新型充填采礦法在清水江磷礦的應(yīng)用

楊忠烈

摘? 要：清水江磷礦采用房柱式采礦法，中部留有礦柱，在回采過程中，中部礦柱造成了大量資源損失，本文采用一種新的礦柱支護(hù)方法，提高了資源回采率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：清水江磷礦；礦柱回采方法

開陽廣隆礦業(yè)有限公司清水江磷礦開采礦種：磷礦；開采方式：地下開采；生產(chǎn)規(guī)模：30萬t/a。礦山劃分為南、北兩個(gè)采區(qū)，其中南采區(qū)為原一、二采區(qū)已布置有采掘工程的大部分區(qū)域，具體范圍為南采區(qū)西部以采空區(qū)為界，北部以F4斷層及礦方新揭露斷層為界，南部及東部至礦區(qū)邊界，北采區(qū)西部以地表陡崖礦柱及采空區(qū)為界、北部以礦體儲(chǔ)量核實(shí)邊界及礦區(qū)邊界為界、東部以礦區(qū)邊界為界，南以F4斷層及礦方新揭露斷層為界[1]。其中，南采區(qū)內(nèi)以主平硐井筒為界劃分為一盤區(qū)和二盤區(qū)兩個(gè)部分進(jìn)行開采。采區(qū)采用房柱式采礦法。

近年來，市場對磷礦石資源的需求不斷增加，充分利用現(xiàn)有磷礦資源，減少開采過程中的損失具有重要意義，為此，清水江磷礦為減少開采過程中預(yù)留礦柱的損失，利用人工混凝土柱代替原生礦柱，置換寶貴的礦產(chǎn)資源，從而減少礦石資源損失。將井下采掘過程中所產(chǎn)生的廢石直接作為澆灌混凝土柱的碎石原料，減少井下開采的排廢量，既節(jié)約了排廢運(yùn)輸成本，又減少廢石對地表環(huán)境的污染，同時(shí)提高地下開采安全性，延長礦山服務(wù)年限。

1.原采礦方法

原采礦方法為每30至40m形成一個(gè)礦房，礦房寬34至40m，長45至55m，上下左右都有保護(hù)礦柱，分段上保護(hù)礦柱按照采場礦柱留設(shè)，分段房柱法上部留設(shè)3m寬連續(xù)頂柱、礦房中部留設(shè)4m×3m的點(diǎn)柱、礦房底部留4m×3m連續(xù)間隔點(diǎn)柱，每個(gè)礦房留設(shè)點(diǎn)柱，頂板管理采用全部垮落法，這種方法的缺點(diǎn)是礦柱留設(shè)過多，嚴(yán)重影響資源回采率。

2.充填式置換礦柱采礦法

本方法首先在上山方向開掘兩條巷道，兩巷道之間形成礦房，兩巷道中對中距離為20m，開好巷道后用混凝土將兩條巷道灌滿，用混凝土墻代替了礦柱進(jìn)行支撐，然后再開采兩混凝土墻之間的礦柱。（圖1）

3.充填式置換礦柱采礦法回采工藝

先開掘?qū)挒?m的切割上山與回風(fēng)巷貫通，再向外拓寬2m，達(dá)到5m的巷道寬度，切割上山貫通后，在其下口（運(yùn)輸巷）進(jìn)行第一步驟混凝土擋墻及混凝土柱的澆筑，待強(qiáng)度到達(dá)要求后，再從上口（回風(fēng)巷）向切割上山巷道內(nèi)進(jìn)行第二步驟混凝土柱的澆筑[2]，切割澆筑完第一個(gè)混凝土礦柱后，再澆筑第二個(gè)混凝土礦柱，依次往后循環(huán)施工，待強(qiáng)度到達(dá)設(shè)計(jì)要求后，開掘采場內(nèi)切割上山，對礦房進(jìn)行回采。

在以上兩種置換方案中，混凝土礦柱所需的砂石及水泥通過礦用卡車運(yùn)輸至工作面臨時(shí)攪拌場，按所需充填料漿配比添加水、水泥、砂石至充填攪拌機(jī)，攪拌后的充填料漿通過礦用混凝土輸送泵直接泵送至采空區(qū)，在頂板比較破碎位置留設(shè)頂柱、間柱、點(diǎn)柱等隔離礦柱，在開采到這些礦柱時(shí)，用混凝土模板支模，形成封閉空間，然后灌入混凝土，為了讓人工混凝土澆筑達(dá)到強(qiáng)度要求，采取振動(dòng)棒振動(dòng)到位。這種方法工序簡單，施工快捷。

