ＩＳＳＮ １６７１—２９００ ＣＮ ４３一ｌ３４７／ＴＤ 采矿技术第１１卷第４期 ２０１１年７月 Ｊｕｌｙ ２０１１ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．１ １，Ｎｏ．４ 用砼柱置换原生矿柱的研究 杨秀明 （贵州开磷集团矿肥有限责任公司， 贵州开阳县５５０３０２） 摘要：在实践的基础上，对某个地下矿山应用人工砼柱置换原生矿柱进行了分析，通过 计算，确定人工砼矿柱的尺寸，并对矿柱置换的经济效益进行了比较。结果表明，在保障 安全和经济效益前提下，用砼矿柱置换矿石矿柱，不但可充分回收矿产资源，而且可获得 良好的经济效益。 关键词：盘区房柱法；砼矿柱；原生矿柱；矿石回收率；经济效益 矿产资源具有稀缺性和不可再生性，在开发利 单，断层较少，一般以Ｊｒ，Ｊｒ，东向为主，局部呈北东、东 用上具有不可逆性。一旦开采之后，这些矿产资源 将不复存在。因此，在资源开采经济条件可以承受、 开采技术可以解决的前提下，提高资源回收率，成为 全社会共同关注的焦点。 西向。矿体倾角一般小于２０。，围岩稳固性较好，矿 体厚度为１．５～３．５ Ｉｎ。 采矿方法为锚杆护顶盘区房柱法。凿岩设备为 ７６５５气腿式凿岩机，铲装、运输设备为自行式无轨 ｌ 简 介 矿层属滨海、浅海相沉积磷块岩矿床，构造简 设备。盘区走向长为６００—８００ ｍ，矿房净跨度为ｌ０ ｍ，沿走向和倾向均匀留设４ ｍ×４ ｍ矿柱，设计损 失率为２８．７％，见图１。 Ｂ Ａ Ｌ 图１盘区房柱采矿法 ２砼柱设计 在回采空区面积扩大后，顶板压力增大，使某一 菱 蓑 蔫 是在最薄弱环节首先破坏，从而影响到相邻矿柱载 ２６ 采矿技术 荷增加，呈连锁反应，其结果导致整个矿柱破坏。 Ａ——侧压系数，Ａ＝ ／（１一 ）＝０．３８８９，／ｘ为 上覆岩层泊松比。 取ａ等效＝１５ ｍ， ＝１５４４．７ ｋＰａ ［ ］＝１５４８．４ ｋＰａ，此时，按式（１）求得矿房的极限跨度ａ＝３０ ｍ。 在设计开采区域内，要使空区处于良好的稳定 状态，从而达到保证作业安全和保护地表安全的目 的，必须满足以下两个条件：矿房跨度不超过极限 值，矿柱尺寸大于其极限强度所要求的规格；解决矿 房跨度和矿柱尺寸的合理配合问题。 ２．１极限跨度的确定 ２．１．２用函数估价法确定矿房极限跨度 函数估价法就是将生产实际选用的跨度作为岩 石性质的函数参数，来表达岩体力学性质的方法。 开采条件和类似条件的矿房极限跨度见表１。 表１ 开采条件和类似条件矿房极限跨度 ２．１．１按顶板拉应力条件计算极限跨度 一般认为，开采空间的跨度越大，矿房顶板 部位出现的拉应力越大；当拉应力达到其强度极限 时，顶板开始断裂破坏。在顶板保持稳定的前提下， 开采空间允许达到的最大跨度，即为开采空间的极 限跨度。 影响开采空间极限跨度的因素很多，主要有岩 体性质、开采深度、上覆岩层作用在顶板暴露面积上 的重力、矿体倾角、顶板暴露时间、开采空间几何尺 寸、构造等因素。采深愈大，上覆岩层作用在顶板暴 露面积上的重力愈大；顶板暴露倾角愈缓，顶板暴露 面的暴露时间愈长；岩层愈松软，极限跨度愈小。当 矿房长度大于２—３倍矿房跨度时，开采空间的上覆 岩层重力主要沿两端部的支承岩体向下传递；当矿 房长度小于２～３倍矿房跨度时，开采空问的上覆岩 层重力将沿开采空间四周的支承岩体向下传递，此 情况下的开采空间极限跨度比前者大。当顶板暴露 面积为正方形时，开采空间极限跨度最大。 本设计区域使用的房柱采矿法，其矿房长、宽尺 寸基本接近，采深大于矿房跨度的３倍以上，矿体倾 角小于３０。，且本方案大部份用于缓薄矿体的开采， 条件适宜布置人工砼柱，以置换开采留下的原生矿 柱，达到充分回收矿产资源的目的。 按矿房长、宽尺寸相等计算矿房的极限跨度。 