清水江磷礦礦柱置換設計方法與計算

張長江

摘??要：根據清水江礦既有采礦方法基礎上，對保安礦柱進行了置換，利用充填法對保安礦柱進行置換，先回采保安礦柱，再進行充填，完成保安礦柱置換，然后再大面積進行礦體回采，并根據地質報告及現場巖石力學參數對清水江礦礦房寬度進行了計算，考慮了巖石的彎曲、剪切等一系列力學條件，對開陽縣及周邊礦區礦柱置換具有借鑒意義。

關鍵詞：清水江磷礦???礦柱置換???礦房??設計方法

中圖分類號：TP30

Design?Methods?and?Calculation?of?the?Pillar?Replacement?of?the?Qingshui?River?Phosphate?Mine

ZHANG?Changjiang

Guizhou?Starry?Sky?Design?Co.，?Ltd.，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550002?China

Abstract：?Based?on?the?existing?mining?method?in?the?Qingshui?River?mine，??its?security?pillars?are?replaced.?The?filling?method?is?used?to?replace?security?pillars.??Security?pillars?are?first?mined?and?then?are?filled?to?complete?their?replacement，?and?then?a?large?area?of?the?mine?body?is?mined.?According?to?the?geological?report?and?the?mechanical?parameters?of?on-site?rock，?the?mine?room?width?of?the?Qingshui?River?mine?is?calculated，?and?a?series?of?mechanical?conditions?such?as?the?bending?and?shear?of?rock?are?considered，?which?has?reference?significance?for?the?replacement?of?mine?pillars?in?Kaiyang?County?and?its?neighbouring?mine?areas.

Key?Words：?Qingshui?River?phosphate?mine;?Pillar?replacement;?Mining?room;?Design?method

1??引言

在貴州省開陽及甕安周邊礦區主要采用房柱法采礦，但容易造成沖擊地壓，導致人員傷亡和財產的損失[1]。本文采用了新的礦柱留設和置換方法，回采率達到99%以上。

1.1??工程概況

開陽廣隆礦業有限公司開陽縣花梨鄉清水江磷礦于2022年1月開始進行礦山改建的地面及井下工程建設，至2022年4月底，已基本建設完成，進入聯合試運轉。

1.2??原設計采礦方法及保安礦柱設計

1.2.1??清水江磷礦采空區隔離礦柱

對盤區淺部已形成部分采空區，防止采空區積水進入井下，留設采空區隔水礦柱。結合實際情況，考慮到采空區為地表采空區，可能沿礦層頂底板裂隙進入井下，設計根據實際情況，采空區最大留設20?m防水礦柱。

從采空區底板往下留設20?m高的隔水礦柱。開采過程中，不破壞防水礦柱[2]。礦區邊界礦柱按25?m寬留設，采區隔離礦柱按20?m寬留設。頂板內巷道根據作圖法計算為按崩落角下劃至礦體后，外推10?m，位于脈內需要保護的巷道按照大巷兩側各10?m留設，斷層保護礦柱按20?m留設，風氧化帶保護礦柱按20m留設。分段上保護礦柱按照采場礦柱留設，上部留設3?m寬連續頂柱、礦房中部留設4?m×3?m的點柱、礦房底部留4?m×3?m連續間隔點柱。

開采過程中，各種保安礦柱不得進行開采，不破壞防水礦柱，是安全可靠的[3]。

1.2.2??礦柱留設安全性分析

設計留設的各種保安礦柱，為按照《化工礦山地下采礦設計規范》（HG/T??22809—1997）、《金屬非金屬地下礦山防治水安全技術規范》（AQ?2061—2018）留設原則計算得來，礦柱計算合理，能保證采場頂板穩固，安全性好。

1.3??礦柱置換設計

1.3.1??原設計方案

根據現場實際情況，將分段、采場礦柱進行置換，按照原設計方案，分段上保護礦柱按照采場礦柱留設[4-5]，分段房柱法上部留設3?m寬連續頂柱、礦房中部留設4?m×3?m的點柱、礦房底部留4?m×3?m連續間隔點柱。

