露天轉地采復合型人工境界礦柱結構設計*

孫琳琳 尤春安 劉建新 孫凌志

(1.山東省土木工程防災減災重點實驗室;2.山東科技大學土木建筑學院;3.山東科技大學信息科學與工程學院)

山東黃金集團歸來莊礦業有限公司露天采場1992年8月投產，經過20 a的生產，形成了現在東西長600 m，南北寬350 m，坑深170 m的露天坑。露天坑邊坡角較陡，上盤平均坡面角在50°，下盤55°，局部坡面角65°～70°。由于種種原因，目前地下開采系統尚未形成，而露天開采范圍內資源不足，礦井面臨著接替不上的問題。

境界礦柱部分品位較高。為了保證目前的產量，充分利用資源，經過研究，提出歸來莊金礦采用不擴幫延深開采技術:在向下延深開采的同時，鋪設人工假頂和混凝土充填體復合結構人工境界礦柱，將本應該留作境界礦柱的礦石用鋼筋混凝土假頂置換出來，形成地下開采的人工頂柱，以解決礦井的產量銜接問題。

目前國內外的境界礦柱均采用天然礦體，天然境界礦柱的回收率低，損失大，通常回收率最高達到50%～60%。因此，浪費了大量的永久性資源，喪失了緩解礦山過渡期生產壓力的巨大礦量，造成了礦山的巨大經濟損失。采用鋼筋混凝土結構的人工境界礦柱尚屬首次，人工境界礦柱的結構形式、形成方法、計算理論等都是嶄新的課題，具有創新意義。

采用復合型人工境界礦柱方案具有許多優點:①提前回收境界礦柱資源，解決礦山露天轉地下開采資源和產量接替問題;②復合型人工境界礦柱采用鋼筋混凝土結構形式，整體性較好，有較高的承載能力，強度和穩定性相比天然礦柱能夠提高2～3倍，對邊坡能起到更好的支撐作用;③大大提高回采效率，減少資源品位貧化;④復合型人工境界礦柱相比天然礦柱厚度較薄，結合地下開采的充填工藝，可以降低成本;⑤復合型人工境界礦柱的防滲、防漏風性能優于天然境界礦柱。

1 復合型人工境界礦柱結構設計

1.1 復合型人工境界礦柱范圍

根據礦井開采現狀及技術條件、－30～－50 m資源賦存情況、露天采場邊坡穩定性狀態、礦井水文地質情況以及人工境界礦柱的形成過程等因素，將露天轉地下開采復合型人工境界礦柱分為A、B和C 3個區域:A區為第27.5號勘探線以東部分，C區為第29.5號勘探線以西部分，B區為第27.5號勘探線至第29.5號勘探線之間。復合型人工境界礦柱總體分布如圖1所示。

圖1 人工境界礦柱總體分布

本工程設計復合型人工境界礦柱的厚度均為12 m［1-4］。設計A區人工境界礦柱底面標高為－42 m，頂面標高為－30 m;B區人工境界礦柱底面標高為－46 m，頂面標高為－34 m;C區人工境界礦柱底面標高為－50 m，頂面標高為－38 m［5］。露天底部開挖完成平面圖如圖2所示，在圖中分別標出了A、B、C區人工境界礦柱的底面標高。

圖2 開挖完成平面圖

1.2 復合型人工境界礦柱結構

復合型人工境界礦柱由上覆的充填體和下部的人工假頂組成，人工境界礦柱穿礦脈方向應進入上盤巖體3.0 m，進入下盤巖體2.0 m，沿礦脈方向應分別進入東、西端幫邊坡坡腳6.0 m(2個進路寬度)。下部的人工假頂的厚度為3 m，上覆的充填體的厚度為9 m。人工境界礦柱的27線、28線和30線斷面如圖3～圖5所示，人工境界礦柱總體示意如圖6所示。

圖3 27線斷面

圖4 28線斷面

圖5 50線斷面

圖6 人工境界礦柱總體示意

充填體采用目前露天掛幫礦體開采的充填材料，即C15素混凝土結構。人工假頂厚度為3 m，采用C20鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土人工假頂采用單層鋼筋網，鋼筋網布置于人工假頂的底部，保護層厚度為150 mm。穿礦脈方向設置鋼筋網的結構筋，采用?20 mm HRB335螺紋鋼筋，間距為250 mm;沿礦脈方向設置鋼筋網的構造筋，采用?12 mm HPB 235光面鋼筋，間距為500 mm。

