大跨度鋼筋混凝土梁板結構在采場底部結構中的應用

曾平國 ,曾先貴

(1.浙江省遂昌金礦有限公司，　浙江 遂昌縣　323304；2.長沙市地質災害監測評價中心，　湖南 長沙　410016)

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大跨度鋼筋混凝土梁板結構在采場底部結構中的應用

曾平國1,曾先貴2

(1.浙江省遂昌金礦有限公司，浙江 遂昌縣323304；2.長沙市地質災害監測評價中心，湖南 長沙410016)

摘要：遂昌金礦隨著開采年限的增加，資源日益枯竭，為了節約和綜合利用礦產資源，在原大礦體底部結構中，采用鋼筋混凝土梁板結構人工假底替換礦石礦柱，介紹了人工假底設計及其施工方法，根據力學計算，人工假底采用5根2 m×3 m的梁與1.5 m厚的板組合結構，現場實踐表明，采用該人工假底后，不僅保證了采安全區的安全性，而且有效回收了礦產資源增加了企業效益。該人工假底可為類似開采人工礦柱構筑提供實踐經驗。

關鍵詞：人工假底；鋼筋混凝土；梁板結構；底部結構

1工程概況

遂昌金礦產于前泥盆紀變質巖的北東東構造蝕變帶中，為中溫熱液貧硫化物淺層建造含金銀交代脈石英巖型礦床。礦石類型為富含金銀貧硫化石英脈，平均品位：Au：11.5 g/t；Ag：190.27 g/t，礦體傾角一般為45°～60°，厚度為0.33～18 m不等，屬薄～中厚傾斜礦體。礦體及圍巖多處受到成礦后斷層錯動及巖脈穿插，局部節理裂隙發育，部分礦體上盤圍巖存在平行于礦體的大小裂隙和光面，穩固性較差。礦石為脈石英巖，f=16～18，圍巖以黑云母斜長片麻巖為主，f=16～18。

礦山為地下開采，采用平硐—盲豎井開拓系統，階段高度40 m，采礦方法為留礦全面法，礦塊沿走向布置，其長度一般為25～50 m，底柱高度為5～6 m，頂柱高為3～4 m，礦房兩側間柱寬度各為3～4 m,。底部結構主要為普通漏斗和電耙塹溝2種形式。針對品位較高的礦塊，頂底柱及間柱先于礦房回采，然后構筑人工礦柱。至今已累計澆灌混凝土近3萬m3，多回收礦石7萬多噸。以往構筑的各類人工礦柱，其跨度一般均小于8 m，該采場人工礦柱平均厚度約10 m，為礦山首個大跨度人工礦柱。

26512礦塊為V-1礦體西端頂部礦塊，位于L3線東側，東以霏細巖為界，西以一組斷層為界。在+260 m中段礦塊走向長度約為50 m，礦體水平厚度為2～14 m，礦房內有1～2條的夾石，礦體延伸至+280 m付中段兩條礦體合并。礦塊在+280 m付中段走向長度約45 m，礦體水平厚度為1.4～4.5 m，礦塊走向上呈現中間厚兩端薄，礦體總體產狀為200°∠50°，產狀較為穩定。礦塊平均品位為：Au：14.69 g/t；Ag：171.13 g/t。

2人工假底設計

根據該礦塊的地質形態及周邊礦房位置關系，并結合礦柱資源的綜合回收，設計在+260 m中段底部構筑人工假底。因礦體在該中段厚度大，且礦體頂底板圍巖片狀節理較發育，若采用礦山慣用的鋼筋混凝土板進行設計，則滿足不了采下礦石的承壓荷載及構件自身的穩定性，故選用倒“T”形梁板組合結構進行設計。

礦房走向長度50 m，段高40 m，松散礦巖堆積高度H=35，礦體傾角α=50°，礦巖容重γ為26.75 kN/m3，內摩擦角￠=38°，松散礦巖與采場巖壁的摩擦系數tgθ=0.78，采場計算真厚度H0=7.5 m，采場上盤不穩固巖層平均厚度B=4 m，選用200#混凝土及Ⅰ、Ⅱ級鋼筋，Ra=107.8 MPa，Rw=137.2 MPa,安全系數n取2，混凝土自重q=23.52 kN/m3。

2.1梁的計算

梁按照點柱結構進行計算，點柱一般位于采場中間，起減小采場跨度和支撐地壓的作用，其所受外力主要來自上盤圍巖的松散地壓和變形地壓。設計時即以此作為結構強度計算依據。

2.1.1荷載計算

設計點柱垂直頂底板布置，其所受壓力為上盤不穩固巖塊的重力在垂直點柱軸心方向的分力。按照面積承載假設理論，該地壓值可用式(1)計算：

(1)

式中:Q——地壓值，N；

S——點柱承擔的頂板面積，m2；

γ——上盤圍巖容重，N/m3；

B——不穩固巖塊平均厚度,m；

α——礦體傾角。

即：Q=SγBcosα=687.78 MN。

2.1.2強度計算

梁的強度同樣按照點柱計算其強度，梁設計為鋼筋混凝土結構，為保證其自身的穩定，根據經驗公式Sp/Sc=(D/H0)1/2，可推出梁設計強度計算公式(見式(2)):

(2)

式中:Sp——梁設計強度， N/m2;

Sc——混凝土立方試塊強度， N/m2;

