房柱法矿柱回采人工假柱尺寸理论计算及采矿工艺

刘海科，童胜连，邬剑锋，杨福斗，钟长生，温世平，李 恒，周志勇，梁向阳，李湘洋

(1.文山麻栗坡紫金钨业集团有限公司南温河钨矿，云南 文山州麻栗坡县816100；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京100083)

残矿资源回采是国内外面临的重大技术难题。目前，常见的残矿资源类型涵盖房柱法的点柱、嗣后充填法开采的二步矿柱和顶柱、崩落转充填隔离矿柱等类型。房柱法作为空场法的典型方法，因其采矿成本低、生产组织工序简单等优势在水平至缓倾斜稳固薄矿体开采得到了广泛应用，但该法依靠滞留矿柱支撑顶板和采空区，造成了矿产资源的极大浪费，损失率最高达30%以上。

国内专家和学者就房柱法或全面法矿柱回采开展了大量的研究工作[1-2]。余荣炳[3]等以金山金矿为工程背景，对房柱法矿柱提出了底盘漏斗或侧向放矿口全崩落回采方法并取得理想效果；吴洁葵[4]等针对空场法矿山采空区原生矿柱回采技术难题，采用人工矿柱替换原生矿柱的回收方案；贺小庆[5]以太白黄金矿矿柱回采及采空区处理为研究对象，确定采用抽采法进行，并成功回采矿柱矿石12.25万t，经济和设备效益显著；王庆军[6]等结合矿山地质条件和生产现状，通过工程地质调查确定了合理的矿柱回采顺序与矿柱回采方法，实现了矿柱安全高效回收的目的；其他学者就房柱法矿柱回采过程中的应力监测、空区探测及稳定性评价也开展了相应的研究工作[7-9]。

本文以南温河钨矿房柱法矿柱回采为工程背景，综合理论计算和数值模拟的研究手段，就房柱法人工混凝土假柱尺寸设计进行了论证，以期为今后南温河钨矿矿柱实现安全、高效和低成本回采提供科学的理论依据。

1 工程背景

南温河钨矿位于云南省文山州南南西方向的麻栗坡县，老君山钨锡多金属矿区的东部，钨矿床主要埋藏于平缓产状的矽卡岩层中，矿体厚度1.5～12 m，倾角小于15°，矿岩稳固性较好(f=12～14)，属于典型的缓倾斜薄至中厚稳固矿床，水文地质简单。

南温河钨矿隶属文山麻栗坡紫金钨业集团有限公司，下辖南温河、金玮和金源等矿区。南温河钨矿采用平硐+斜坡道联合开拓方式，矿体倾角5°～15°，矿体厚度1.5～12 m，矿体顶板出露为片麻岩，矿岩稳固性较好，目前主要采用房柱法进行开采。其中，6线区域遗留矿柱整体品位较高，平均品位0.8%以上(如图1所示)，考虑矿柱实现安全、高效和低成本回采具有十分显著的经济效益。

图1 采空区高品位矿柱Fig.1 High grade pillar in underground goaf

2 试验采场人工假柱尺寸理论计算

结合南温河钨矿高品位矿柱赋存条件和理论计算，经北京科技大学与南温河钨矿联合攻关，决定采用人工混凝土假柱替换法进行回采。

2.1 房柱法矿柱回采试验采场确定

试验采场选定南温河钨矿6线3号北采场(如图2所示)，试验采场包括矿柱21根、假柱6根。根据矿柱品位估算矿柱经济价值，当前有10个矿柱具有开采价值，分别是K12、K13、K14、K15、K18、K19、K20、K22、K24和K26。现场采空区探测工作见图2。

图2 试验采场矿柱分布图Fig.2 Pillar distribution map in trial stope

2.2 人工混凝土假柱形态确定

人工假柱的形状多种多样，较常见的为圆形和方形。结合南温河钨矿实际情况，考虑到人工假柱施工过程中模板架设困难，建议采用正方形人工假柱的形式。试验采场属于典型的较规律的点柱群采场，多排点柱矩阵式布置应用最为常见。因此，建议采用该种方式进行布置。

2.3 矿柱安全系数计算

矿柱安全系数是决定点柱稳定性的重要影响因素，是点柱岩体自身强度与外部载荷之间的关系。进行采场点柱尺寸和点柱间距的设计之前须进行点柱安全系数的计算。

采场点柱的安全系数N的大小由人工假柱受到的应力Q和点柱自身强度S决定，N计算公式为：

(1)

