基于點柱充填采礦法的礦體頂底柱規模化采礦研究

劉曉光，付殿武，付秋波，孫星，蘇環，王京生

(1.山東黃金礦業股份有限公司新城金礦，山東 煙臺市 264000；2.東北大學，遼寧 沈陽 110000)

0 前言

當前，我國越來越關注在開采資源中對環境生態的保護和修復，傳統的采礦方法逐漸被摒棄，比如空場采礦法和崩落采礦法，逐步轉用充填采礦法。所以，怎樣基于充填采礦法實施超大規模回采逐漸變成了礦山公司健康穩定運行的核心[1]。對于點柱式上向水平分層充填法而言，其可以確保回采的安全性和規模性，最主要的原因就是在空區有點柱支撐頂板，該頂板長期有效，另外也能夠實施分層填充，從而讓支護體系更加科學合理，實現圍巖-點柱-充填體的結合。由于點柱和充填體共同支撐，使得回采的安全性進一步增大[2]。

張小剛等[3]出于增大礦山生產能力的目的，對三山島的海底礦床的開采方式進行創新，引入了點柱式分層充填采礦法，提高了礦產開采的安全性和可靠性；侯朝富等[4]以甕福磷礦磨坊礦段輕微傾斜中厚礦體為對象進行探究，發現在對其進行開采后通常會有很大的頂板下沉，進而引入了點柱式充填采礦法，有效地解決了上覆巖層沉降問題，也較為有效地治理了采空區，保障了生產的安全性；李全京[4]在研究李官集鐵礦首采礦段時，提出采用點柱式大面積上向分層充填采礦法，進而實現了開采成本最小化的目標。以新城金礦Ⅴ#礦體為對象，深入考慮礦體的地質條件，提出點柱式充填采礦法，從而實現了Ⅴ#礦體的開采。

1 工程地質情況

該礦體存在于斷裂構造帶當中，礦體的頂板巖石類型有絹英巖、花崗閃長質碎裂巖，通過對底板的巖石進行分析，得出其主要類型是絹英巖化似斑狀花崗閃長巖。Ⅰ#、Ⅴ#礦體是其核心，其礦體形狀有2種形式，一種是層狀，另一種是似層狀，地表礦體通常在177線—185線間分布，其出露長度高達120m，地下礦體分布范圍是143線—187線，同時往SW側伏，其角度為45°，垂直標高的最深控制標高為?765m，礦體主要存在于焦家斷裂的主裂面，受其影響和掌控。總體走向NE37°，傾角為30°，其走向最長延伸超過600m，所控制的斜深為1120m。

Ⅴ#礦體的分布范圍主要是在?430m中段下側的165～188線之間，主要存在在Ⅰ#礦體傾斜延深的側面，其走向延伸長度達到了435m，礦體形狀是層狀類型，厚度一般為10m～30m，最厚達到62.5m，本質上是厚度變化非常固定的類型，在對資源儲量進行圈定的過程中，所用到的樣品數量是472件，這些樣品的品位通常是在(1～11.8)×10?6范圍內，平均值大約是3.61×10?6，為有效成分分布均勻的礦體。

2 采礦方案

點柱充填采礦法本質上是在礦體回采時，要比較均勻地留下一些礦體來充當礦柱支撐，從而提高回采作業時頂板的安全性和穩定性。對新城金礦Ⅴ#礦體?580m中段的研究發現，其在進行頂柱回采過程中所面臨的最大困難就是怎樣保障上部人工混凝土假頂的可靠性，所設立的點礦柱要平均地放在人工假頂的正下方，從而保障人工混凝土假頂所受到的壓力相同，避免出現整體冒落和折斷現象。針對充填采礦法，因為充填體的重力因素以及接頂難度非常大等困難，尚不能直接對其頂部進行支撐。將點礦柱充填采礦法應用于實踐時，充填體需要遍布點礦柱的周圍，這就等同于給點礦柱增加了一部分圍壓，進而提高了點礦柱的強度。本文把Ⅴ#礦體?580m中段頂柱分成了4個盤區，基于174、179、184勘探線，對頂柱實施劃分，形成了4個盤區。采場方向和礦體走向保持一致，長度范圍在30m～45m，寬為5m。盤區及采場布置如圖1。

圖1 盤區布置

2.1 點柱尺寸的計算

點柱的設計以礦柱的強度和作用在點柱上的最大垂直負荷的估算為基礎。負荷的大小按面積分配理論確定，并受礦石回采率的控制，在充填體包圍下的點柱，其破壞是在充填料內部逐步形成的，不會產生突然的破壞。所以點柱的設計可按安全系數為1考慮。即Cp（點柱強度）=δp（點柱應力）時可以穩定支撐頂板。