D——矩形斷面點柱最短邊長(或圓形斷面點柱直徑)，m;

H0——點柱高度，m;

D/H0——點柱寬高比，據經驗確定。

即：Sp=(D/H0)1/2·Sc=48.21 MPa

2.1.3確定梁斷面積

根據點柱平均應力小于等于其許用應力條件，可得下式(3)：

(3)

式中：Ap——點柱斷面積，m2；

n——安全系數。

即：Ap≥n·Q/Sp=28.53 m2

據此確定梁為5根斷面積為2×3 m2的矩形梁，合計斷面積為5×6=30 m2，此時寬高比為0.2，Sp為48.21 MPa，安全系數為2.1。

參照軸心受壓構件的適筋梁配筋要求，配置縱向受力鋼筋為每根梁20×Φ28,沿截面等距均勻布置，配筋率為0.21%。

2.2板的計算

人工假底其主要作用是隔離上下中段采場中的松散礦巖。因此，假底的荷載計算應以其上部堆積的松散礦巖靜壓力為設計依據。

從應力傳遞概念出發，按照太沙基散體地壓理論，當礦體傾角不大時，松散礦巖與上盤圍巖接觸不緊密，摩擦力可忽略不計。假定松散礦巖的全高重力除克服與底板接觸面的摩擦力外全部加載在假底上，此時，假底所受平均壓力可用式(4)計算。

P=γH(sinα-cosαtgθ)

(4)

從式(4)可知，P的大小在α、γ、θ一定的條件下只與H有關，而與厚度無關，但實際上礦體厚度越小，P值越小；而當H超過一定值后對P值得大小影響甚微。由此可見式(4)適用于礦體厚度較大而松散礦巖堆積高度不太大的情況。

取1 m寬板為計算單元，板厚為1.5 m進行計算，根據公式(4)可知:平均壓力P= 26375×103×35×(sin50°-cos50°×0.78)=2.48 MPa；構件自垂均布荷載q=23.52×103×1.5×sin50°=0.27 MPa；最大彎矩Mmax=1/8(P+q) ·H02=1/8(2.48+0.27) ×7.52×105=19.34 MN/m；據此計算配筋截面為60.29 cm2，取10×Φ28，分上下兩層等距布置。

綜合以上計算結果，該人工假底設計采用5根2 m×3 m規格(寬×高)的梁與1.5 m厚的板進行組合(見圖1)。

圖1梁板組合結構(單位 mm)

3施工方法

(1) 場地開挖與平整。首先，根據采場地質平面資料，提前對該人工假底標高位置礦體進行切采，并依據梁板設計標高及施工作業空間控制上采高度，上采至預定標高后放出部分松散礦巖，大部分松散礦巖用作假底澆筑墊層，結合采場上下盤實際傾角進行場地平整(原則上梁板截面應垂直上下盤圍巖，若假底跨度大，可適當降低其坡度)。

(2) 插筋眼孔施工及圍巖加固。場地平整后，依據鋼筋結構布置沿采場走向及傾向進行眼孔標定，眼孔位置及眼深必須按設計施工，防止構件布置發生改變而影響其力學性能。若在眼孔施工時發生圍巖開裂，則采用樹脂錨桿進行圍巖加固，確保插筋處在穩固巖層內。

(3) 構件架設。構件架設前，需先在松散墊層上鋪設一層油布，以防止澆搗時滲漿。依據構件布置圖進行構件架設及支模，并按指定位置預留卸礦口，并敷設好工作面至上部攪拌混凝土所在位置的自流管道及人行通道。

(4) 混凝土澆搗。待以上所有工作都準備后，則按相應《混凝土結構工程施工質量驗收規范》進行混凝土施工，由于采場施工條件受限，施工周期長，故每班澆搗作業前需進行混凝土施工縫的處理。

4效果淺析

自2008年該假底完工養護期滿后繼續回采采場上部礦體，共采出礦量17450 t，因企業供配礦生產計劃的原因，假底上部松散礦存窿期約6年，在此期間，人工假底自身結構未出現任何變化，且假底以上采空區頂底板未出現冒落，對采空區頂底板的維護管理發揮了積極的作用。從資源的回收效果分析，若采用預留礦石礦柱，則將損失近4500 t礦石資源，采用人工假底置換后，多回收礦產金屬量Au：51.7 kg、Ag：856.2 kg，剔除人工假底構筑成本，增加企業經濟效益約1293萬元。

5結論

遂昌金礦隨著開采年限的增加，企業資源日益枯竭，保有資源儲量與礦山現有的生產能力相比，資源緊張狀況相當嚴峻，2005年被國土資源部列為資源危機礦山。歷年來，企業高度重視礦產資源節約與綜合利用，想方設法提高資源回收率，采取低品位邊角礦塊與高品位礦體相結合開采、應用(鋼筋)混凝土替換各類礦石礦柱等方式。僅2009～2011年期間，開采回收率均達到99%以上，用于提高“三率”項目的總投入達3465.43萬元，增加產品金218.106 kg、銀2927.15 kg；增加企業收入6476.98萬元；經濟效益為3011.55萬元，達到了很好的經濟，社會效益。

參考文獻：

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作者簡介：曾平國，男，江西南豐人，采礦工程師,主要從事采礦工藝、采礦方法研究及礦山技術管理，Email:115967381@.com。