厚度H1為：

(1)

導水裂隙帶的厚度H2為：

(2)

式中，m'為礦塊的平均厚度。

為了減少開采礦層對地表的擾動，主要考慮用冒落帶和導水裂隙帶的累計厚度來確定上覆巖層的平均荷載：

P=rHS

(3)

式中，r為兩帶的平均體重；H為兩帶的平均厚度；S為空場的最大暴露面積。

依據礦柱負載輔助面積理論法，礦柱上覆巖層的平均載荷為：

圖1 采礦方法實施順序

(4)

式中，c為切割巷道的間距；a、b為設計回采時預留礦柱的寬度和長度；R為上覆巖層的平均體重；h為礦層頂板至地表的巖層平均厚度。

（4）水環境治理資金需求大。城市水環境治理一般以公益性為主，回報率不高、任務重且資金需求量大，目前主要由政府投資，企業和社會公眾參與較少，投融資渠道不完善。受區域杠桿約束，資金缺口大，治理措施難以統一實施，治理效果難以保障。

用砼柱替代礦柱，砼柱的負載能力假設為上覆巖層的平均荷載，則砼柱的密度為：

(5)

根據式(5)，可計算得出砼柱的最大間距為8.33 m。

3.2 砼柱尺寸

從維護采場穩定性方面考慮，礦柱的間距應小于礦房極限跨度，而礦柱本身的橫截面尺寸應能滿足承載力要求，因此，礦柱尺寸可由其抗壓強度確定。根據面積承載力理論，假設上覆巖層的重力按面積均勻分布，礦柱支撐其上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積為按巖柱分攤的開采面積與礦柱自身面積之和。

則礦柱的平均應力δP為：

(6)

式中，γ為礦柱容重，N/m3；H1為覆巖高度；LP、BP為礦柱的長度與寬度；L0、B0為礦柱間隔的長度與寬度。

礦柱強度主要取決于礦柱的單軸抗壓強度，且與礦柱的形狀和尺寸等有關，根據前人的研究，礦柱強度可采用式(7)進行計算：

(7)

設礦柱安全系數為K，則：

(8)

按照原房柱法回采，礦柱走向間距12m、傾向間距9m，礦柱長度6m、寬度4m；按照本采礦法回采，砼柱走向間距8m、傾向間距6m，砼柱長度和寬度均為4m，分別計算礦柱的安全系數K砼柱和K礦柱，可得：K砼柱>K礦柱。

混凝土礦柱內部沒有原生礦柱中普遍存在的節理等構造面，強度高，且混凝土質地較均勻，礦柱主要承力受軸向壓力，根據力學性能原理，4m×4m方形砼柱與直徑4m圓柱形砼柱承受軸向壓力的能力差別不大，而圓柱形砼柱節省材料，支模和澆筑施工方便。

綜合考慮砼柱承壓力、采礦安全系數、材料成本、施工難易程度、施工進度等方面因素，確定采用直徑4m的圓柱形混凝土柱。

4 經濟及社會效益分析

(1) 試驗區總面積7900m2，礦層平均厚度3.5m，礦石比重2.8t/m3，共設計砼柱66個。按照設計房柱法回采，實際回采礦量M1≈50323 t，實際損失礦量M損’≈27097 t。按照砼柱預控頂分段尾砂充填采礦法開采，則礦塊回采率趨于100%，預計可采出礦量M2≈77420 t，與原采礦方法相比較，可多采出礦量27097 t。

(2) 結合當地實際情況，砼柱造價約300元/m3，則砼柱總造價W≈87萬元。按照現有磷礦市場行情，1 t礦石的純利潤約200元，則按本采礦方法回采試驗區預計可創造利潤542萬元，扣除砼柱造價后，預計可為公司創造純利潤455萬元。使用該方法采礦，預計可消耗選礦廠尾渣約2.5萬m3，減少地面尾礦庫征地、建設及后期治理成本。

(3) 采用充填法回采，可提高資源的利用率，延長礦山服務年限。且采空區充填接頂，可有效緩解采空區大面積冒落危害，降低采礦對地表環境的形變破壞，減少了地質災害的發生。