4.關(guān)鍵技術(shù)

（1）接頂要求與確保充分接頂措施

人工混凝土柱與礦體頂板的緊密接觸施工技術(shù)是混凝土柱施工的關(guān)鍵，它是混凝土柱采礦法成敗的關(guān)鍵。在澆筑混凝土柱過程中，當(dāng)混凝土柱與礦體頂板接近時(shí)，應(yīng)使用充填技術(shù)對形成的楔形空間進(jìn)行填充，具體做法是：采用噴射混凝土將混凝土柱與礦體頂板連接起來；使用注漿技術(shù)，用注漿泵將水泥砂漿注進(jìn)混泥土與礦體頂板之間；使用木杵或鐵杵從上往下進(jìn)行人工搗實(shí)充填，使混凝土體礦體頂板緊密接觸。

（2）澆柱過程的安全措施

澆柱前需按已批準(zhǔn)的安全設(shè)施設(shè)計(jì)對待澆柱區(qū)域進(jìn)行檢查，確保待澆柱區(qū)域支護(hù)完好，澆柱過程中若澆柱區(qū)域通風(fēng)不暢，需安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)，以確保澆柱過程安全。（圖2）

5.通過頂板巖石力學(xué)計(jì)算，設(shè)定礦房寬度

根據(jù)巖石彈性模量表，白云巖彈性模量E取最小值50GPa，礦房寬度設(shè)為Xm，根據(jù)鉆孔ZK801，白云巖厚18至61m，此層白云巖以上為70m厚白云巖，比較穩(wěn)定。根據(jù)關(guān)鍵層理論，上部70m厚白云巖不會(huì)垮落對巷道造成影響，對巷道有壓力的就是下部十多米厚的白云巖直接頂。

因在礦房兩邊的直接頂都被固定，因此認(rèn)為礦房上部直接頂白云巖的力學(xué)模型為懸臂梁[3]，兩端固定結(jié)構(gòu)，具體模型如圖3：

根據(jù)彎曲應(yīng)力理論

其中為最大拉應(yīng)力。

泥質(zhì)白云巖抗剪斷強(qiáng)度為1～3Mpa，取最小值2.5Mpa，巖石抗拉強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度高，因此抗拉強(qiáng)度取抗剪強(qiáng)度值2.5Mpa，把白云巖頂板簡化為均布荷載的懸臂梁。白云巖厚度簡化為梁高16m，礦房長設(shè)為50m，考慮成兩條梁[4]，則一條梁寬25m。當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到3Mpa時(shí)，求梁長度。

設(shè)梁長為X，白云巖的密度為2.7t/m?

則梁的每米均布荷載為2.7*10KN*16*25*1=11200KN/m

從圖上可以看出，最大彎矩發(fā)生在礦柱與空區(qū)交界處。

y為中性到的高度，為慣性矩

y為8m

2.5×106=5250 X?

X=21.82m

因?yàn)闉閷ΨQ結(jié)構(gòu)，所以中間空頂最大距離為43.64m，這是整個(gè)白云巖頂板無任何斷層情況下的計(jì)算結(jié)果，但在實(shí)際工作中，斷層往往到處都是，因此建議礦房最大寬度取為30m，如頂板很破碎，則最小距離為5m，且需要及時(shí)支護(hù)頂板，具體支護(hù)方式按照原設(shè)計(jì)執(zhí)行。

綜上，通過分析，充填式置換礦柱采礦法有明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，利用混凝土墻代替了礦柱進(jìn)行支護(hù)，提高了回采率，使礦房內(nèi)資源回采率達(dá)到了百分之百。其次，回采工藝簡單，有利于提高機(jī)械使用效率。第三，出產(chǎn)的矸石用于制備混凝土又回填到井下，減少了矸石對環(huán)境的污染。基于以上這些優(yōu)點(diǎn)，此方法在清水江磷礦的應(yīng)用，取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]尹尚先，連會(huì)青，徐斌等。深部帶壓開采：傳承與創(chuàng)新[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49（1）：170?181.

[2]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南 [S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017.

[3] 劉少偉，張偉光，董士舉。基于ANSYS的巷道頂板錨固系統(tǒng)托盤尺寸參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭工程，2011， 43（12）： 82-84.

[4] 李英明，馬念杰。康家灘煤礦回采巷道煤幫支護(hù)參數(shù)研究[J].煤炭工程，2009， 41（9）： 44-46

作者單位：桐梓縣工業(yè)和能源局