劉?？?，童勝連，鄔劍鋒，楊福斗，鐘長生，溫世平，李 恒，周志勇，梁向陽，李湘洋

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團有限公司南溫河鎢礦，云南 文山州麻栗坡縣816100；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083)

殘礦資源回采是國內外面臨的重大技術難題。目前，常見的殘礦資源類型涵蓋房柱法的點柱、嗣后充填法開采的二步礦柱和頂柱、崩落轉充填隔離礦柱等類型。房柱法作為空場法的典型方法，因其采礦成本低、生產(chǎn)組織工序簡單等優(yōu)勢在水平至緩傾斜穩(wěn)固薄礦體開采得到了廣泛應用，但該法依靠滯留礦柱支撐頂板和采空區(qū)，造成了礦產(chǎn)資源的極大浪費，損失率最高達30%以上。

國內專家和學者就房柱法或全面法礦柱回采開展了大量的研究工作[1-2]。余榮炳[3]等以金山金礦為工程背景，對房柱法礦柱提出了底盤漏斗或側向放礦口全崩落回采方法并取得理想效果；吳潔葵[4]等針對空場法礦山采空區(qū)原生礦柱回采技術難題，采用人工礦柱替換原生礦柱的回收方案；賀小慶[5]以太白黃金礦礦柱回采及采空區(qū)處理為研究對象，確定采用抽采法進行，并成功回采礦柱礦石12.25萬t，經(jīng)濟和設備效益顯著；王慶軍[6]等結合礦山地質條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過工程地質調查確定了合理的礦柱回采順序與礦柱回采方法，實現(xiàn)了礦柱安全高效回收的目的；其他學者就房柱法礦柱回采過程中的應力監(jiān)測、空區(qū)探測及穩(wěn)定性評價也開展了相應的研究工作[7-9]。

本文以南溫河鎢礦房柱法礦柱回采為工程背景，綜合理論計算和數(shù)值模擬的研究手段，就房柱法人工混凝土假柱尺寸設計進行了論證，以期為今后南溫河鎢礦礦柱實現(xiàn)安全、高效和低成本回采提供科學的理論依據(jù)。

1 工程背景

南溫河鎢礦位于云南省文山州南南西方向的麻栗坡縣，老君山鎢錫多金屬礦區(qū)的東部，鎢礦床主要埋藏于平緩產(chǎn)狀的矽卡巖層中，礦體厚度1.5～12 m，傾角小于15°，礦巖穩(wěn)固性較好(f=12～14)，屬于典型的緩傾斜薄至中厚穩(wěn)固礦床，水文地質簡單。

南溫河鎢礦隸屬文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團有限公司，下轄南溫河、金瑋和金源等礦區(qū)。南溫河鎢礦采用平硐+斜坡道聯(lián)合開拓方式，礦體傾角5°～15°，礦體厚度1.5～12 m，礦體頂板出露為片麻巖，礦巖穩(wěn)固性較好，目前主要采用房柱法進行開采。其中，6線區(qū)域遺留礦柱整體品位較高，平均品位0.8%以上(如圖1所示)，考慮礦柱實現(xiàn)安全、高效和低成本回采具有十分顯著的經(jīng)濟效益。

圖1 采空區(qū)高品位礦柱Fig.1 High grade pillar in underground goaf

2 試驗采場人工假柱尺寸理論計算

結合南溫河鎢礦高品位礦柱賦存條件和理論計算，經(jīng)北京科技大學與南溫河鎢礦聯(lián)合攻關，決定采用人工混凝土假柱替換法進行回采。

2.1 房柱法礦柱回采試驗采場確定

試驗采場選定南溫河鎢礦6線3號北采場(如圖2所示)，試驗采場包括礦柱21根、假柱6根。根據(jù)礦柱品位估算礦柱經(jīng)濟價值，當前有10個礦柱具有開采價值，分別是K12、K13、K14、K15、K18、K19、K20、K22、K24和K26。現(xiàn)場采空區(qū)探測工作見圖2。

圖2 試驗采場礦柱分布圖Fig.2 Pillar distribution map in trial stope

2.2 人工混凝土假柱形態(tài)確定

人工假柱的形狀多種多樣，較常見的為圓形和方形。結合南溫河鎢礦實際情況，考慮到人工假柱施工過程中模板架設困難，建議采用正方形人工假柱的形式。試驗采場屬于典型的較規(guī)律的點柱群采場，多排點柱矩陣式布置應用最為常見。因此，建議采用該種方式進行布置。

2.3 礦柱安全系數(shù)計算

礦柱安全系數(shù)是決定點柱穩(wěn)定性的重要影響因素，是點柱巖體自身強度與外部載荷之間的關系。進行采場點柱尺寸和點柱間距的設計之前須進行點柱安全系數(shù)的計算。

采場點柱的安全系數(shù)N的大小由人工假柱受到的應力Q和點柱自身強度S決定，N計算公式為：

(1)