式中：N—矿柱安全系数(N<1时点柱处于稳定状态，N>1时点柱处于失稳破坏状态)；Q—点柱所受外部载荷，MPa；S—点柱自身极限抗压强度，MPa。

2.4 人工假柱载荷计算

因矿体埋深较浅，受构造应力作用相对较小。假设矿柱只承受上覆围岩的载荷作用，且施加的载荷平均分布到各个点柱上，则单个点柱受到的载荷应力Q为：

(2)

式中：Q—单一点柱受到的外部载荷，MPa；H—上覆围岩厚度，m；γ—上覆围岩容重，t/m3；A、B分别为点柱间沿两个方向的距离，m；R1和R2分别为点柱的长度和宽度，m。

2.5 人工假柱强度计算

人工假柱强度与构成矿柱的材料强度有关，在实际矿柱回采过程中主要承受压力。因此，这里的强度专指人工假柱的抗压强度。采用如下经验公式(3)计算人工假柱强度：

(3)

式中：S—人工假柱抗压强度，MPa；σC—人工假柱本身单轴抗压强度，MPa；R为人工假柱的截面宽，m；h—人工假柱的高度，m；α—常数，矿柱宽高比<5时取1，>5时取1.4。

2.6 人工假柱尺寸计算

结合南温河钨矿的实际情况进行人工假柱的尺寸设计，以单个矿柱作为研究对象来计算上覆岩层施加的载荷。南温河钨矿试验采场矿柱埋深在140～160 m，为保证计算结果的可靠性，选择最大埋深160 m作为计算标准，容重2.8 t/m3进行计算。此时：

人工假柱采用C25混凝土配合工字钢(槽钢)进行浇灌，按照以往经验，其抗压强度可按照45 MPa进行计算，南温河钨矿点柱的宽高比小于5，因此α取1，考虑到矿体倾角较缓，沿走向和倾向矿房跨度近乎相同，故A=B，正方形人工假柱，则R1=R2=R。

根据上式计算结果，可得到如下关系：

4.48A2<(22.4+1.575R)R2

根据构建的三维实体模型可知，试验采场内点柱跨度平均为11 m，则人工假柱尺寸应≥4.35 m。

3 房柱法矿柱回采工艺

3.1 假柱施工及顶板支护

施工前清洗人工假柱的顶底板区域，道砟清光，底板尽量水平；在顶底板对应位置施工2 m圆钢(Φ32 mm)，辅助固定工字钢与假柱；在对应位置布置工字钢(槽钢)，注意保证工字钢与顶底板接实，用圆钢将每排工字钢焊接(或用24#铁丝箍紧)相连；在工字钢外围0.5 m处采用木模或金属模板立模，使用混凝土泵送工艺，工程施工、人工配料、机械搅拌、翻斗式拖拉机或农用车装车运输物料、人工摊铺、插入式振动器振实、振动板提浆修整；混凝土物料拌合时应严格按照级配和配合比要求进行投放，用水量按设计的水灰比要求控制；混凝土拌制须采用机械方式搅拌均匀，并严格控制从出料、运输到铺筑完成时间在1 h以内；混凝土浇筑完成后需进行保湿养护，养护龄期不得少于20 d。

混凝土人工假柱的施工能有效控制顶板大变形和骤变冒落，由于矿柱直接顶板是片麻岩，揭露周期和跨度达到一定阈值后，冒落风险骤增。结合南温河钨矿实际情况，建议在跨度较大区域进行局部树脂锚杆+穿带(勾花网)的支护形式，穿带选用8～10 mm的钢筋编织而成，提高试验回采过程中的安全性。

3.2 凿岩、爆破

由CMS技术三维重构的矿柱模型，试验采场的矿柱整体呈现上下粗，中腰细，接近“X”的形态，横截面近圆形或椭圆形，腰部直径(或长轴与短轴平均值)尺寸介于2.82～4.62 m，顶底部直径(或长轴与短轴平均值)尺寸介于4.35～8.75 m。

南温河钨矿的凿岩设备以YT-28为主，设计采用YT-28进行凿岩，钻孔直径38～42 mm，炮孔布置如图3所示。采取定向抛掷微差爆破，采用小抵抗线、大孔距的爆破参数，炮孔双侧布置，两侧炮孔间夹角约为160°，矿柱中间的炮孔超前于上下炮孔起爆，矿柱中间的炮孔排距0.5 m，间距0.8 m，矿柱上下部分的炮孔排距0.8 m，间距1.0 m，炮孔深度2.5～4.0 m，根据矿柱规格而改变，矿柱上部炮孔的凿岩装药作业，在搭建的工作平台上进行。矿石抛掷方向根据现场的回采顺序而定，以人员设备的安全作业为前提，使矿石尽可能集中，便于提高出矿效率，矿柱要一次爆破成功，爆破参数要在现场适当调整，以达到最佳爆破效果。采用定向抛掷爆破技术，可以使爆破下来的矿石按预定方向堆积，而不至于飞散，以便于出矿，并且不会对相邻的矿柱和混凝土人工假柱造成破坏。

