锡矿山“人工壁柱”的设计与实践.pdf

锡矿山“ 人工壁柱” 的设计与实践 锡 矿山矿务 局张治华 _ _ ● ● _。 一 垆 把 ’ 广 柱 宽度选择的莒因素 爰最佳宽度的确定．在直局此法2 0 杂年曲实践中荦 ，这种方法的回采章比 韶 黧行 胬 关 键 诃 胶 结 充 填 人 工 壁 柱 锡 矿 山 嵌 计 瓮 ；} 々 ‘I ’_ 一 ，～ ， I ， ’。 、 ’ 1 引 言 锡矿 山南 矿 由于过去长期 采用房柱 法开 采，一方面 损失了大量 的宝 贵资源， 另一方 面 留下 了大量 空 未处理 。 因此 于1 g 6 5 年～ 1 9 7 1 年先后 发生了 3次犬面积 地压活动 ，其 活动的显著特点是房柱采场中矿柱的倒塌引 起多个采场或盘区，以至几个 中段采空区顶 板的急剧 冒落，并明显波及地表。严重威胁 矿区人民生命财产的安全和矿山生产的持续 发展 。 为了寻求高回采率和控制地 压 的 新 途 使其切实达到控制相应级别储量的要求，以 配台基建开拓工程与采准、切 割 工 程 的施 工，准备足够的3 2 级矿量，为矿山能顺利 建成投产 并按时达产创造条件。 鉴 于基建 勘探是矿 山开发过程 中进 行的 第一 次勘探工作，台理 的 勘探 手段 和勘探 网 度以及矿床开采对矿体控制程度的要求等都 有待 于在 实践 中加深 认识 ，并 根据 实际变化 情况及时予以调整，因而在基建 勘探设计时 要有 针对 性地安排 必要 的验 证对 比工作 ， 以 使勘探手段的选择和勘探网度的确定更切台 矿 床的实际变化特 征 关于基建勘探资金的来源，按国家现行 规 定，属整个矿 山基建投 资的一部分 ，来 自 银行 或其他形式的借贷 。而生产 勘探所 消耗 的费用则分摊 到矿 石成本 中。 5 基建勘探工作的验收 基建勘探属矿山基建工作的一个组成部 分，它直接影响到矿山能否按期保质保量地 完成基建任 务，确保矿 山在建 成投 产后的正 常持续生产。因而在整个基建勘探过程中， 要密切配台矿 山基建工作，按照有关规定和 要求认真完成各项地质工作，认真总结有关 矿床地质特征和规律，及时编绘、综合整理 各种地质图表，重新进行矿体圈定和储量计 算，编写基建勘探报告 。 在矿山基建工程竣工后，应及时提交基 建勘探报告及其全套地质资料， 由矿山主管 部门组织审查验收 就基建 勘探工作而言， 验 收重点主要有 以下几方面 1 基建 勘探范围内，矿体的 产 出要 素是 否 已经详 细查 明，能 否详细 阐明矿 石质 量及 其变化规律 ，矿 体的 控制 程度是否能 够 达到采准工程与回采工程施工的要求，影响 井巷 掘进和采矿 生产 的开采技 术条件是否 已 经查 明 。 2 经重 新圈 定计算的矿量 与 肺位是 否符 合要求 。 3 各 种地质 图表是 否 齐 全 ，能否充 分反映矿体的产出特征和满足确定各种采矿 工 程与采 矿方 法的要 求 。 责任 编辑张 焕臻 锝矿山 “ 人工壁柱。的设计与亮践张治华 哆 维普资讯 囝l “ 人 工壁柱”矿房 法的矿块结构 l 一 运输平 巷 ；2 一 碾 斗 ；3 一切 巷{4 一 电耙硐 室 ；5 一采 准天 荇 6 一回风道 一运输平巷j 8 一 工壁挂砼充填体 径，南矿在1 9 6 5 年1 9 6 7 年试验设计准备工 作就绪以后，于1 9 6 8 年正式开展砼充填矿壁 郎 “ 人工壁柱”、尾砂充填矿房采矿法 又 叫人 工壁柱 房柱法 或简称胶结充 填法 试验 。 