某礦分段空場嗣后膠結充填底柱置換方法研究

朱俊寧 趙周能 張志貴 潘 鋒 陳 勃 孫宇超

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

某礦位于甘肅省嘉峪關市西南部祁連山腹地，海拔2 640～3 310 m，相對高差500～700 m，是我國同類礦山中海拔較高、自然條件較為艱苦的礦山。該礦區除了鐵礦體以外還賦存銅礦體，位于Ⅴ號鐵礦體的下盤，且超前于鐵礦開采，因此，銅礦開采會對上部鐵礦帶來一定影響。為保證鐵礦順利開采，采用分段空場嗣后膠結充填法。由于開采過程中礦塊預留6 m高頂柱，有較高的回收價值，因此為回收該部分礦石，在上中段構筑人工底部結構，并澆筑鋼筋混凝土人工假底。礦山采用1∶4尾砂膠結充填，充填體的抗拉強度遠小于鋼筋混凝土，且整體性受灰砂比影響較大，粘結力較低，其下工作人員安全勢必受到威脅，因此鋪設0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底作為下中段的人工假頂。由于前人對置換底柱的研究不多，因此有必要對置換底柱作較詳細的探究。

1 開采現狀

該礦在長1 100 m(2～12線)、寬250 m的范圍內有大小礦體共9個，其中CuⅠ、CuⅡ礦體提交的資源儲量占總資源儲量(金屬量)的99.55%，其他礦體規模小、地質勘查程度低，銅礦開采對象主要為CuⅠ、CuⅡ礦體。CuI礦體賦存于2～12線的含鐵碧玉巖及鐵礦體中，FeI礦體為主要直接頂板圍巖；CuⅡ礦體賦存于4～9a線間的蝕變千枚巖中，地表在5a～9a線間零星出露，斷續長400 m，深部分布在4～9a線間，長度大于550 m，呈半隱伏—隱伏賦存狀態。

該礦設計生產規模為30萬t/a，投產后實際生產能力為20萬t/a，服務年限共20 a。銅礦中段高度為60 m，礦體傾角為60°～85°，礦體厚度最高達43 m。前期開采中段為2 880～2 640 m，目前2 880 m中段回采已結束并正在充填，下一步將回采礦柱； 2 760 m中段為主要采礦水平，2 700 m和2 640 m 2個中段正準備進行開拓采準工作。

2 底柱置換方法

2.1 采礦方法

礦山采用分段空場嗣后膠結充填法，將中段劃分為10～13 m分段進行開采，待礦石全部采出后，再用1∶4尾砂膠結充填體進行充填。采場設計由2 700 m水平回采至2 760 m水平，礦塊沿走向布置，礦房長度30～40 m，礦房暴露面積在600 m2以內。采用塹溝式底部結構，塹溝底寬3.5 m。回采前，利用淺孔對塹溝受礦斜面以下礦石進行掏采，利用充填鉆孔進行充填形成人工礦柱。礦房底部(包括礦體內出礦進路、塹溝、人工礦柱)鋪設0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底，以確保下中段頂柱安全回采。為便于充填架模、維護人工礦柱的穩定，置換空間與塹溝之間留3～5 m安全礦柱。最上分段高度為10 m，預留頂柱6 m，剩下4 m并入下分段一起回采。待礦房回采結束后，在出礦進路中鑿扇形炮孔，回收殘留礦石。礦房回采結束后，最上一個分段布置3個充填鉆孔進行充填，如圖1所示。

圖1 分段空場嗣后膠結充填法

由于2 640 m和2 700 m中段的礦體在走向上長短不一，厚薄各異，因此，采切工程和礦塊布置形式也不同。礦體厚度小于10 m時，不留頂底柱；當礦體厚度大于12 m時，預留6 m頂柱，并在進路側預留護頂礦柱，其寬度由人工底柱和礦體厚度共同決定，置換“桃形礦柱”[1]并鋪設0.5 m厚鋼筋混凝土人工假底。礦體厚度小于17 m時，沿走向將礦體劃分為一步回采礦房和二步回采礦房(礦房長度相同)，回采過程為“隔一采一”，一步礦房回采完畢后進行膠結充填，然后進行二步回采并充填。礦體厚度為17～25 m時，沿走向逐一回采，即采完一個礦房后立即進行充填，待充填體穩固后再開采相鄰的礦房。礦體厚度為25～43 m時，沿走向劃分為上下盤礦房，先回采下盤礦房，待充填后再回采上盤礦房。

