礦柱回采技術研究在貓場礦區開展工業試驗后的再探索

陳世明，劉建龍

(中國鋁業貴州分公司， 貴州 貴陽 550014)

當前，淺部鋁土礦資源逐漸枯竭，鋁土礦已由露天開采逐漸轉入地下開采。因礦體賦存特征和其經濟價值，鋁土礦多采用空場法進行開采，采場內需留設大量礦柱用于支撐頂板，造成了資源浪費與損失。所以，對原始礦柱的開采需考慮礦山的生產經濟效益，更需要考慮開采的安全問題。常見的空場法采區礦柱回采主要有抽柱法、削柱法、置換法，其中，人工礦柱置換法因其成本低、安全性好而被廣泛應用。

1 礦山概況及開采技術條件

貓場礦區隸屬于中國鋁業貴州分公司，位于貴陽清鎮市犁倭鎮境內，是貴州華錦鋁業公司最重要的鋁土礦礦石原料供應基地。礦區為特大型沉積型鋁土礦床，含礦巖系為下石炭統大塘組（C1d）；厚度受其下伏地層古喀斯特侵蝕程度制約，凹處厚度大，凸處厚度小，約為0.30m～25.09m，由黏土巖、硫鐵礦、鋁土礦及鋁土巖等組成，具有工業價值的鋁土礦礦體產于含鋁巖系中。

礦床間接頂底板由碳酸鹽巖組成，直接頂底板由黏土巖類組成，厚為0.27m～25.09m，平均為9.81m，其中直接頂板厚為0～15.62m，平均為1.77m；直接底板厚為0～112.97m，平均為3.22m；礦體直接頂底板RQD平均為12.50%，屬軟質巖石塊狀結構不穩定巖體。

礦床間接頂板擺佐組(C1b)大部分為堅硬巖石，屬塊狀結構的穩定巖體。礦床間接底板婁山關群（?2-3ls）巖溶發育相對較弱，裂隙多呈閉合性，巖體較完整，除主要斷裂帶及其影響帶之外，為堅硬巖石塊狀結構穩定巖體。

對于鋁土礦層，土狀鋁土礦屬軟質巖石塊狀結構不穩定巖體，致密狀鋁土礦屬硬質巖石、塊狀結構的穩定巖體，總體屬硬質巖石與軟質巖石互層的層狀結構不穩定巖體。

礦區自2016年6月投產以來，主要采用留礦壁護頂房柱法開采，采場內留設大量礦柱用于支撐頂板，造成資源損失，因此需開展礦柱回采技術研究。現場開展的混凝土礦柱置換礦石礦柱工業試驗要達到以下要求：①合理安排礦柱位置，選擇合理的人工礦柱位置及參數設計；②設計人工混凝土礦柱結構，選用合理的參數和施工工藝，確保回采時的穩定與安全；③發現人工點柱缺陷與問題，提出相應解決辦法及今后的研究方向。

2 礦柱回采現場工業試驗

2.1 試驗采場概況

試驗采場位于南部1160m中段南西巷與1180m中段之間，礦體平均厚度為3.64m，礦體平均傾角為7°，直接頂板厚度約為1.2m。

2.2 試驗采場結構參數

工業試驗采場沿走向布置，礦房走向寬度約為55m，傾向長度約為56m，礦房高度為礦體的平均厚度為3.64m，采場頂底柱水平寬度為 5m，置換礦柱選用混凝土礦柱，強度為C20，混凝土礦柱尺寸為4m×4m，混凝土礦柱邊對邊間距為6m，混凝土礦柱高度為礦體厚度約為3.0m（考慮護頂礦壁厚度0.6m），采準切割工程布置如圖1所示。

圖1 采準切割工程布置/m

2.3 混凝土人工礦柱施工工藝

混凝土人工礦柱施工工藝步驟如下：

第1步：施工混凝土人工礦柱槽。

第2步：底板處理（先清理底板上的礦巖碎石并整平，錨桿端部要打入底板穩固巖體不小于0.5m，錨桿網度為1m×1m，錨桿直徑大于Φ20mm）。

第3步：立模（混凝土人工礦柱有3面為礦體邊界，只需立一面金屬模板即可）。

第4步：澆筑混凝土人工礦柱（混凝土礦柱分兩次澆筑，每次澆筑厚度不宜超過1.5m，每澆筑30 cm～50 cm時使用振動棒震動，2次澆筑間隔時間應控制在3d～5d左右，混凝土金屬模板在3d后拆除。為增加抗剪強度，1m3混凝土添加30 kg鋼纖維）。