1.3.2??新設計方案

（1）左右兩側留設間柱位置開兩條5?m寬的巷道。

（2）巷道開完后將巷道下部封閉，厚度2?m，并將巷道內全部灌滿灌注C20混凝土，形成混凝土墻支撐頂板。

（3）在兩條混凝土墻之間將礦體采出，每隔5?m開一條新巷道，巷道形成以后向左右兩邊開采，寬度為5?m，利用形成新的巷道通風。

礦房內兩混凝土墻間距離30?m，開采時，在距離混凝土隔墻5?m處開5?m寬巷道，并及時支護，然后在巷道內向左右兩側回采（各采5?m），完成整個礦房的開采。

1.4??條帶式礦柱的置換設計及回采方法

（1）在頂板比較破碎位置采用原設計方案中的開采方法，但在開采過程中，留設頂柱、間柱、點柱等安全、隔離礦柱。待采場往前推進5?m后，距離隔離礦柱5?m以上時，利用開拓回采時產生的碎石，從地面運輸一部分砂石、水泥，在工作面進行攪拌，混凝土強度指標為C20混凝土。

（2）在開采之前，在采場隔離礦柱位置開5?m寬巷道，將隔離礦柱位置礦體全部采出。

（3）用混凝土在新開巷道底部將巷道封閉，厚度為2?m，待一周后混凝土強度達到70%以上使用。

（4）將巷道內全部灌滿C20混凝土，待28天后混凝土強度達到設計要求后，進行其他施工。

（5）分段房柱法上部在原開采設計當中留設了3?m寬連續頂柱，頂柱和底柱不在置換范圍內。

（6）隔離礦柱用混凝土置換后，在原回風巷位置開掘回風巷，用于形成回風系統。

（7）原礦房內點柱取消，將礦房寬度變為15?m。

（8）在距離兩側混凝土墻各5?m處各開辟一條上山巷道，并沿下山方向，后退式向左、向右回采5?m寬的礦石。

（9）如在回采過程中頂板有大面積破碎，需要在工作面后部空區內距離工作面8?m處打設2?m寬木垛，防止頂板大面積垮落。

（10）根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB?50086—2015）只有在頂板為Ⅰ類和Ⅱ類時才能使用本方案，其他巖石類別時采用原設計方案進行支護，并根據現場情況及時加強支護。

（11）回采結束后，按照《開陽廣隆礦業有限公司開陽縣花梨鄉清水江磷礦（改建）安全設施設計（變更）》要求及時封閉采空區。

1.5?頂板破碎時混凝土置換方式

當頂板比較破碎時，采用原設計采礦方法，具體混凝土置換方式如下。

（1）在頂板比較破碎位置留設頂柱、間柱、點柱等安全、隔離礦柱，在開采到這些礦柱時，用混凝土模板支模，形成封閉空間，然后灌入混凝土。

（2）混凝土標號為C20。

（3）在用混凝土形成這些點柱，間柱、頂柱后，再將其余資源開采出來。

（4）在傾角大于12°時采用臺階置換法，并用鋼筋植入底板，形成三角形鋼筋籠。

2??礦房的計算

2.1??礦房寬度計算

根據地質報告，開采礦體頂板為白云巖，根據巖石彈性模量，白云巖彈性模量E取最小值50?GPa，礦房寬度設為Xm，根據鉆孔ZK801，白云巖厚18.61?m，此層白云巖以上為70?m厚，比較穩定。根據關鍵層理論，上部70?m厚白云巖不會垮落，下部10?m左右厚的白云巖直接頂。因礦房兩邊直接頂都被固定，因此認為礦房上部直接頂白云巖的力學模型為懸臂梁，兩端固定結構。