式中：N—礦柱安全系數(shù)(N<1時點柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，N>1時點柱處于失穩(wěn)破壞狀態(tài))；Q—點柱所受外部載荷，MPa；S—點柱自身極限抗壓強度，MPa。

2.4 人工假柱載荷計算

因礦體埋深較淺，受構造應力作用相對較小。假設礦柱只承受上覆圍巖的載荷作用，且施加的載荷平均分布到各個點柱上，則單個點柱受到的載荷應力Q為：

(2)

式中：Q—單一點柱受到的外部載荷，MPa；H—上覆圍巖厚度，m；γ—上覆圍巖容重，t/m3；A、B分別為點柱間沿兩個方向的距離，m；R1和R2分別為點柱的長度和寬度，m。

2.5 人工假柱強度計算

人工假柱強度與構成礦柱的材料強度有關，在實際礦柱回采過程中主要承受壓力。因此，這里的強度專指人工假柱的抗壓強度。采用如下經(jīng)驗公式(3)計算人工假柱強度：

(3)

式中：S—人工假柱抗壓強度，MPa；σC—人工假柱本身單軸抗壓強度，MPa；R為人工假柱的截面寬，m；h—人工假柱的高度，m；α—常數(shù)，礦柱寬高比<5時取1，>5時取1.4。

2.6 人工假柱尺寸計算

結合南溫河鎢礦的實際情況進行人工假柱的尺寸設計，以單個礦柱作為研究對象來計算上覆巖層施加的載荷。南溫河鎢礦試驗采場礦柱埋深在140～160 m，為保證計算結果的可靠性，選擇最大埋深160 m作為計算標準，容重2.8 t/m3進行計算。此時：

人工假柱采用C25混凝土配合工字鋼(槽鋼)進行澆灌，按照以往經(jīng)驗，其抗壓強度可按照45 MPa進行計算，南溫河鎢礦點柱的寬高比小于5，因此α取1，考慮到礦體傾角較緩，沿走向和傾向礦房跨度近乎相同，故A=B，正方形人工假柱，則R1=R2=R。

根據(jù)上式計算結果，可得到如下關系：

4.48A2<(22.4+1.575R)R2

根據(jù)構建的三維實體模型可知，試驗采場內點柱跨度平均為11 m，則人工假柱尺寸應≥4.35 m。

3 房柱法礦柱回采工藝

3.1 假柱施工及頂板支護

施工前清洗人工假柱的頂?shù)装鍏^(qū)域，道砟清光，底板盡量水平；在頂?shù)装鍖恢檬┕? m圓鋼(Φ32 mm)，輔助固定工字鋼與假柱；在對應位置布置工字鋼(槽鋼)，注意保證工字鋼與頂?shù)装褰訉?，用圓鋼將每排工字鋼焊接(或用24#鐵絲箍緊)相連；在工字鋼外圍0.5 m處采用木?；蚪饘倌０辶⒛＃褂没炷帘盟凸に?，工程施工、人工配料、機械攪拌、翻斗式拖拉機或農(nóng)用車裝車運輸物料、人工攤鋪、插入式振動器振實、振動板提漿修整；混凝土物料拌合時應嚴格按照級配和配合比要求進行投放，用水量按設計的水灰比要求控制；混凝土拌制須采用機械方式攪拌均勻，并嚴格控制從出料、運輸?shù)戒佒瓿蓵r間在1 h以內；混凝土澆筑完成后需進行保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期不得少于20 d。

混凝土人工假柱的施工能有效控制頂板大變形和驟變冒落，由于礦柱直接頂板是片麻巖，揭露周期和跨度達到一定閾值后，冒落風險驟增。結合南溫河鎢礦實際情況，建議在跨度較大區(qū)域進行局部樹脂錨桿+穿帶(勾花網(wǎng))的支護形式，穿帶選用8～10 mm的鋼筋編織而成，提高試驗回采過程中的安全性。

3.2 鑿巖、爆破

由CMS技術三維重構的礦柱模型，試驗采場的礦柱整體呈現(xiàn)上下粗，中腰細，接近“X”的形態(tài)，橫截面近圓形或橢圓形，腰部直徑(或長軸與短軸平均值)尺寸介于2.82～4.62 m，頂?shù)撞恐睆?或長軸與短軸平均值)尺寸介于4.35～8.75 m。

南溫河鎢礦的鑿巖設備以YT-28為主，設計采用YT-28進行鑿巖，鉆孔直徑38～42 mm，炮孔布置如圖3所示。采取定向拋擲微差爆破，采用小抵抗線、大孔距的爆破參數(shù)，炮孔雙側布置，兩側炮孔間夾角約為160°，礦柱中間的炮孔超前于上下炮孔起爆，礦柱中間的炮孔排距0.5 m，間距0.8 m，礦柱上下部分的炮孔排距0.8 m，間距1.0 m，炮孔深度2.5～4.0 m，根據(jù)礦柱規(guī)格而改變，礦柱上部炮孔的鑿巖裝藥作業(yè)，在搭建的工作平臺上進行。礦石拋擲方向根據(jù)現(xiàn)場的回采順序而定，以人員設備的安全作業(yè)為前提，使礦石盡可能集中，便于提高出礦效率，礦柱要一次爆破成功，爆破參數(shù)要在現(xiàn)場適當調整，以達到最佳爆破效果。采用定向拋擲爆破技術，可以使爆破下來的礦石按預定方向堆積，而不至于飛散，以便于出礦，并且不會對相鄰的礦柱和混凝土人工假柱造成破壞。