第5步：接頂處理（澆筑混凝土人工礦柱與礦體頂板接近時，采用噴射混凝土方法進行接頂）。

2.4 礦房回采工藝

試驗采場礦體采用沿礦體傾向由上而下后退式回采，回采工藝為常規的采礦工藝，包括鑿巖、爆破、通風、頂板處理、出礦。

2.5 技術經濟指標

現場工業試驗采場效果統計所得技術經濟指標見表1。工業試驗結果表明，礦柱回采工業試驗采場礦石回采率達到80.16%。

表1 主要技術經濟指標對比

3 施工中存在的問題及解決措施

通過開展混凝土人工礦柱置換礦石礦柱工業試驗，現場存在如下問題：

（1）現場工業試驗過程中混凝土礦柱接頂采用噴射混凝土進行接頂，接頂密實度不夠，導致回采過程中，存在個別混凝土人工礦柱未完全接頂，存在安全風險。

（2）工業試驗采場共澆筑混凝土947.08m3，每次澆筑高度不超過1.5m，每次澆筑間隔時間應控制在3d～5d，現場運輸澆筑混凝土各類材料難度大，澆筑效率低。

（3）工業試驗采場共澆筑混凝土947.08m3，單價為670 元/m3，總價為63.5 萬元，置換成本高。

（4）底板處理過程中未對底板進行整平處理，澆筑后混凝土人工礦柱位于一斜面上，削弱了混凝土人工礦柱的穩定性。

3.1 提高人工點柱穩定性的措施

貓場礦區采場底板為緩傾斜，為保證人工混凝土柱的穩定性，澆注前需對混凝土柱底板進行處理。在設計澆筑混凝土柱的位置，先對底板進行整平處理，后在底板上安裝錨桿，錨桿長1m，其中錨入底板長0.5m，外露0.5m。底板處理完成后，進行模板架立，混凝土澆筑。

混凝土礦柱澆筑到距離頂板2.5m時安裝人工礦柱頂板錨桿，頂板安裝錨桿8根，錨桿長2m，其中錨入頂板長1m，錨入混凝土礦柱內1m，按三角形布置，詳見圖2。

圖2 頂底板錨桿布置/m

另外，也可以借鑒我國木質古建筑常用的結構，設計卯榫式點柱。

（1）底座結構。針對人工點柱易傾覆問題，處理底板時，在底板上留設方形凸起，其余點柱范圍內底板做平整處理，形成卯榫結構中的隼結構，如圖3所示。利用混凝土澆筑完成后卯榫結構的咬合力，增加點柱抗傾覆性。

（2）柱體結構。在無礦體一側架立模板，內部空間澆筑混凝土形成人工混凝土柱體，采用膨脹混凝土材料補償收縮混凝土，以保證柱體密實無空隙。

（3）接頂結構。針對常規人工柱體接頂不密實的問題，處理頂板時，在頂板上預留方形凸起，其余點柱范圍內頂板做平整處理，如圖3所示。澆筑時從下至上泵送混凝土，在模板最高點處留設小型觀察窗口，澆筑補償收縮混凝土，以保證柱體接頂密實，頂端四周依靠卯榫咬合力達到抗傾覆作用。

圖3 卯榫式點柱

3.2 提高混凝土人工礦柱接頂密實度的措施

因礦體傾角較小和頂板的不平整性，為了實現充分接頂，在混凝土中添加8%～10%的膨脹材料，減小充填體中的空隙，降低充填體收縮率。采用注漿泵高壓泵入接頂層。為了防止接頂過程中的模板跑漿，可在模板內部鋪設土工布或廢舊麻袋。在接頂過程中，根據需要可在充填材料中加入速凝劑等添加劑，提高接頂層的初凝強度。接頂層澆注完成形成強度后，根據接頂情況，在頂板與混凝土人工礦柱空隙中楔入木樁，支撐頂板。

3.3 選取水壓支柱代替混凝土人工礦柱

水壓支柱作為井下采場采礦、礦柱及殘礦體回采臨時性支護設施，廣泛應用于有色金屬、貴金屬礦山系統。多根水壓支柱形成的集束水壓支柱由點支護擴展成為體支護，可達到人工混凝土柱的效果，水壓支柱結構見圖4。且集束水壓支柱相對于人工混凝土柱而言，其工藝簡單，勞動效率高，成本低。

圖4 水壓支柱

3.4 提高澆筑效率的措施

澆筑效率低，主要體現在立模和澆筑混凝土上。可探索快速拆裝式模具，使立模工藝簡單化，并通過循環利用，大幅降低立模成本。后續開展充填技術工業化推廣應用，特別是對于高品位礦石區域，改為采用充填采礦法開采，從根本上解決房柱法開采點柱和頂底柱留設導致的資源損失問題。同時，通過技術創新和自動化充填系統的研究與建設，進一步提高充填效率和質量。

3.5 開展礦區采空區點柱調查及回采技術研究

貓場礦區一直采用房柱法回采工藝，空區內留有大量點柱，為回采貓場礦區房柱法開采遺留的大量高品位點柱，達到國家規定的資源開采要求，根據貓場礦區現有點柱的特點，有針對性的對點柱資源進行回采，方案制定過程中，遵循安全、高效、回采率高、短時的原則，達到快充、快采、快出的要求，充分回采礦產資源。

4 結語

（1）以貓場礦區為試驗采場開展混凝土礦柱替代原生礦石礦柱的工業試驗，結果表明，采用人工點柱回采方法的采場礦石損失率為19.84%，與空場法采場相比降低了16.29個百分點，貧化率為2.79%，相比空場法減少了1.05個百分點。（2）針對人工點柱施工過程中出現的問題，提出頂底板、卯榫式點柱、水壓支柱以及新型組合式模板等處理措施，為類似工程提供經驗，并為今后的研究提供思路與方向。