1 9 7 2 年， 冶金工业 部以 “ 锡矿 山河床 保安矿柱开采及其地压规律的研究”作为重 点科研项目，下达给锡矿山矿务局，长沙矿 山研究院、冶金部安全技术研究 所 共 同 承 担。这样 “ 人工壁柱 ”的采矿技术 试验 也就 成了专题。 2 “ 人工壁柱 的使用条件 由于浇注 “ 人工壁柱”需要建立相适应 的胶结充填系统，具有基建投资较大、所需 设备较多、必须开辟胶结材料和充填材料的 来 源地 等特 点， 同时引起采矿直接成本显 著 提高，甚至成倍增加，所 以锡矿山南，北两 矿仅在下 列条件使用 “ 人 工壁柱 ”采 矿 1 薄至厚富矿体的开采，要求尽量 提 高金属 回收 率J 2开采富矿时 ，要 求尽 可能保 护地 表建筑物， 一 2 0 一 3在河床下开采富矿， 4提前开采保安矿柱， 5胶结地压隔离带。 3 人工壁柱” 的设计 人 工壁柱房柱法与普通房柱法的根本区 别是，前者 把一个盘区分成若 干个矿 块 ，而 每一个矿块又分成矿壁和矿房，回采时，分 2 步进行第 l 步回采矿壁，用低标号砼充 填 ，即用 “ 叭 工 壁柱 ”取代原生矿柱 ，第 2 步 ， 待矿房两 边的人 工 壁柱 形 成 后 ， 再 回 采 矿房，之后进行尾砂充填。采后不留空区． 借 “ 人 工壁柱 ”和尾 砂充填体 共同作 用支 撑 顶板 覆盖岩层压力。设计矿 块 结 构 尺 寸，除 “ 人工壁柱”宽度外，其余尺寸基本 上 同房柱 法 见 图 1 因此， “ 人 工壁柱 设 计，其宽度选择计算至关重要J而影响宽度 的主要 因素 中又 以胶结 体的强度为 最关键。 3 ． 1 确定 “ 人 工壁柱”宽度 的主要 因素 “ 人工壁柱”宽度是由许多变化园索确 定的 。这 些因素归 纳起来，大概 包括地质因 素和生产因素两个方面。具体说，主要有下 青色矿山 1 9 9 5 ， 4 维普资讯 列 因素 。 3 ． 1 ． 1 覆 盖岩层 的厚度及 其稳固程度 随着开 采深度 的增大，覆盖岩层 增厚 ， 岩层 的内应力加大 。按 一般 理论推算 这种 理 论 尚未 统一， 如锡矿 山岩 石平 均松散 密 度为2 ． 6 t ／ m ，则深度每增加l m，在未 开 掘 岩 层 中 内 应 力 就 要 增 加 0 ． 2 6 k g ／c m。 1 k g ／c i n 9 ． 8 0 6 6 51 O P a ， 当深 度 为 3 1 O m，5 0 0 m时， 这种垂直 压 力 就 要 达 到 7 8 ． 1 3 0 k g ／c m 。 由此可见，随着覆盖岩层厚 度 的增大 ，矿 休开掘 以后， 由于应 力集 中， 空区附近及其矿柱上的应力将比上述数值还 要大。事实也证明这一点在地压研究工作 中，曾在距地表l O 0 - l s o m的河床7 中段和距 地 表大 约3 0 0 m的l 3 中段，对一些应力 点进行 观测和应力解除，所得数据经分析，知顶板 岩 层的破坏应力为 l O O k g ／ n l 。 左右 。显然。 设计的 “ 人工壁柱”的强度 、宽度等尺寸应 与 之相适应。 矿壁 承受 的外载 主要 来 自上覆岩层 的重 力。 因此 覆盖岩层 的稳固性决 定着 矿休 开挖 以后 顶板 岩层 的松动程度 。