圖3 礦柱回采炮孔設計圖Fig.3 Blasting holes design of pillar

3.3 通風

由于采用房柱法開采，風流較為紊亂，爆破后有毒氣體難以排出、粉塵難以沉降，建議試驗采場內采用局扇進行強制通風。

3.4 礦石運輸

目前南溫河鎢礦的主要出礦設備包括：2 m3的ZL40型裝載機、坑內組裝卡車，故礦石運輸仍沿用該法。

3.5 采空區(qū)處理

南溫河鎢礦試驗采場礦床整體厚度較小，傾角近水平，采用房柱法開采，原采空區(qū)依托遺留礦柱進行支撐，但在礦柱回采結束后，采空區(qū)依靠人工混凝土假柱進行采空區(qū)支撐。人工混凝土假柱和永久礦柱雖可支撐采空區(qū)，防止頂板冒落，但若空場滯留時間過長，支護及安全效果將會大大降低。由于南溫河鎢礦井下尚無充填系統(tǒng)，不能實現(xiàn)尾砂充填。從長遠考慮，后退式回采礦柱時可以在礦柱回采結束后的采空區(qū)內倒入開拓廢石充填采空區(qū)，并且在礦柱回采結束后封閉隔離采空區(qū)，將采空區(qū)潛在威脅分塊化、集中化處理，徹底消除采空區(qū)對井下安全生產(chǎn)的威脅。

由于試驗采場間連續(xù)性和礦巖穩(wěn)定性條件均較好，形成了大量的連續(xù)性礦柱群，頂板或者礦柱破壞的危害性較大，沖擊波容易引起相鄰采場頂板的破壞，產(chǎn)生連鎖反應。因此，推薦采用人工混凝土礦柱支撐法+封閉隔離聯(lián)合處理采空區(qū)。

3.6 試驗采場礦柱回采安全保障措施

1)礦柱回采遵循后退式回采，礦柱回采安全風險高、難度大，因此應進行高效鑿巖、出礦和采空區(qū)處理的“三強”開采原則。對于尺寸較小的礦柱，盡量減少爆破次數(shù)，降低爆破震動對頂板及相鄰人工假柱或原生礦柱的沖擊破壞。

2)礦柱回采過程中，相應的監(jiān)測手段是必不可少的。包括布置頂板離層儀、鉆孔應力計等。獲取試驗采場真實數(shù)據(jù)，為今后礦柱回采大范圍推廣提供科學的數(shù)據(jù)參考。

4 試驗采場礦柱回采經(jīng)濟效益預算

4.1 基于CMS的試驗采場礦柱礦量計算

采用北京科技大學采購的Geosight CMS對試驗采場內礦柱及采空區(qū)輪廓進行精細化掃描，將獲取的數(shù)據(jù)導入3DMine軟件內獲取礦柱真實形態(tài)(如圖4所示)，并采用實體模型工具報告試驗采場礦柱礦量。經(jīng)建模計算得到，試驗采場內礦柱礦量共計4 328.242 t。

圖4 試驗采場采空區(qū)三維模型Fig.4 3D model of trial stope goaf

4.2 試驗采場經(jīng)濟效益預算

結合3DMine得到的礦柱礦量，礦柱品位分布為0.4%～2.0%，按照礦柱采礦回收率90%，選礦回收率86%計算，65%鎢精粉單價9.8萬元計算，礦柱直接經(jīng)濟價值為495.37萬元；人工假柱施工、采礦和選礦成本折合在內共計183.45萬元，則利潤為311.92萬元。

5 結論

本文以南溫河鎢礦礦柱回采為工程背景，采用理論計算對人工混凝土假柱尺寸進行了理論計算，最后就礦柱回采工藝和經(jīng)濟效益開展了研究工作，得到的主要結論如下：

1)人工混凝土假柱經(jīng)安全系數(shù)、載荷、強度等理論，試驗采場內假柱尺寸進行了理論計算，設計人工假柱跨度平均為11 m，則人工假柱尺寸應不小于4.35 m?；炷翝仓瓿珊笮柽M行保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期不得少于20 d。

2)按照人工混凝土假柱置換法回采原生礦柱，按照礦柱采礦回收率90%，選礦回收率86%計算，試驗采場回收礦柱礦石量3 895.417 t，礦柱直接經(jīng)濟價值為495.37萬元；總成本共計183.45萬元，利潤311.92萬元。

本文的研究結論能夠為南溫河鎢礦房柱法礦柱回采奠定理論基礎，也能夠為國內外同類型礦山礦柱回采提供一定的理論依據(jù)。