2.2 底柱置換

2.2.1 人工底柱置換空間開挖

為安全高效回收礦石，需置換底柱。先由采場底部結構中的出礦進路向前掘進至人工底柱構筑位置，再沿采場走向掘進，貫通相鄰出礦進路之間的置換空間。置換空間為圓弧形斷面，寬不超過6 m，高4 m，圓弧半徑為4 m。開挖上盤人工底柱置換空間時，由于先行構筑的下盤人工底柱強度較差，爆破時易被崩落，則需在人工底柱分次開挖分界處留1～1.5 m隔離礦柱，具體方法如圖2所示。

置換空間形成后，鋪設0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底。以置換空間巷道為鑿巖巷道，向上布置中深孔，擴挖置換空間，寬不大于6 m，高不大于12 m，具體方法如圖3所示。

2.2.2 人工底柱置換空間的形成

(1)一步開挖。一步開挖采用掘進爆破，周邊實施光面爆破。光面孔間距0.6 m，炮孔密集系數0.8，光面層厚度0.75 m，不耦合裝藥系數1.3，光面孔線裝藥密度0.1～0.12 kg/m，藥卷直徑為32 mm。掏槽眼、輔助眼和底孔等炮孔按礦山常規爆破布置。

圖2 人工底柱置換空間一步開挖

圖3 人工底柱置換空間二步開挖

(2)二步中深孔擴挖。以置換空間巷道為鑿巖巷道，向上布置中深孔，最小抵抗線1.5 m，孔底距1.3 m。礦體傾角相對較小，如礦體厚度小于10 m，傾角為60°時，底部置換空間的上部按上述爆破參數布孔，下部布置2個輔助孔。如圖4所示。

圖4 底柱置換空間中深孔布置

2.2.3 澆 筑

人工底柱置換空間形成后，鋪設鋼筋混凝土人工假底，由上分段鑿巖巷道向下打傾斜充填鉆孔，輸送充填料。為了確保接頂充分，每個采場布置3個鉆孔，直徑120 mm，如圖5所示；輸送充填料前，先沿進路距采空區1.5～2 m處架設厚0.65 m的擋墻。

3 鋼筋混凝土人工假底施工

3.1 人工假底構筑方式

人工假底的鋪設工序分為4個階段：整平、鋪設碎礦墊層及塑料薄膜、鋪設鋼筋網、架模并澆注混凝土料[2]。鋪設人工假底前，先平整底板、清理采場內的浮石，保證采場盡量平整，從而確保人工假底施工質量；將清理的碎礦平鋪底板并扒平，保證底板留有20cm的碎礦墊層，并在碎礦墊層上鋪一層塑料隔水薄膜，用于隔離人工假底和碎礦墊層，鋪設薄膜時應避開超挖部分；然后在其上鋪設鋼筋網；最后架模并澆筑混凝土料。具體施工如圖6所示。

由于現場加工鋼筋較困難，因此在地表進行鋼筋加工作業，根據計算所需鋼筋用量，在現場實地測量截取相應的長度；按照規范，將鋼筋兩端加工成彎鉤狀，鋼筋的彎起點應距端頭250 mm；再將長寬厚為150 mm×150 mm×5 mm的薄鐵片焊接在豎筋兩端。待以上鋼筋加工完畢后，運至施工現場進行綁扎焊接。

