曾平國(guó) ,曾先貴

(1.浙江省遂昌金礦有限公司，　浙江 遂昌縣　323304；2.長(zhǎng)沙市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心，　湖南 長(zhǎng)沙　410016)

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大跨度鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)在采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

曾平國(guó)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(zhǎng)沙市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心，湖南 長(zhǎng)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(jié)約和綜合利用礦產(chǎn)資源，在原大礦體底部結(jié)構(gòu)中，采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)人工假底替換礦石礦柱，介紹了人工假底設(shè)計(jì)及其施工方法，根據(jù)力學(xué)計(jì)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(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用該人工假底后，不僅保證了采安全區(qū)的安全性，而且有效回收了礦產(chǎn)資源增加了企業(yè)效益。該人工假底可為類似開采人工礦柱構(gòu)筑提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：人工假底；鋼筋混凝土；梁板結(jié)構(gòu)；底部結(jié)構(gòu)

1工程概況

遂昌金礦產(chǎn)于前泥盆紀(jì)變質(zhì)巖的北東東構(gòu)造蝕變帶中，為中溫?zé)嵋贺毩蚧餃\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(cuò)動(dòng)及巖脈穿插，局部節(jié)理裂隙發(fā)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(wěn)固性較差。礦石為脈石英巖，f=16～18，圍巖以黑云母斜長(zhǎng)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(tǒng)，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(zhǎng)度一般為25～50 m，底柱高度為5～6 m，頂柱高為3～4 m，礦房?jī)蓚?cè)間柱寬度各為3～4 m,。底部結(jié)構(gòu)主要為普通漏斗和電耙塹溝2種形式。針對(duì)品位較高的礦塊，頂?shù)字伴g柱先于礦房回采，然后構(gòu)筑人工礦柱。至今已累計(jì)澆灌混凝土近3萬m3，多回收礦石7萬多噸。以往構(gòu)筑的各類人工礦柱，其跨度一般均小于8 m，該采場(chǎng)人工礦柱平均厚度約10 m，為礦山首個(gè)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(cè)，東以霏細(xì)巖為界，西以一組斷層為界。在+260 m中段礦塊走向長(zhǎng)度約為50 m，礦體水平厚度為2～14 m，礦房?jī)?nèi)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(zhǎng)度約45 m，礦體水平厚度為1.4～4.5 m，礦塊走向上呈現(xiàn)中間厚兩端薄，礦體總體產(chǎn)狀為200°∠50°，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定。礦塊平均品位為：Au：14.69 g/t；Ag：171.13 g/t。

2人工假底設(shè)計(jì)

根據(jù)該礦塊的地質(zhì)形態(tài)及周邊礦房位置關(guān)系，并結(jié)合礦柱資源的綜合回收，設(shè)計(jì)在+260 m中段底部構(gòu)筑人工假底。因礦體在該中段厚度大，且礦體頂?shù)装鍑鷰r片狀節(jié)理較發(fā)育，若采用礦山慣用的鋼筋混凝土板進(jìn)行設(shè)計(jì)，則滿足不了采下礦石的承壓荷載及構(gòu)件自身的穩(wěn)定性，故選用倒“T”形梁板組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

礦房走向長(zhǎng)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(nèi)摩擦角￠=38°，松散礦巖與采場(chǎng)巖壁的摩擦系數(shù)tgθ=0.78，采場(chǎng)計(jì)算真厚度H0=7.5 m，采場(chǎng)上盤不穩(wěn)固巖層平均厚度B=4 m，選用200#混凝土及Ⅰ、Ⅱ級(jí)鋼筋，Ra=107.8 MPa，Rw=137.2 MPa,安全系數(shù)n取2，混凝土自重q=23.52 kN/m3。

2.1梁的計(jì)算

梁按照點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)柱一般位于采場(chǎng)中間，起減小采場(chǎng)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(shè)計(jì)時(shí)即以此作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)。

2.1.1荷載計(jì)算

設(shè)計(jì)點(diǎn)柱垂直頂?shù)装宀贾?，其所受壓力為上盤不穩(wěn)固巖塊的重力在垂直點(diǎn)柱軸心方向的分力。按照面積承載假設(shè)理論，該地壓值可用式(1)計(jì)算：

(1)

式中:Q——地壓值，N；

S——點(diǎn)柱承擔(dān)的頂板面積，m2；

γ——上盤圍巖容重，N/m3；

B——不穩(wěn)固巖塊平均厚度,m；

α——礦體傾角。

即：Q=SγBcosα=687.78 MN。

2.1.2強(qiáng)度計(jì)算

梁的強(qiáng)度同樣按照點(diǎn)柱計(jì)算其強(qiáng)度，梁設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為保證其自身的穩(wěn)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Sp/Sc=(D/H0)1/2，可推出梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算公式(見式(2)):

(2)

式中:Sp——梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度， N/m2;

Sc——混凝土立方試塊強(qiáng)度， N/m2;

D——矩形斷面點(diǎn)柱最短邊長(zhǎng)(或圓形斷面點(diǎn)柱直徑)，m;

H0——點(diǎn)柱高度，m;