设矿房长、宽尺寸均为ａ，采用斯列萨列夫公式 计算本方案条件下的等效跨度： 。等效＝ａ／２ （１） 将（１）式代入以下的经验公式（２）计算矿房顶 板拉应力 。调整ａ等效值并进行计算，当计算 结果等于或约等于本矿段顶板白云岩自然条件下的 许用拉应力［ ：１５４８．４ ｋＰａ（抗拉强度）时，选定 的ｇ等效的值，然后再将选定的ａ等效值代入（１）式确 定ａ值，即为矿房的极限跨度。 ＝ｙＨａ等效／（４．５＋０．８ａ等效）一ＡＴＨ （２） 式中： 开采深度，ｍ； ——上覆岩层容重，２．７ ｔ／ｍ ； 按下式转为基准条件下的矿房跨度： ｏＬ ＝０ｃ ｛ Ｈ （ｅｏｓ＃ ＋ Ａｓｉ ）／ｋｉＨｉ（ｃｏ ，＋Ａｓｉｎ／３ｊ）｝ （３） 式中： 开采深度； ——上覆岩层容重，２．７ ｔ／ｍ‘ ； 而——载荷系数，因Ｈ／Ｌ（开采空间短边尺寸） ＞２，故取 ＝０．５； ——矿体倾角； ——上覆岩层泊松比， ＝０．２８； ——矿房的极限跨度（编号矿体为调查 值）； Ａ——侧压系数，Ａ＝／ｚ／（１一 ）＝０．３８８９； ｍ——大于１的系数，苏联里夫金教授测得 ｍ＝２。 对于第１种情况（采高２ ｍ），得出： ＝１６ ｍ， 『２＝１８．０５ ｍ，Ｏ／ ＝１７．５４ ｍ，基准条件下的平均极 限跨度 ＝（１６＋１８．０５＋１７．５４）／３＝１７．２ ｍ。设 计区域矿房极限跨度Ｏｄ ＝１４．７ ｍ。 对于第２种情况（采高３．５ ｎ１），得出：ｏ／ ．＝ ｌ６．３ ｍ， ｆ２＝１８ １ＴＩ，ｌｇｌ ｄ＝１６．３ ｍ，基准条件下的平 均极限跨度ＯＬ ＝（１６．３＋１８＋１６．３）／３＝１６．８７ ｍ。 设计区域矿房极限跨度 ：１６．８７ ｍ。 按上述两种方法计算的结果，差异较大。其原 杨秀明： 用砼柱置换原生矿柱的研究 ２７ 因在于受环境因素、时间因素及岩体本身所表现的 设砼柱边长为ａ，按问排距（中心距）均为ｌ０＋ 性质不确定性、各向异性、构造等因素和各种偶然因 素的影响，运用顶板许用拉应力条件计算出的结果， 可靠性不高，难以正确反映现场的真实情况和满足 实际工程的应用需要。本设计区域和矿段内，及其 ａ呈规则布置计算。因设计区域矿体倾角小于３０。， 按下式计算： ５。≥（ＳｄｙＨｋｎ）／（Ｒ Ｋ，） （４） 式中：５ ——矿柱横断面积，Ｓ ＝ｎ ，ｍ ； ５ ——砼柱支撑的顶板面积，Ｓ ＝（１０＋ｎ） ， ９ 它矿段类似条件矿体的开采已进行多年，其运用的 相关参数均由生产实际进行了检验，具有很高的可 靠程度。函数估价法是运用理论和实践方法求出极 ｍ——； 上覆岩层平均容重，２．７ ｔ／ｍ ； 限跨度的函数式，然后由经过生产实际检验的类似 条件矿体的矿房极限跨度求算设计区域矿体矿房的 极限跨度。此方法的实质就是工程类比法，类似条 件越接近，参与类比的实例越多，结果的可靠性越 高。因此，为使结果有较高的可靠性，尽可能满足实 际工程应用需要，本方案采用函数估价法确定矿房 极限跨度。 ２．２矿房尺寸的确定 矿房长、宽尺寸的确定，应充分考虑开采空间形 状及上述计算确定的矿房极限跨度，运用岩体力学 理论和实验研究结果，提高人工矿柱支撑顶板的面 积，以提高投入产出效益，同时，必须以确保施工作 业安全和对地表保护为前提。 按上述计算结果和顶板暴露面为正方形时矿房 极限跨度最大的岩体力学理论，结合生产经验，确定 矿房形状为正方形，矿房跨度取１０ ｍ，即矿房长、宽 尺寸均为１０＋ａ ｍ（ａ为砼柱边长）。 ２．３砼柱设计 根据岩石力学理论和实验研究，正方形矿柱强 度最大，随着矿柱长度增加，矿柱强度相应减小，当 长宽比为３时，矿柱强度只有正方形矿柱强度的１／２ 至１／３。因此，本设计中人工矿柱按正方形设计。 同时，矿柱的宽、高比对矿柱强度的影响很大，比值 增大，矿柱的强度随之增大，其关系是：Ｒ ＝Ｋ Ｒ （尺 为矿柱抗压强度， ，．