圖5 人工底柱充填鉆孔和擋墻布置

圖6 鋼筋混凝土人工假底

3.2 人工假底施工

礦體上盤處超挖固定鋼筋的空間(約500 mm×500 mm)，將縱筋一端搭接于其中，并在上盤打錨桿連接縱筋；另一端搭接于礦體下盤并延伸出邊界1.5 m；選用砂漿錨桿或漲殼式預應力中空注漿，錨桿直徑φ25 mm，長1 500 mm，間距2.0 m，鉆孔直徑50 mm，孔深1 m。橫筋和縱筋分別按計算間距排開，彎鉤朝下，兩筋交匯處用鐵絲捆綁(必要時用焊接)，即形成一張鋼筋網。為提高鋼筋網的整體性，可在鋼筋網上鋪一層金屬網，并使用鐵絲綁扎牢固。綁扎的同時，將接頭整平，便于澆筑混凝土。然后將豎筋一端插于底板的碎礦墊層，將其與鋼筋網綁扎成整體。將豎筋垂直于鋼筋網按2 m×2 m的間距布置，豎筋長度為人工假底厚度[3]。鋼筋鋪設方式如圖7所示。

在地表將混凝土干料攪拌好，1 m3混凝土配比為水泥∶砂∶石子=218.75 kg∶580.85 kg∶1 198.77 kg。使用JC3-D液壓混凝土攪拌運輸罐車運輸至施工現場澆筑。澆筑時將上邊界的超挖空間填滿，并保證槽內的鋼筋全部被混凝土包裹，灑水養護7～21 d。

圖7 鋼筋鋪設

3.3 人工假底布筋計算

針對15#礦塊進行配筋計算。15#礦塊位于2 700 m中段3勘探線和4勘探線之間，礦塊長39 m，厚16～19 m，礦塊高12 m。采場(進路)跨度L為5 m，采場跨度之半l為2.5 m；1∶4尾砂膠結充填體的內摩擦角α為31.8°，其容重γ1為19.62 kN/m3。

3.3.1 載荷計算

根據塌落拱原理，進路開挖后，人工假頂上覆充填體會出現近似等邊三角形載荷，如圖7所示。

圖8 等邊三角形載荷

首先計算塌落拱高度[4]：

(1)

沿長軸方向取單位長度1 m三角形塌落體進行載荷計算：

(2)

式中，s為三角形面積，m2，s=(1/2)HL=(1/2)×4.03×5=10.08 m2;b為長軸方向的單位長度，取1 m。

將已知數據代入(2)式，可得人工假頂上覆充填體重為：

則鋼筋混凝土人工假底所受總載荷為

q=q1+γ1h=39.55+24.53h=51.82 kN/m2,

式中，h為人工假底厚度，取0.5 m；γ2為C20混凝土容重，γ2=24.53 kN/m3。

因此，人工假底所受載荷取51.82 kN/m2。

3.3.2 配筋計算

根據礦山實際情況，鋼筋采用材質為HPB300的熱軋鋼筋，選用C20混凝土，其彈性模量25 500 MPa，泊松比μ為0.2；一步回采時，人工假底支座為兩幫千枚巖或銅礦石，其彈性模量Ej1=10 000～ 80 000 MPa；二步回采時，進路支座為1∶4的充填體或圍巖(千枚巖)，其彈性模量Ej1=613 MPa或 100 00～80 000 MPa。由文獻[5]可知，支座的彈性模量與人工假底的彈性模量之比Ej/El和人工假底彎矩M成反比，即當Ej/El取最小值時，彎矩M最大。因此為安全考慮，按最大彎矩考慮，以充填體支座為計算基礎，即Ej/El=0.024，則由可知人工假底的最大彎矩：

51.82×2.5=137.79 kN·m

其中，

考慮1.4倍的安全系數，則Mmax=194.31 kN·m。

根據鋼筋混凝土施工標準[6]，鋼筋混凝土人工假底截面的有效高度為

h0=h-as=500-20=480 mm,

式中，as為鋼筋混凝土保護層的安全高度，即受拉鋼筋重心至受拉混凝土邊緣的垂直距離。當混凝土等級大于C20時，as至少取20 mm。

鋼筋混凝土人工假底截面抵抗矩系數為

式中，fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，取9.6 MPa；α為等效矩形圖形系數，α=1.0；b為取單位寬度的人工假底進行計算，b=1.0 m。

根據αs值，對照鋼筋混凝土矩形截面受彎構件強度計算表，查得鋼筋的內力臂系數γs為0.95。則鋼筋混凝土人工假底縱向鋼筋截面面積為

0.001 595 m2=1 595 mm2,

式中，fy為鋼筋抗拉強度設計值，HPB300鋼筋的抗拉強度設計值為270 MPa。

3.3.3 檢 驗

(1)最小配筋率驗算。

As,min=ρminbh,

(3)

式中，ρmin為最小配筋率；As,min為鋼筋最小截面面積，mm2。

實際最小配筋率為

(4)

式中，ft為混凝土的抗拉強度，C20混凝土抗拉強度為1.1 MPa。

將已知數據帶入式(4)，得

ρmin=0.18%<0.2%.