根據彎曲應力理論

其中為最大拉應力。

泥質白云巖抗拉強度為3～7?MPa，取最小值3?MPa，把白云巖頂板簡化為均布荷載的懸臂梁。白云巖厚度簡化為梁高16?m，礦房長設為50?m，考慮成兩條梁，則一條梁寬25?m。當抗拉強度達到3?MPa時，求梁長度。

設梁長為X，白云巖的密度為2.8?t/m?，則梁的每米均布荷載為2.8×10?kN×16×25×1=11?200?kN/m。

可以看出，最大彎矩發生在礦柱與空區交界處。

y為中性到的高度，為慣性矩，y為8?m。

對稱結構在白云巖頂板無任何的斷層情況下計算出的中間空頂最大距離為47.8?m，但在實際工作中，斷層多，因此建議礦房最大寬度取30?m，如頂板很破碎，則最小距離為5?m，并及時支護頂板。

2.2??最大撓度計算

懸臂梁撓度的公式：

其中：q為均布荷載（11?200?kN/m）；X為梁長度23.9?m；E為彈性模量，取白云巖最小值50?GPa；I為慣性矩大小為，8?533?m4。

最大撓度在礦房的中部，及懸臂梁的最右側邊緣位置。

X=23.9?m處最大撓度為：

礦房最中間位置最大撓度為1?mm，位移小，說明當礦房寬度27.8?m時，礦房中部23.9?m處，撓度最大為1?mm，位移很小，比較安全。

2.3??頂板的抗剪計算

設本礦白云巖厚度為16?m，寬25?m，礦房寬47.8?m，則一面礦柱所承擔的重量為16?m×25?m×23.9?m×28?kN/m?=267680?kN，

則白云巖的最大剪切力發生在頂板與礦柱交界處，最大剪力為267?680?kN;

則白云巖的切應力為：

實驗得知白云巖最小抗剪強度為3.07?MPa，而0.669?2?MPa<3.07?MPa，因此，在礦柱邊緣剪力最大，但是剪切強度滿足要求，不會發生剪切破壞。

綜上，根據現場實際情況，礦房實際寬度如下。

（1）在無斷層無涌水情況下，礦房最大寬度設定為47.8?m，如遇斷層，斷層落差在0.5?m以下的，每增加一條落差0.5以下的無涌水斷層，礦房寬度減少10%。

（2）遇到落差在0.5?m以上斷層，如發現一條，則礦房寬度減少20%。

（3）遇到頂板淋水，則礦房寬度減少40%。

（4）礦上圍巖共分成四類：Ⅰ類為強穩定性巖層，Ⅱ類為穩定性巖層，Ⅲ類為中等穩定巖層，Ⅳ類為弱穩定性巖層。根據分類，Ⅰ類巖層礦房寬度選100%，每降一類礦房寬度減少20%。得到公式：

其中：B為礦房實際計算寬度；L為落差小于0.5m的斷層條數；M為斷層大于0.5m的斷層條數；N為頂板是否有淋水，如果有N取1，如果沒有，N取零；P為圍巖種類；Ⅰ類取0；Ⅱ類取1；Ⅲ類取2；Ⅳ類3。

（5）在按照以上公式計算礦房寬度低于10?m時，采用原設計方案在礦房內布置點柱增加支護面積。

（6）在原設計方案中，當回采到點柱位置后，先將點柱位置提前回采，然后按照設計將點柱位置用混凝土進行置換。

在礦房取寬度47.8?m時，在沒有斷層破碎帶的情況下，白云巖位移為1?mm，有斷層和破碎帶的情況下建議礦房最大寬度取15?m，在小于15?m范圍內，按照以上公式計算礦房寬度，并對頂板及時支護。當礦房頂板破碎且有淋水時，頂板支護可按照原設計進行回采。

3??結語

綜上，清水江礦礦柱置換已通過專家評審并開始使用，經過半年的運行，新的礦柱置換方法為礦房節省了大量資金，并增加了回采率，因此，條帶式礦柱置換方法是可行的。

參考文獻

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