当胶结 壁处 于一 定 强度 时，如其上覆岩层 不稳 固，在 断层 、 节 理发育 的情况下， 因弱面较多而破 坏了岩 体 的整体性 ，随着 回采 空顶时 间的增长，松 动层厚度将增加很大J或来自相邻区段局部 地压活动的影响等都会造成作用在 “ 人工壁 柱 ”上 的压力 剧增，若在矿 房未能及 时以尾 砂充填的条件下， “ 人工壁柱”可锚出现片 帮、压裂现象 如南矿东 7 3 8 采J中l 0 9～3 9 采 ，1 l 一4 l ～2 1 等 果场 甚 至倒塌 。 在这种情况‘ F，对设计的 “ 人工壁柱”宽度 和强度要求 ，必须足 以支 撑其上覆松动岩 休 的 重量 和考 虑动载荷的影响 ，才能保 证整个 矿 块和相邻矿 块 回采 的安全 。 3 ． 1 ． 2 矿体倾角，厚度及其回采工艺 一 般说，在矿体厚度和开挖空区体积大 致相等，而倾角不同情况下，缓倾斜矿休开 采后的顶板暴露面要比急倾斜矿体开采后的 项板暴 露面大 得多，就 “ 人 工壁柱” 的外 载 力而言，前者 比后者大得多 ，因此，对胶绪 体的强度和尺寸要求也就有所不弼。 从 回采工艺上说 ，用 分层充填法 回采和 采后一次充填，空顶时间不同，前者更有利 于顶板管理 。其岩石的爆破 方 式 不 同， 对 “ 人工壁桂”的影响也有差异。相对说，中 深孔崩矿较浅眼落矿对胶结体的破坏程度要 大得多，因此第 2步回采不采用 中深孔崩矿 较好。从回采高度上看，若胶结 壁 宽 度 较 小，矿房～次回采的高度又较大 当高宽比 大于 2时则壁的暴露面太 大， 人 工 壁 柱 稳定性较差。从锡矿山多年的实践看， 高宽 比小于 2是合适的。 3 ． 1 ． 3 充填 砼强度 我们是 根据上覆岩层松 动体 的重力 和设 计选择的充填砼强度来确定 “ 人工壁柱”的 宽度。在松动体施加于 “ 人工壁柱 的重力 一 定 时，若设 计的充填砼强度 高，则 “ 人工 壁柱”的宽度可偏小，否则需偏大。下面的 计算就 是 以这一 基本 概念做为依 据的。 3 ． 1 ． 4经济 效果 如果选择的 “ 人工壁柱” 宽度 不仅在 技 术上 可行 ，而且在 经济上又能最 大限度地 获 得利润，则这一设计宽度就是最佳宽度，否 则就是不合理或不完全合理。设计时必须兼 顾 这两个 方 面。 3 ． 2 胶结充填料 与充 填 砼设 计强度 的 最 佳 配台 比选 择 胶结充填料包 括骨料 、细 集 料 和 胶 结 荆。经综合考虑，就地选用选厂的废石 灰 岩及矽化灰岩 ，破 碎至粒度 5 0 ram以 下 作 为 骨料 j用选厂浮 选尾矿经脱泥 浓缩取代河 砂，作为 细集料 d 0 ． 1 5 8 ram， 用 自 产3 5 0 4 O 0 号矿 渣硅酸 盐水 泥做胶结荆 。 研究工作者 多次试验 表明在水泥用量 和龄期养护条件相同的情况下，充填砼配合 比 水泥 尾砂 骨料 1 3 6 为佳，其单 轴抗压强度最高。因此，以这种级配，每立 镑矿山 工壁槔 的设计与实践一张抬华 一 2 l 一 维普资讯 方米加水泥2 0 0 k g ，水2 6 0 k g 时， 试体抗 压强 度为 R s 7 8 k g ／ c m。 ， 即定为 人 工 壁柱” 充填砼 设计强度 。 3 ． 3 “ 人工壁柱”设计宽度的选择计算 基本论 点假定 “ 人工壁柱”支 承压 力 等 于其上 方一定 高度 上的松动岩体 的重量 。 由此设想单条 “ 人工 壁柱 ”支承压力等 于其 上及其两侧矿房各一半的一定高度的上方岩 柱 的重量 见 图 2。 