砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法试验研究

余丙银，田 麒，彭善瑶

(湖北柳树沟矿业集团， 湖北 宜昌市 443145)

砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法试验研究

余丙银，田 麒，彭善瑶

(湖北柳树沟矿业集团， 湖北 宜昌市 443145)

黄石沟矿原采用房柱法回采，导致回采率低，且遗留大量矿柱，造成资源浪费，为此，针对该矿的开采技术条件，提出了砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法，并通过理论计算确定了砼柱的间距和尺寸。与原房柱法相比，该采矿法可在试验区多开采矿量27097 t，增加纯利润455万元，消耗尾砂约2.5万m3，具有良好的效益。

预控顶；尾砂充填；砼柱

湖北柳树沟矿业股份有限公司丁西磷矿黄石沟矿矿体平均厚度3.5 m，矿石P2O5平均品位30%。但该区域断层、节理极度发育，地表涉及民居、公路、河流等构筑物，且该区域紧邻集镇，不允许地表有较大形变。所以该区域采用房柱法采矿回采率只有60%～65%。为了提高资源利用率，提出了砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法，并进行了研究，以达到控制采空区、高效利用矿产资源的目的。

1 地质概况及开采技术条件

矿区位于黄陵背斜北部沉积盖层区，地处宜昌磷矿丁家河矿区西部，地层倾向东～北东，倾角 2°～8°，为一平缓单斜构造，褶皱不明显，断层、节理发育。

矿区出露地层有前震旦系崆岭群、震旦系上统陡山沱组(Z2d)、灯影组(Z2dn)，工业矿层Ph13位于陡山沱组。Ph13矿层直接顶板为Z2d13块状粉晶白云岩，底板为含钾页岩，矿层与顶底板均呈渐变过渡关系。

区域水文地质条件属简单类型，主要地表水流为黄柏河水系分支西冲河，地下岩溶水不发育，以裂隙水为主。工程地质类型属坚硬、半坚硬岩层，工程地质条件简单～中等。试验矿块沿走向长116 m，沿倾向平均宽约60 m，区块总面积7900 m2。

2 采矿方法

采矿方法分为砼柱预控顶和尾砂充填采矿两个阶段。砼柱预控顶阶段分两个步骤，第一步在矿房内切割砼柱柱位，柱位切割宽6 m，预留连续矿柱宽6 m，依次循环推进。第二步为砼柱施工，每一柱位条带切割完成后，由上至下依次进行砼柱施工。砼柱采用直径4 m的圆柱形结构，沿倾向(即沿柱位条带方向)中心距10 m。

第二阶段尾砂干式充填采矿分为两个步骤，第一步是在砼柱养护期完成后，对砼柱间预留的6 m矿带进行回采。第二步是在每一条矿带回采完成后，立即利用选矿厂尾砂对空场进行干式充填。两个阶段的实施顺序见图1。

3 砼柱设计

3.1 砼柱间距

根据围岩移动破坏的三带规律，存在着冒落带、裂隙导水带和弯曲下沉带。根据经验公式，冒落带的厚度H1为：

(1)

导水裂隙带的厚度H2为：

(2)

式中，m'为矿块的平均厚度。

为了减少开采矿层对地表的扰动，主要考虑用冒落带和导水裂隙带的累计厚度来确定上覆岩层的平均荷载：

P=rHS

(3)

式中，r为两带的平均体重；H为两带的平均厚度；S为空场的最大暴露面积。

依据矿柱负载辅助面积理论法，矿柱上覆岩层的平均载荷为：

图1 采矿方法实施顺序

(4)

式中，c为切割巷道的间距；a、b为设计回采时预留矿柱的宽度和长度；R为上覆岩层的平均体重；h为矿层顶板至地表的岩层平均厚度。

（4）水环境治理资金需求大。城市水环境治理一般以公益性为主，回报率不高、任务重且资金需求量大，目前主要由政府投资，企业和社会公众参与较少，投融资渠道不完善。受区域杠杆约束，资金缺口大，治理措施难以统一实施，治理效果难以保障。

用砼柱替代矿柱，砼柱的负载能力假设为上覆岩层的平均荷载，则砼柱的密度为：

(5)