图3 矿柱回采炮孔设计图Fig.3 Blasting holes design of pillar

3.3 通风

由于采用房柱法开采，风流较为紊乱，爆破后有毒气体难以排出、粉尘难以沉降，建议试验采场内采用局扇进行强制通风。

3.4 矿石运输

目前南温河钨矿的主要出矿设备包括：2 m3的ZL40型装载机、坑内组装卡车，故矿石运输仍沿用该法。

3.5 采空区处理

南温河钨矿试验采场矿床整体厚度较小，倾角近水平，采用房柱法开采，原采空区依托遗留矿柱进行支撑，但在矿柱回采结束后，采空区依靠人工混凝土假柱进行采空区支撑。人工混凝土假柱和永久矿柱虽可支撑采空区，防止顶板冒落，但若空场滞留时间过长，支护及安全效果将会大大降低。由于南温河钨矿井下尚无充填系统，不能实现尾砂充填。从长远考虑，后退式回采矿柱时可以在矿柱回采结束后的采空区内倒入开拓废石充填采空区，并且在矿柱回采结束后封闭隔离采空区，将采空区潜在威胁分块化、集中化处理，彻底消除采空区对井下安全生产的威胁。

由于试验采场间连续性和矿岩稳定性条件均较好，形成了大量的连续性矿柱群，顶板或者矿柱破坏的危害性较大，冲击波容易引起相邻采场顶板的破坏，产生连锁反应。因此，推荐采用人工混凝土矿柱支撑法+封闭隔离联合处理采空区。

3.6 试验采场矿柱回采安全保障措施

1)矿柱回采遵循后退式回采，矿柱回采安全风险高、难度大，因此应进行高效凿岩、出矿和采空区处理的“三强”开采原则。对于尺寸较小的矿柱，尽量减少爆破次数，降低爆破震动对顶板及相邻人工假柱或原生矿柱的冲击破坏。

2)矿柱回采过程中，相应的监测手段是必不可少的。包括布置顶板离层仪、钻孔应力计等。获取试验采场真实数据，为今后矿柱回采大范围推广提供科学的数据参考。

4 试验采场矿柱回采经济效益预算

4.1 基于CMS的试验采场矿柱矿量计算

采用北京科技大学采购的Geosight CMS对试验采场内矿柱及采空区轮廓进行精细化扫描，将获取的数据导入3DMine软件内获取矿柱真实形态(如图4所示)，并采用实体模型工具报告试验采场矿柱矿量。经建模计算得到，试验采场内矿柱矿量共计4 328.242 t。

图4 试验采场采空区三维模型Fig.4 3D model of trial stope goaf

4.2 试验采场经济效益预算

结合3DMine得到的矿柱矿量，矿柱品位分布为0.4%～2.0%，按照矿柱采矿回收率90%，选矿回收率86%计算，65%钨精粉单价9.8万元计算，矿柱直接经济价值为495.37万元；人工假柱施工、采矿和选矿成本折合在内共计183.45万元，则利润为311.92万元。

5 结论

本文以南温河钨矿矿柱回采为工程背景，采用理论计算对人工混凝土假柱尺寸进行了理论计算，最后就矿柱回采工艺和经济效益开展了研究工作，得到的主要结论如下：

1)人工混凝土假柱经安全系数、载荷、强度等理论，试验采场内假柱尺寸进行了理论计算，设计人工假柱跨度平均为11 m，则人工假柱尺寸应不小于4.35 m。混凝土浇筑完成后需进行保湿养护，养护龄期不得少于20 d。

2)按照人工混凝土假柱置换法回采原生矿柱，按照矿柱采矿回收率90%，选矿回收率86%计算，试验采场回收矿柱矿石量3 895.417 t，矿柱直接经济价值为495.37万元；总成本共计183.45万元，利润311.92万元。

本文的研究结论能够为南温河钨矿房柱法矿柱回采奠定理论基础，也能够为国内外同类型矿山矿柱回采提供一定的理论依据。