图2 单 条 “ 人 工壁柱 支承压力 示意图 计算 公式 Bk 2 a Hoy ／P 式 中B “ 人工壁柱 ”设计宽度 ， ， 2 a 矿块宽度 a 为矿壁 中心 至 矿 房中心之间的距离，取1 8 ml H 计按顶板岩层破坏应力计 算 的 覆盖岩层的厚度，根据前面所述，取顶板岩 层破坏应力为 1 0 0 k g ／c m。 ，同时考 虑到凿岩 爆破 对人工壁柱 表层 的 影 响 深 度 为0 ． 4 ～ 1 ． 0 m，计算 出H 计1 2 8 ； Y 覆盖层 的体 重，2 ． 6 t ／m。 ； P 人工壁柱设计强度， F g 7 8 k g l c m 7 8 0 t ／ m I k 安全系数， 鉴于胶结体全 塑 性 变 形状 态而 无压崩破坏 ，故取kl ， 代入上式则B7 ． 6 8 m≈8 考虑人工壁柱的稳定性和其他采矿作业 条件，当矿体厚度小于1 0 m时，采用一次 回 采和充填；太于1 0 m时，则分段回采和分 段 充填，分段高度为 8～l O m。 4 长期实践 的检验 南矿河床试验采区自1 9 7 3 年开始回采， 至1 9 8 0 年 4 月开采结束，总开采时间达 7 年 多 ，共回采 了2 4 个矿 块，3 6 万t 矿量 ， 连 续 采空 区面积近3 万m。 。 在 这样长时间 的开采 过程 中， 由于本 区的充分 开采和 邻 区 的 采 动，使岩体受到充分扰动，直至地表沉降。 因此在这种情况下，人工壁柱和尾砂充填矿 房表现的稳定性特征，显然是评价其合理参 数最有力 的依据。现综 合概 括如 下 1 在区域回采的全过程中，未产生 冒落现象 ，矿 房回采安全， 取得 了较好 的开 采成果， 总回收率达8 6 ． 8 ％。 2区域第 一步回采时 间长达4 年 多 ， 人 工壁柱 ”顶板的 空顶 时间长达 4年 ～ 6 年J第二步囿采的延续时间达 2年多，矿房 的空顶 时间 3个 月～ 1年。 由于矿壁 的空顶 时 间较长 ，因此在充填 过程 中出现顶板松动 和掉 石现象 ，个 别采场 发生局部 冒落 ；而矿 房顶板一般较好。由此可见， “ 人工壁柱” 宽度 选用 8 m， 矿房跨度采用 1 0 m是合适 的 。 3根 据 “ 人工壁柱” 内的试体测定 数据分析 ，充填砼的抗压强 度 一 般 为3 O ～ 5 0 k g ／c m ，仅为 设计强度 的3 8 ～6 4 ， 并 由于充填时的严重离析，导致骨料沿倾斜 方 向产生由多到少的变化和引起砼强度 由低 到高的差异 但 这种情况在 区域 回采期 间， “ 人工壁 柱”暴露时 间长 达1 年 ～2 ． 5 年，胶 结体 除表层出现松动、 剥落以及局部破坏外， 全部 胶结体 未出现 压垮现 象。显见实 际胶 结 体的参数是台理的，而其设计参数具有一定 余量。事实上，充填生产过程中，环节多， 影响因索多，不可能完全达到设计要求。 4 试验 和现实 表明，尾 砂充填矿房 对改变 人工壁柱 受力条 件， 大大增强其 抗压强度 是无可置疑的 。对 “ 人工壁柱”胶 结砼三轴试验表明，充填砼破坏和边界压力 的关 系可用 下式表示 一 2 2 有色矿山～l e 9 5 ． 4 维普资讯 6 k 式 中6 充填 砼破 坏所 需应力} d 充填砼单 轴抗压强 度， 即现 场 测定标号J d 加于充填砼周围的侧 限压力， 也 叫边界压 力} k 是 由下式决定 的常数} k 1 S i n ／ 1 一s i n 式中的 是充填砼的内摩 擦 角， 4 0 ～ 4 5。 ． 代 入上式 ，则k4 ． 5 ～6 显然，对矿山生产、技术部门在安排第 2步回采时，强调快采、快出、快充是十分 必要的，也是十分有意义的。 5相对地 表下沉值 和下沉速度都很 小 。1 9 7 9 年 7月第 1次 测得 的最 大下沉 值为 1 2 ram，在 相隔 1 年 左右，观 测到最大下沉值 为3 1 mm， 最 大下沉 点的 下沉速度为2 ram／ 月 ’ 1 9 8 0 年 8月观涮至今 ，观测值基本来 变，说 聪岩层 移动处 于相对 稳定状态。 以同样的 “ 人工壁柱 结构尺寸，在近 河床试 验开采 区的西部 9中段4 9 ～9 5 采 ，按 同样的 方法进行回采， 效果也是 异 常 明 显 的，此盘 匡走向长2 6 0 m，倾向长5 0 8 0 m， 共布置矿壁1 1 个，矿房1 3 个， 于1 9 7 2 年开采， 1 9 7 9 年结束 ， 连续采 空区顶板 暴露面积 约1 ． 1 万11 1 ，完全由 人工壁柱”和矿房尾砂充填 体支撑上覆松动岩体的重量。 北矿完全借鉴南矿的经验， “人 工 壁 柱”房柱法所 占比重 达6 0 ～7 0 ，回收率 在9 0 左右。并且充填砼中的粗骨料是利用 未经破碎的手选废石，采场浇注采用块石注 桨法 。 近几年来，南矿在紧接河床试验开采区 的下部1 0 、1 1 、1 3 中段河床矿柱进行回采， 由于l 0 ，】 l 中段河床矿柱第 2步回采结束后 大部 分矿 房 空区未 进行 充填，而 l 3 中段 河床 矿柱 又全 面开采，导致 局部巷道压 坏，部分 采场停采。对此，有不少人认为是 “ 人工壁 柱” 充填砼质量 太差，水泥质量 太 差 造 成 的。其实不然，在回采1 0 、1 1 中段河床矿柱 形成连续空区暴露 面 积1 ． 5 ～2 ． 0 7 ／ m 。 范 围 内，充填体仅占5 0 左右，紧接其下面河床 矿 柱大面积 开采， “ 人 工壁 柱”承受较大 载 荷，表面发生破坏、片落，但束发生倒塌， 这恰恰说明其质量是符合实际需要的，只要 加速矿房尾砂充填，提高 “ 人工壁拄”的强 度，岩层移动就会控制， 已停采的采场可能 继续回采。否则，将造成安全威胁、资源损 失 ，生 产被动 。 目前， 为适应生产 发展 的需要 ， 已应用 “ 人工壁柱”采矿技术对近地表河床和竖井 保安矿柱进行 开采。 5 结语 锡矿 山应 用胶结充填法 “ 人 工壁柱一采 矿 技术是成功 的，主要 体现在两个 方面 1 可 以人为 控制 顶板岩层破 坏性 移 动，实现安全 回采和保护地表。 2采矿回采率可达8 5 ～9 5 ，经 济效 益是 明显的，但是 ，限于其使用条 件， 如何发展 这一 技术 ，或采用更薪 的技术取代 之，有待进一步探索、试验。 此外，本文所述的胶结充填采矿法矿块 布置是垂直矿体走向，对于缓倾斜中厚和厚 大矿体均 是适用 的，但 对于南矿深部 中段 已 出现的倾斜中厚和厚太矿体而言，垂直矿体 走 向布置 矿块， 采准和回采就难 以进行。 因 此 于1 9 8 6 年 ～1 9 9 0 年，北京矿 冶研究 总院和 锡矿 山矿务局 共同承担 了国家 “ 七 五 ”重 点科技攻关项 目 “ 锡矿山粗颗粒水砂充 填采矿方法试验研究”，获得 了成功，很好 地 解凑 了这个 问题 。 参考文 献 略 责任 编辑周致勤 锡矿山 “ 人二壁柱 的设计与实践张治华 一 2 3 维普资讯