D/H0——點(diǎn)柱寬高比，據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

即：Sp=(D/H0)1/2·Sc=48.21 MPa

2.1.3確定梁斷面積

根據(jù)點(diǎn)柱平均應(yīng)力小于等于其許用應(yīng)力條件，可得下式(3)：

(3)

式中：Ap——點(diǎn)柱斷面積，m2；

n——安全系數(shù)。

即：Ap≥n·Q/Sp=28.53 m2

據(jù)此確定梁為5根斷面積為2×3 m2的矩形梁，合計(jì)斷面積為5×6=30 m2，此時(shí)寬高比為0.2，Sp為48.21 MPa，安全系數(shù)為2.1。

參照軸心受壓構(gòu)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(jì)算

人工假底其主要作用是隔離上下中段采場(chǎng)中的松散礦巖。因此，假底的荷載計(jì)算應(yīng)以其上部堆積的松散礦巖靜壓力為設(shè)計(jì)依據(jù)。

從應(yīng)力傳遞概念出發(fā)，按照太沙基散體地壓理論，當(dāng)?shù)V體傾角不大時(shí)，松散礦巖與上盤圍巖接觸不緊密，摩擦力可忽略不計(jì)。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(shí)，假底所受平均壓力可用式(4)計(jì)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(guān)，而與厚度無關(guān)，但實(shí)際上礦體厚度越小，P值越?。欢?dāng)H超過一定值后對(duì)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(jì)算單元，板厚為1.5 m進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式(4)可知:平均壓力P= 26375×103×35×(sin50°-cos50°×0.78)=2.48 MPa；構(gòu)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(jù)此計(jì)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(jì)算結(jié)果，該人工假底設(shè)計(jì)采用5根2 m×3 m規(guī)格(寬×高)的梁與1.5 m厚的板進(jìn)行組合(見圖1)。

圖1梁板組合結(jié)構(gòu)(單位 mm)

3施工方法

(1) 場(chǎng)地開挖與平整。首先，根據(jù)采場(chǎng)地質(zhì)平面資料，提前對(duì)該人工假底標(biāo)高位置礦體進(jìn)行切采，并依據(jù)梁板設(shè)計(jì)標(biāo)高及施工作業(yè)空間控制上采高度，上采至預(yù)定標(biāo)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(jié)合采場(chǎng)上下盤實(shí)際傾角進(jìn)行場(chǎng)地平整(原則上梁板截面應(yīng)垂直上下盤圍巖，若假底跨度大，可適當(dāng)降低其坡度)。

(2) 插筋眼孔施工及圍巖加固。場(chǎng)地平整后，依據(jù)鋼筋結(jié)構(gòu)布置沿采場(chǎng)走向及傾向進(jìn)行眼孔標(biāo)定，眼孔位置及眼深必須按設(shè)計(jì)施工，防止構(gòu)件布置發(fā)生改變而影響其力學(xué)性能。若在眼孔施工時(shí)發(fā)生圍巖開裂，則采用樹脂錨桿進(jìn)行圍巖加固，確保插筋處在穩(wěn)固巖層內(nèi)。

(3) 構(gòu)件架設(shè)。構(gòu)件架設(shè)前，需先在松散墊層上鋪設(shè)一層油布，以防止?jié)矒v時(shí)滲漿。依據(jù)構(gòu)件布置圖進(jìn)行構(gòu)件架設(shè)及支模，并按指定位置預(yù)留卸礦口，并敷設(shè)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(zhǔn)備后，則按相應(yīng)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行混凝土施工，由于采場(chǎng)施工條件受限，施工周期長(zhǎng)，故每班澆搗作業(yè)前需進(jìn)行混凝土施工縫的處理。

4效果淺析

自2008年該假底完工養(yǎng)護(hù)期滿后繼續(xù)回采采場(chǎng)上部礦體，共采出礦量17450 t，因企業(yè)供配礦生產(chǎn)計(jì)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(jié)構(gòu)未出現(xiàn)任何變化，且假底以上采空區(qū)頂?shù)装逦闯霈F(xiàn)冒落，對(duì)采空區(qū)頂?shù)装宓木S護(hù)管理發(fā)揮了積極的作用。從資源的回收效果分析，若采用預(yù)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(chǎn)金屬量Au：51.7 kg、Ag：856.2 kg，剔除人工假底構(gòu)筑成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益約1293萬元。

5結(jié)論

遂昌金礦隨著開采年限的增加，企業(yè)資源日益枯竭，保有資源儲(chǔ)量與礦山現(xiàn)有的生產(chǎn)能力相比，資源緊張狀況相當(dāng)嚴(yán)峻，2005年被國(guó)土資源部列為資源危機(jī)礦山。歷年來，企業(yè)高度重視礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用，想方設(shè)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(jié)合開采、應(yīng)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(dá)到99%以上，用于提高“三率”項(xiàng)目的總投入達(dá)3465.43萬元，增加產(chǎn)品金218.106 kg、銀2927.15 kg；增加企業(yè)收入6476.98萬元；經(jīng)濟(jì)效益為3011.55萬元，達(dá)到了很好的經(jīng)濟(jì)，社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：曾平國(guó)，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(shù)管理，Email:115967381@.com。