鋼筋混凝土規范要求鋼筋混凝土最小配筋率不能低于0.2%，因此，最小配筋率取0.2%。將已知數據代入(3)式得：

As,min=1 000 mm2

滿足要求。

(2)最大彎矩檢驗。

(5)

式中,Mu為鋼筋混凝土人工假底的彎矩承載力。

考慮修正指數

則截面抵抗矩系數為

將已知數據代入(5)式，得

Mu=212.33 kN·m>Mmax=194.31 kN·m，

滿足要求。

根據配筋計算結果，鋼筋混凝土人工假底的配筋圖如圖9所示。

圖9 鋼筋網結構

4 結 論

(1)礦山在回采底柱時置換“桃形礦柱”并鋪設0.5 m厚的鋼筋混凝土人工假底方法是可行的。

(2)人工假底配筋橫筋總截面面積為301.6 mm2，φ8 mm，間距160 mm；縱筋總截面面積為 1 781.3 mm2，直徑為18 mm，間距為140 mm，滿足最小配筋率和最大彎矩。

(3)開挖上盤人工底柱置換空間時，為避免先構筑的人工底柱發生破壞，保證作業人員安全，需在人工底柱分次開挖分界處留1～1.5 m隔離礦柱；為便于充填架模、維護人工礦柱的穩定，置換空間與塹溝之間留3～5 m安全礦柱。

(4)由于地下空間有限，建議鋼筋先在地表截斷再運至現場進行綁扎；鋼筋混凝土澆筑后灑水養護7～21 d，再充填置換空間。

[1] 田顯高,高勝洲.桃花嘴金銅礦礦柱回采方法研究與實踐[J].黃金,2007(4):23-29.

Tian Xiangao,Gao Shengzhou.Research and practice on ore pillar stoping technique in Taohuazui Gold-copper Mine[J].Gold,2007(4):23-29.

[2] 石明超,周 洋,等.近海破碎金礦體開采人工假底設計與施工[J].現代礦業,2015,31(4):203-204.

Shi Mingchao,Zhou Yang,et al.Design and construction of artificial floor in the offshore mining for broken gold ore[J].Modern Mining,2015,31(4):203-204.

[3] 林國洪.尾砂膠結充填新工藝在武山銅礦的研究與應用[J].銅業工程,2008(3):7-9.

Lin Guohong,A study on cemented tailing backfill new process under large section mining condition and its application in Wushan Copper Mine[J].Copper Engineering,2008(3):7-9.

[4] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2013.

Cai Meifeng,He Manchao,Liu Dongyan.Rock Mechanics and Engineering[M].Beijing:Science Press,2013.

[5] 江文武,徐國元,中國生.下向分層進路式膠結充填體頂板穩定性分析[J].江西有色金屬,2007(4):12-15.

Jiang Wenwu,Xu Guoyuan,Zhong Guosheng.Analysis on stability of cemented fills ceiling of underhand delami-nation heading[J].Jiangxi Nonferrous Metals,2007,(4):12-15..

[6] 翁光遠,唐 嫻,張省俠.鋼筋混凝土結構與砌體結構[M].北京：清華大學出版社,2008.

Weng Guangyuan,Tang Xian,Zhang Shengxia.Reinforced Concrete Structure and Masonry Structure[M].Beijing:Tsinghua University Press,2008.

[7] 胡允棒.鋼筋混凝土結構設計用表[M].北京：中國建筑工業出版社,2013.

Hu Yunbang.Table for Design of Reinforced Concrete Structures[M].Beijing:China Architecture & Building Press,2013.