鄭 旭潘 健尹 裕

（1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

金屬礦山采用空場法采礦時，采取預留頂?shù)字?、間柱來控制地壓，這部分礦柱資源量約占可采礦量的20%～40%［1-2］。隨著礦山的不斷開采，資源量成為制約礦山持續(xù)生產(chǎn)的因素，而礦柱作為礦山資源的一部分，成為礦山資源接替的目標［3］。礦柱回收受采礦方法、空區(qū)分布、圍巖穩(wěn)定性影響較大，目前國內(nèi)外研究人員針對礦柱回采方面做了大量的研究，并提出了一些行之有效的方法，但針對緩傾斜薄礦體礦柱回收的研究較少。由于每個礦山的特殊性和獨立性，不能照搬現(xiàn)有的研究成果［4-6］。

某錳礦采用房柱法開采，井下礦柱資源量約40萬t，因此，亟需結(jié)合礦山現(xiàn)狀，研究緩傾斜薄礦體礦柱的安全高效回采方法，對礦山的持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦山開采現(xiàn)狀

某錳礦生產(chǎn)規(guī)模為10萬t/a，采用平硐—斜坡道—盲斜井聯(lián)合開拓。該礦層賦存較穩(wěn)定，礦體傾角為21°，礦體厚度為1.34 m。該錳礦自建礦投產(chǎn)以來，均采用房柱法（點柱或條柱）進行開采。礦塊沿礦體走向布置，走向長50～60 m，由于礦體較緩，礦塊斜長大，因此對于斜長超過60 m的礦塊加分段開采。礦塊之間留連續(xù)間柱，寬3 m，礦塊內(nèi)每隔8 m劃分采場，間隔礦柱為3 m。采場內(nèi)各分段間及上下采場間留連續(xù)分段礦柱或連續(xù)中段礦柱，礦柱寬3 m。當?shù)V體厚度小于3 m時，整層回采，一次采完全厚；拉底從切割巷與行人通風道交口處開始，從切割巷向上推進。隨工作面向前推進，按設計尺寸和間距預留礦房兩側(cè)的規(guī)則礦柱。

2 礦柱回收方案

根據(jù)礦山的礦體環(huán)境條件、礦巖的穩(wěn)定性、地形地貌等不同，金屬礦山礦柱的回采方法也有所區(qū)別?？偟膩碚f，回采的方法有削柱法、替換法、房柱法、抽柱法、分段法和階段空場法。

該錳礦采用點柱或條柱的2種房柱法對礦石進行回采，留設的頂、底柱直徑為6 m，點柱直徑為3 m，高度為礦體厚度，平均為1.34 m；條柱寬度為2 m，長度為采場長度（50～60 m），高度為礦體厚度。根據(jù)該錳礦生產(chǎn)實際情況，預先提出人工條柱支撐方案、液壓支柱—全部放頂方案和液壓支柱—部分放頂方案。

2.1 人工條柱支撐方案

2.1.1 方案概述

人工條柱支撐方案是在礦柱回采前，先在采場內(nèi)適當位置砌筑人工條柱對頂板進行支撐，條柱砌筑材料可選用井下掘進廢石或采場放頂廢石。人工條柱寬度為2 m，長度為8～10 m，間距為8～10 m，高度為礦體厚度，標準采場所需廢石量約為710 m3。砌筑完成后，采用淺孔爆破對頂、底柱及點柱（條柱）自下而上進行回采。礦柱總體回采順序為由上中段向下中段開采，中段間回采順序為由兩端盤區(qū)向中間盤區(qū)退采。根據(jù)采場頂板完整性和礦石品位情況，可部分或全部回收頂、底柱及點柱（條柱）。點柱法礦塊最多可回采礦石量約為4 045 t，條柱法礦塊最多可回收礦量約為6 728 t，采礦方法見圖1、圖2。

2.1.2人工條柱尺寸校核

該礦山井下采場屬于典型的點柱群采場，點柱類似矩陣式布置，因此設計人工假柱采用方形布置。結(jié)合該錳礦的實際礦房礦柱參數(shù)進行人工假柱的尺寸設計，以單個礦柱（點柱、條柱）作為研究對象來計算上覆巖層的載荷［7-8］。該錳礦采場礦柱埋深多在300 m以內(nèi)，為最大限度保證設計的安全性，選擇埋深300 m作為計算標準，巖體密度為2.8 t/m3。此時，單一點柱所受外部荷載Q計算公式為式中，Q為單一點柱所受外部載荷，MPa；H為上覆巖層厚度，m；γ為上覆巖層密度，t/m3；A、B分別為點柱間沿2個垂直方向上的距離，m；R1、R2分別為點柱的長度和寬度，m。

人工假柱采用廢石配水泥砂漿砌筑，按照以往工程經(jīng)驗，其抗壓強度可按照45 MPa進行計算。該錳礦點柱的寬高比小于5，因此α取1。因礦體傾角較緩，礦房跨度沿走向和傾向幾乎相同，因此取A=6 m，B=10 m，采用長方形人工假柱，則R1=2 m，R2=6 m。

人工假柱的抗壓強度S計算公式為

式中，S為人工假柱抗壓強度，MPa；σC為人工假柱材料單軸抗壓強度，MPa；R為人工假柱的截面寬，R=R1=2 m。h為人工假柱的高度，m；α為常數(shù)，礦柱寬高比小于5時取1，大于5時取1.4。

礦柱安全系數(shù)計算公式為

式中，N為礦柱安全系數(shù)，N＜1說明點柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，N＞1說明點柱處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