點柱強度計算的經驗公式為：

式中，Cp為點柱的強度，MPa；0δ為30 cm×30 cm×30 cm巖體單軸抗壓強度，MPa；W為點柱寬度，m；h為點柱高度，m。

點柱負荷的計算公式為：

式中，pδ為點柱的負荷，MPa；vδ為應力垂直分量，MPa；vδ為0.036H，H為被計算礦柱的埋藏深度，m；Ap為礦柱的總面積，m2；At為總體開采面積，m2。

點柱尺寸的估算是根據對礦巖不連續界面的量測、統計分析，按梁柱理論計算頂板沿走向跨度和點柱間距，并按點柱內相交的不連續界面交割的楔形塊體重量所必須的支撐面積來估算。最終由巖石力學專家和采礦工程師根據巖石力學試驗成果，結合設計礦山特點并參考類似礦山的具體經驗共同研究確定。

由于新城金礦Ⅴ#礦體?580m中段頂柱上面的人工假頂穩定性不能確定，因而設計的點柱尺寸較小，為3m×3m，根據上面的公式可以計算得到點柱中心距為7.5m，每個點柱承受57m2頂板所承受的垂直應力。計算得到的點礦柱占礦石總量的16%。

2.2 采礦方法

采場的確定依據礦體走向，在采場中平均留出一部分礦柱支撐頂板，從而確保頂板的穩定性和牢固性。針對任何一個盤區，在其內部必須從上盤沿礦體走勢開設切割巷，充當回采作業空間，回采模式為從上而下。頂柱的高度為6m，所以在開展回采過程中，所采用的方式為兩層階梯。該種采礦方式可以提供非常強勁的垂直壓力，以此來支撐頂板，但采礦的工藝非常繁瑣，而且不可以經受水平力，所以在充填過程中要設立隔離擋板。采礦方法見圖2。

回采順序如下：

（1）采場布置和礦體走向相垂直，其開采方向為自上而下，回采時需要在每間隔4.5m處開設一條3m×3m的礦柱；

（2）其開采方向為從南到北，所產生的污風從北回風中流出；

（3）所有的盤區都采用后退式回采，其終點是盤區運輸巷；

（4）在進行回采過程中，其回采模式運用階梯型，任何一個臺階的高度是3m。

2.3 采準工程布置

從?530m中段運輸大巷沿174、176、181、184勘探線向下傾斜挖掘出4條采場聯絡巷，進而實現通聯。所開設的巷道斷面為3.2m×3.1m的1/3三心拱型，所構建的聯絡巷的坡度范圍控制在不高于12%。對于上盤來說，需要掘進一條切割巷道，進而充當第一次回采的工作面。采場沿礦體走向布置，寬為4.5m。

圖2 采礦方法

2.4 回采工藝

（1）鑿巖爆破。在對巖石進行鑿破時，利用YT28氣腿式鑿巖機打出2.4m深炮孔，每隔2m設置崩礦步距。落礦眼設置成梅花形，排間距設置成0.6m～0.7m。孔間距設置成0.7m～0.9m，其頂板控爆眼排之間的距離小于0.5m，孔間距小于0.7m。所利用的炸藥類型為2#巖石乳化炸藥，利用非電導爆雷管進行微差爆破。不管是落礦眼還是控爆眼，都采用間隔填裝炸藥。

（2）掘進通風。在工作面上利用離心式風機進行強制通風，通風方法為JK58-1№4（5.5 kw）局扇和Φ300mm阻燃導風筒構建的壓入式通風系統，設置高度比底板高0.8m。

（3）采場通風。進入的新鮮風需要由分段巷流入脈內運輸巷，經過采場沖刷界面后，污風借助于所構建的臨時回風巷流入北風井，從而排出地面。

（4）出礦。出礦時借助于鏟運機在采場內部運輸礦石，再用汽車運送到溜礦井。

3 經濟技術指標

采用點柱式充填采礦法所留間柱的礦石損失率大約為19.2%，損失貧化率較低；同時點礦柱均勻地分布在采場的各個位置，可以均勻地支撐頂板，而且點柱在充填體的包圍下不易破壞，采用從上盤到下盤的回采順序可同時開采2個采場，經濟效果顯著。

4 結論

本文根據新城金礦礦體條件和地應條件，綜合考慮經濟技術因素及安全性，發現采用點柱式充填采礦法留不連續礦柱要比留連續礦柱的損失率低。在安全性方面，點礦柱均勻地分布在采場的各個位置，可以均勻地支撐頂板，而且點柱在充填體的包圍下不易破壞。因此，點柱式充填采礦法完全適合新城金礦Ⅴ#礦體頂底柱的規模化開采。