復合型人工境界礦柱結構的結構筋應錨入上盤的巖體中，其做法是在縱向結構筋的上盤端安裝全長黏結式砂漿錨桿，錨桿規格為?20 mm HRB335，L=2 000 mm，向下傾斜15°，鋪設鋼筋網時與縱向結構筋搭焊連接。

復合型人工境界礦柱結構的人工假頂與上盤巖體的界面采用植筋連接。植筋規格為 ?22 mm HRB335，L=3 000 mm，間排距為0.75 m×0.75 m，向下傾斜15°。植筋施工方法與錨桿一致，植筋外露長度為1 000 mm，與鋼筋混凝土人工假頂澆灌為一體。人工境界礦柱斷面見圖7。

圖7 人工境界礦柱斷面

1.3 復合型人工境界礦柱的形成

回采采用上向進路膠結充填法，進路尺寸為3 m×3 m，回采順序為隔二采一，由里往外依次回采，應注意上下兩層進路應交錯布置。在人工假頂范圍內采用鋼筋混凝土結構充填，其余部分采用素混凝土充填。充填時以進路為單獨的充填單元，在進路單元間的端口處設置封口模板，首先充填每層的進路單元間，最后充填這層的沿脈巷道［6］。人工境界礦柱剖面如圖8所示。

圖8 人工境界礦柱剖面

1.4 充填單元間鋼筋的連接

(1)進路單元間構造筋的連接。在進路單元間鋪設人工假頂的構造筋時，將本進路單元間的構造筋向上彎折成直角，緊貼礦體，并充填完畢。在鋪設下一進路單元間人工假頂的構造筋時，用風鎬將上一進路的構造筋剔開并整直，然后與下一進路的構造筋進行搭焊連接。

(2)沿脈巷與進路單元間結構筋的連接。在進路單元間封口模板的底部設置鋼筋預留孔。在進路單元間鋪設人工假頂的結構筋時，為便于結構筋與巷道的順利連接，將進路單元間的結構筋從鋼筋預留孔外露400 mm，并做好埋土保護措施。鋪設沿脈巷人工假頂的結構筋時，直接將其結構筋與進路單元間的預留結構筋進行搭焊連接［7］。

1.5 充填單元間的混凝土界面處理

復合型人工境界礦柱每一層的每一個進路單元間回采后，應清理浮渣浮石，并用清水沖洗，然后綁扎鋼筋支設模板，最后澆筑混凝土進行進路單元間的充填。

每層的進路單元間充填后，充填這層的沿脈巷道，在沿脈巷充填前，應對沿脈巷與進路單元間的界面進行鑿毛處理。同時，在沿脈巷與巖體的界面上應加設混凝土植筋。植筋的鋼筋為 ?22 mm HRB335螺紋鋼筋，長度為1 500 mm，埋深750 mm，向下傾斜15°，間排距為0.75 m×0.75 m。

1.6 狹窄礦體區域人工境界礦柱結構

為了形成有利的人工礦柱，對狹窄礦體區域的上盤應進行適當的擴幫處理，以形成邊坡角不大于75°的充填區域，對狹窄礦體區域充填的下盤側應挑下盤圍巖500 mm。狹窄礦體區域鋼筋混凝土人工假頂結構及充填體結構形成楔形狀。鋼筋混凝土人工假頂的配筋與前述相一致。

1.7 人工境界礦柱底部隔離層

為了避免人工假頂下部礦體開采時爆破對人工假頂結構的影響，在人工假頂結構底部應設置隔離層。底下留設100 mm左右的粉狀礦石(粒徑小于30 mm)，然后鋪設0.5 mm厚的土工膜，也可鋪設0.5 mm厚的土工布，再鋪設1層農用薄膜。人工境界礦柱底部隔離層如圖9所示。

圖9 人工境界礦柱底部隔離層

2 溝槽角礫巖坡面的臨時支護

由于礦體巖性破碎、強度低、易風化，溝槽開挖時應對工作幫進行臨時支護。為了避免人為地貧化礦石，采用金屬網進行臨時護坡處理。

金屬網采用成品鐵絲網，網格為40 mm×40 mm，10#鐵絲編制。網片寬度為3 200 mm。網片采用水平鋪設，搭接寬度100 mm，搭接位置應與分層開采的界線重合。金屬網采用管縫式錨桿及鋼筋帶固定。