根据式(5)，可计算得出砼柱的最大间距为8.33 m。

3.2 砼柱尺寸

从维护采场稳定性方面考虑，矿柱的间距应小于矿房极限跨度，而矿柱本身的横截面尺寸应能满足承载力要求，因此，矿柱尺寸可由其抗压强度确定。根据面积承载力理论，假设上覆岩层的重力按面积均匀分布，矿柱支撑其上覆岩柱的重力，该岩柱的底面积为按岩柱分摊的开采面积与矿柱自身面积之和。

则矿柱的平均应力δP为：

(6)

式中，γ为矿柱容重，N/m3；H1为覆岩高度；LP、BP为矿柱的长度与宽度；L0、B0为矿柱间隔的长度与宽度。

矿柱强度主要取决于矿柱的单轴抗压强度，且与矿柱的形状和尺寸等有关，根据前人的研究，矿柱强度可采用式(7)进行计算：

(7)

设矿柱安全系数为K，则：

(8)

按照原房柱法回采，矿柱走向间距12m、倾向间距9m，矿柱长度6m、宽度4m；按照本采矿法回采，砼柱走向间距8m、倾向间距6m，砼柱长度和宽度均为4m，分别计算矿柱的安全系数K砼柱和K矿柱，可得：K砼柱>K矿柱。

混凝土矿柱内部没有原生矿柱中普遍存在的节理等构造面，强度高，且混凝土质地较均匀，矿柱主要承力受轴向压力，根据力学性能原理，4m×4m方形砼柱与直径4m圆柱形砼柱承受轴向压力的能力差别不大，而圆柱形砼柱节省材料，支模和浇筑施工方便。

综合考虑砼柱承压力、采矿安全系数、材料成本、施工难易程度、施工进度等方面因素，确定采用直径4m的圆柱形混凝土柱。

4 经济及社会效益分析

(1) 试验区总面积7900m2，矿层平均厚度3.5m，矿石比重2.8t/m3，共设计砼柱66个。按照设计房柱法回采，实际回采矿量M1≈50323 t，实际损失矿量M损’≈27097 t。按照砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法开采，则矿块回采率趋于100%，预计可采出矿量M2≈77420 t，与原采矿方法相比较，可多采出矿量27097 t。

(2) 结合当地实际情况，砼柱造价约300元/m3，则砼柱总造价W≈87万元。按照现有磷矿市场行情，1 t矿石的纯利润约200元，则按本采矿方法回采试验区预计可创造利润542万元，扣除砼柱造价后，预计可为公司创造纯利润455万元。使用该方法采矿，预计可消耗选矿厂尾渣约2.5万m3，减少地面尾矿库征地、建设及后期治理成本。

(3) 采用充填法回采，可提高资源的利用率，延长矿山服务年限。且采空区充填接顶，可有效缓解采空区大面积冒落危害，降低采矿对地表环境的形变破坏，减少了地质灾害的发生。

5 结 语

(1) 通过砼柱预控顶分段尾砂充填采矿试验，得出直径4 m，沿走向中心距12 m，沿倾向中心距10 m的砼柱对试验区顶板的支撑作用优于原生矿柱，能够确保第二阶段采矿和空区尾砂干式充填的安全作业，加大了采矿作业的安全系数。

(2) 采用砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法，第一阶段砼柱施工和第二阶段空区尾砂干式充填，可提高试验区资源利用率30%～35%，且有效处理了采空区，增加了企业经济效益。

(3) 砼柱预控顶分段尾砂充填采矿法，可根据不同矿山的实际情况，对砼柱间距和尺寸进行适当调整，具有很好的推广应用前景。

[1]田旭恒,陈发吉,龙秀才.砼柱护顶空场采矿法在开采缓倾斜矿体中的应用[J].采矿技术,2008，8(6)：11-12.

[2]杨秀明.用砼柱置换原生矿柱的研究[J].采矿技术,2011，11(4)：25-27，50.

[3]马玉山,王建国，等.预控顶分段空场尾砂充填采矿法实验研究[J].黄金,1999，20(10)：13-17.

[4]Brady B.H.G.Brown E.T. 地下采矿岩石力学[M].佘诗刚,朱万成,赵 文,等译.北京：科学出版社.(收稿日期：2016-10-30)

余丙银(1986-)，男，湖北宜昌人，注册安全工程师，采矿助理工程师，主要从事生产技术管理，Email：371804159@qq.com。