为矿柱材料立方体试件单 轴抗压强度， 为矿柱宽高比系数，当矿柱宽度 ＞矿柱高度 时，Ｋ Ｂ ／ｈ）。当Ｋ ＞１时，由于顶 底板围岩矿柱的横向膨胀，使矿柱实际上处于 三向应力之下，此时 值对矿柱强度的影响很明 显。据实验研究，宽高比＞４—７时，矿柱将能承受 实际上可能施加的最大荷载而不发生破坏，此时的 矿柱可以认为是具有“无限强度”的矿柱。 由于矿柱的荷载及强度与很多因素有关，情况 复杂，在工程计算中，一般均按“面积承载理论”作 为确定矿柱荷载的基本依据。 矿体平均埋深，ｍ； ——荷载系数，ｋ＝０．５； ｎ——安全系数，设计矿柱为人工砼，设计区域 地表不允许较大程度的沉陷，故取 ｎ＝２； Ｒ ——矿柱材料立方体试件单轴抗压强度，设 计人工砼柱为Ｃ２０砼，即Ｒ ：２０ ＭＰａ； ——矿柱形状系数。 第１种情况：砼柱高度，即采高为２ １１１。按砼柱 长、宽均为３ ｍ试算，因ａ＞ｈ，Ｋ， ａ／ｈ＝１．５，由（４） 试计算得ｓ。≥ｌ６．７３ ｍ ，即ａＩ＞４．１ ｍ，不合要求；按 砼柱长、宽均为３．５ ｍ试算，得５ ≥ｌ５．４６ ｍ ，即 ａ＞１３．９ ｎｆｌ，不合要求；按砼柱长、宽均为４ ｍ试算， 得：５ ≥１４．５５ ｍ ，即ａＩ＞３．８ ｒｎ，符合要求。 第２种情：砼柱高度，即采高为３．５ ｒｎ。按砼柱 长、宽均为４ ｒｎ试算，因ａ＞ｈ，Ｋｒ ａ／ｈ＝１．。１４，由 （１）式计算得：Ｓ ≥２５．５３ ｍ ，即ａ＞１５ ｍ，不合要求； 按砼柱长、宽均为４．５ ｍ试算，因ａ＞ｈ，Ｋｒ ａ／ｈ＝ １．２９，由（１）式计算得：．ｓ ≥２４．２ ｍ ，即ａ≥４．９ ｍ， 不合要求；按砼柱长、宽均为５ ｉｎ试算，因ａ＞ｈ， 一ａ／ｈ＝１．４３，由（１）式计算得：Ｓ ≥２３．３６ ｍ ，即 ａｔ＞４．８３ ｍ，合符要求。 按上述计算结果，人工砼柱的布置如图２所示。 ３效益比较 本矿区Ｃ２０砼平均造价３００ ｍ 。按一比一 置换计算，即１ ｒｎ 砼置换１ ｍ 原生矿柱，折算后为 ０．３５１ ｍ 砼／ｔ矿。以砼３００ ｍ 、矿柱回收成本 ５０元／ｔ计，矿柱置换总成本为１５５．３ ｔ，与目前超 过３００ ｔ原矿售价比较，即使加上１００ Ｙｒ．／ｔ管理 和销售费用，仍有相当的利润空间。 ４ 结束语 按照以上计算和确定的有关参数，结合现场实 （下转第５Ｏ页） ５０ 采矿技术 ２０１１，１１（４） 参考文献： ［１］高祥．应用ＭｉｎｅＳｉｇｈｔ软件优化露天矿山开采规划与设计 ［Ｊ］．矿冶，２０００，９（２）：１０—１４． ［２］李国平．德兴铜矿铜厂矿区东部境界优化的探讨［Ｊ］．铜业工 程，２００５，（３）：２８—２９． ［５］周紫辉．浅谈采矿系统软件ＭｉｎｅＳｉｓｈｔ在露天境界设计中的应 用［Ｊ］．有色冶金设计与研究，２００６，（４）：１—５． ［６］侯景儒，等．实用地质统计学［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９８． （收稿日期：２０１１—０６—１０） ［３］邱纯英，吴筱萍．ＭｉｎｅＳｉｉｇｈｔ软件在地质模型建立与储量计算 中的应用［Ｊ］．中国西部科技，２００８，３１（７）：ｌ５—１８． ［４］鲁绍佐．德兴富家坞铜钼矿特征及相关分析［Ｊ］．铜业工程， ２０ｏ９，（２）：７—９． ．．－◆－◆－．．◆－．－ ◆＿．－◆－．－＋。◆－．－◆ ◆－．－◆‘◆ ◆作者简介：王 华（１９７３一），男，江西会昌人，工程硕士，工 程师，主要从事采矿技术管理工作，Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｈｗｕａ＠１２６． ｃｏｍ ＿．－◆・◆＿．－◆－◆。● （上接第２７页） 矿房中心线 矿房中心线 卜●● Ｊ隧 Ｌ 一 厂］ 底 国 域 化 是 究 合 备 国