管縫式錨桿是一種全長錨固，主動加固圍巖的新型錨桿，管縫式錨桿桿體部分是一根縱向開縫的高強度鋼管形，當安裝于比管徑稍小的鉆孔時，可立即在全長范圍內對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力，加上錨桿托盤托板的承托力，從而使圍巖處于三向受力狀態，以提高巖體穩定性。管縫式錨桿在爆破振動圍巖移動等情況下，后期錨固力有明顯增大，當圍巖發生顯著位移時，錨桿并不失去其支護抗力，它比漲殼式錨桿有更好的特性。

采用?43 mm，L=2 000 mm材質為16Mn鋼的管縫式錨桿，主要技術指標:初始錨固力70 kN，管環拉脫荷載10 kN，錨桿管抗拉斷能力13 kN。錨桿間排距為1 500 mm×1 500 mm，垂直于坡面布置。托盤的尺寸為120 mm×120 mm，厚度為5 mm，高度為20 mm。

鋼筋帶布置于金屬網和管縫式錨桿的托盤之間。采用2根?10 mm光面鋼筋組成。鋼筋帶沿水平鋪設。施工時先鋪設金屬網，壓上鋼筋帶，然后用?41 mm鉆頭的風鉆在坡面上鉆錨桿孔，將托盤套入錨桿桿體，再用風錘將桿體打入錨桿孔中，使托盤金屬網、鋼帶密貼［8-10］。

3 經濟效益

3.1 復合型人工境界礦柱帶來的經濟效益

留設境界礦柱，需在露天坑底，留設礦體厚度為12 m，占用礦體礦量為13.725 1萬t。參照國內外預留境界礦柱的礦山，針對境界礦柱，有的是永久損失，有的采用后期回采的方案，但回采率通常僅有50%～60%［11］。

本方案針對境界礦柱的回收率達95%以上，其經濟效益如下。

(1)多回收的礦石礦量為

(2)按照歸來莊金礦的礦石品均品位為4.32 g/t，根據黃金礦石金屬回收率為86.66%，則多回收黃金量為

(3)黃金價格2010年價格為244～302元/g，2011年黃金持續走高，全年平均價格為336元/g，礦石采選綜合成本在538.66元/t，則該部分的經濟效益為

3.2 人工境界礦柱下礦體回收經濟效益

歸來莊金礦礦石如果利用豎井提升，每天的出礦能力僅能維持在500 t/d左右，大大制約了礦山的正常生產。通過人工假頂和混凝土充填體復合結構的人工境界礦柱的應用，促使－70～－30 m塊段提前出礦，使礦山生產能力在過渡期維持1 000 t/d，保證了礦山生產的穩定。換言之，人工境界礦柱的構建使礦山每日多生產500 t礦石，330 d可多生產16.5萬t礦石，保證了礦山產能的正常接續。按歸來莊金礦的平均出礦品位為4.32 g/t，礦石金屬回收率為86.66%計算，則每年可多生產黃金為

2012年黃金持續走高，全年平均價格為370元/g，礦石采選綜合成本為538.66元/t，提高生產能力獲得的經濟效益為

3.3 綜合經濟效益

目前該項目正在穩步推進，到整個項目結束，預期可采出礦石量為865 559 t，品位4.32 g/t。黃金價格按390元/t算，預計可回采黃金3 240 403.62 g(865 559×4.32×86.66%)，可帶來產值12.64億元(3 240 403.62×390)，直接經濟效益7.98億元(12.64－865 559×538.66×10－8)。

4 結論

本研究提出了一種有效的復合型人工境界礦柱的構建與回采方法，實現在保證邊坡穩定的情況下，露天以及地下開采的同時進行，延長露天轉地下的過渡期，使露天轉地下礦山實現了安全高效開采，尤其是解決了露天與地下開拓工程、產能銜接以及境界礦柱回收等技術難題，提高了資源回收率，保持了礦山露天轉地下的高效、安全、平穩過渡。同時該方法可為黃金礦山乃至全國同類有色、黑色及稀貴金屬地下礦山，特別是在水平厚度較大的高品位復雜礦體開采提供借鑒，其經濟效益和社會效益十分顯著。

(1)提出復合型人工境界礦柱的具體結構設計參數和隔二采一的交錯的上向進路膠結充填的回采方案，可操作性強。

(2)由于礦體巖性破碎、強度低、易風化，采用金屬網進行臨時護坡處理，金屬網采用管縫式錨桿及鋼筋帶固定，效果較好。

(3)對復合型人工境界礦柱及以下礦體進行經濟效益分析，共獲得7.98億元的直接經濟效益，效益顯著。

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