故采場人工礦柱寬度為2 m，長度為6 m，走向方向間距為6 m，傾向方向間距為10 m，根據(jù)以上公式計算人工礦柱的安全系數(shù)N為0.58，故點柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以滿足現(xiàn)場工況。

2.2 液壓支柱—全部放頂方案

該方案采用單體液壓支柱預先對礦房進行支護，每3個液壓支柱為1組，組內(nèi)排距為1.0～1.5 m，高度為采場高度。液壓支柱組間距與礦柱間距一致，為8 m。支護完成后采用淺孔爆破對頂、底柱及點柱（條柱）自下而上進行回采，出礦結(jié)束后立即放頂，利用巖石的松散系數(shù)完成空區(qū)充填，避免頂板發(fā)生大面積垮冒。該方案可以回收全部礦柱，但需要在每排礦柱回收結(jié)束后立即對空區(qū)進行放頂，最終采場需要全部放頂以完成空區(qū)充填。在液壓支柱—全部放頂方案中使用點柱法和條柱法大同小異，所以主要介紹點柱法液壓支柱—全部放頂方案，如圖3所示。

設計選用內(nèi)注式單體液壓支柱，該支柱不僅配套設備少、成本低，而且靈活性大、管理方便，可在沒有電源或者液壓泵站的地方使用；工作液為5號液壓油，可以封閉式循環(huán)，因此液壓油油耗較低，也不會外溢，不會對環(huán)境造成污染；支柱閥位于支柱的內(nèi)腔，不會受到外部的影響，可靠性較高。

根據(jù)該錳礦采場及預留礦柱情況，單體液壓支柱型號為DN28-200/90、DN25-250/90、DN22-300/90、DN20-350/90、DN18-350/90，單體液壓支柱參數(shù)見表1。

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內(nèi)注式單體液壓支柱適用范圍如下。

（1）巖層傾角小于20°的緩傾斜回采工作面，采取一定安全措施后亦可用于傾角為25°～35°的工作面。

（2）DN18型支柱最大支撐高度為1.8 m，支撐高度變化范圍一般為1.05～1.8 m，即采場高度不大于支柱的最大高度。

（3）支柱在承壓過程中不應以支柱的中部作為推溜千斤頂?shù)闹c。

（4）在炮采工作面使用時，應采取措施防止支柱的活柱表面被崩壞。

2.3 液壓支柱—部分放頂方案

液壓支柱—部分放頂方案也是采用單體液壓支柱預先對礦房進行支護，液壓支柱布置參數(shù)與全部放頂方案一致，該方案只對部分礦柱進行回采，采用隔一采二放一的回采方式，即每回收2排頂?shù)字?、點柱（條柱），留1排不回采，且對空區(qū)中央6 m左右的區(qū)域進行放頂。采用淺孔爆破方式對頂、底柱及點柱（條柱）進行回采，出礦結(jié)束后回收液壓支柱，然后進行部分放頂，將頂板進行分割，防止頂板整體發(fā)生大面積垮冒，即使發(fā)生冒頂，崩落的頂板圍巖起到緩沖層作用，避免對人員、設備設施造成傷害。因點柱法和條柱法采用液壓支柱—部分放頂方案大同小異，主要介紹條柱法液壓支柱—部分放頂方案，如圖4所示。

3 各方案技術經(jīng)濟指標分析

礦柱回采方案設計可采用人工條柱支撐方案、液壓支柱—全部放頂方案和液壓支柱—部分放頂方案，對3種回采方案的技術經(jīng)濟指標進行比較，詳見表2。

4 方案分析及選擇

礦柱回收是對礦山生產(chǎn)過程中永久損失的資源進行強采強出，作業(yè)危險系數(shù)高、難度大。綜合分析上述3種方案，每個方案均有其優(yōu)缺點。液壓支柱—全部放頂方案雖然回收率高，但回采成本也最高，基于當前市場現(xiàn)狀，經(jīng)濟效益不明顯。液壓支柱—部分放頂方案和人工條柱支撐方案回采成本相差不大，但前者安全性和支護效率均較高，故推薦液壓支柱—部分放頂方案。對于地質(zhì)條件復雜，采場節(jié)理發(fā)育，礦柱已處于明顯破壞狀態(tài)的采場，不進行回收。

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通過對該錳礦井下所有采場進行評估，認為西采區(qū)+600 m中段以上地壓顯現(xiàn)較為嚴重，中部采區(qū)+600 m中段以上斷層較為發(fā)育，礦柱回采風險較大，暫不回收。計劃對+575，+550，+530 m中段及莫家工區(qū)東側(cè)采場的礦柱采用液壓支柱—部分放頂方案進行回收。由于該方案各工序之間銜接緊密，技術要求高，施工前需要針對礦柱回采和放頂施工做專項施工組織設計。施工過程中應加強監(jiān)測手段，實時掌握頂板下沉和礦柱應力變化情況，如頂板或礦柱發(fā)生彎曲變形或應力突增，應及時撤出人員、設備，放棄礦柱回采工作

5 結(jié)論

（1）人工條柱支撐方案中人工礦柱寬度為2 m，長度為6 m，走向方向間距為6 m，傾向方向間距為10 m，此時人工礦柱的安全系數(shù)為0.58，人工條柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。該方法回采成本最低，但效率較低，且存在一定風險，適用于圍巖穩(wěn)定的采場。

（2）液壓支柱—全部放頂方案礦柱回收率高，回采安全性較高，同時回采成本也最高，適用于圍巖穩(wěn)固性一般且品位較高的采場。

（3）液壓支柱—部分放頂方案部分礦柱永久損失，回采安全性較高，回采成本居中，適用于圍巖穩(wěn)固性一般且品位較低的采場，在本工程對象中推薦采用此方案。