《10礦柱支護采礦法的巖層控制》培訓課件

第十章礦柱支護采礦法的巖體控制

本章提要礦柱支護采礦法的巖體控制崩落采礦法的巖體控制礦柱支護采礦法的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律礦柱支護采礦法的礦壓控制方法

有較多的基本概念礦柱支護采礦法體系

本章特點

學習難點礦柱支護采礦法的基本特征：

根據(jù)礦體傾角的大小，將井田劃分成礦塊或盤區(qū)，在礦塊或盤區(qū)內(nèi)交替布置礦房和礦柱，回采礦房時，留規(guī)則的連續(xù)或間斷礦柱支撐頂板；如果礦房頂板為中等穩(wěn)固時還可以輔以錨桿支護，配合礦柱加強對頂板的支護效果。礦柱支護采礦法的應用范圍：

礦柱支護采礦法主要用于開采礦石和圍巖都穩(wěn)固的水平和緩傾斜礦體。除此，既可用于薄礦體，也可用來開采厚礦體和極厚礦體。10.1礦柱支護結構組成在生產(chǎn)采場之間設置承載物或礦柱，可以控制近場地層。礦柱支護體系的有效工作性狀與單個礦柱的大小和它在礦體中的位置有關，這些因素又直接與礦柱的承載力和礦柱所支護的巖體對礦柱施加的荷載有關。圖10.1采場近場圍巖及局部穩(wěn)定性控制以礦柱為基礎支護的采礦方法，在采礦過程中要控制整個采礦影響區(qū)域內(nèi)的巖體位移,就意味著要維持單個采場圍巖的局部穩(wěn)定性和對礦井近場區(qū)域內(nèi)位移進行的控制。采場的局部穩(wěn)定性和近場地層的控制可以作為獨立的設計問題來考慮。在礦體中設置礦柱導致了可采資源臨時性積壓或永久性浪費。一個經(jīng)濟的支護體系設計要求礦柱所占用的礦石最少，而又能滿足保證礦井結構整體穩(wěn)定性的要求。因此，在采礦實踐中為了取得對礦體的最大限度的、安全的和經(jīng)濟的開采，有必要對巖體性質(zhì)、單個礦柱和礦柱體系的工作狀態(tài)進行詳細的了解。了解巖體性質(zhì)、單個礦柱和礦柱體系工作狀態(tài)的必要性圖10.2房柱法開采布置示意圖圖10.2中所示的每個礦柱都是垂直礦柱。對于一個雙向受載或是雙向約束的礦柱來說，相應于受載尺寸較小的那個方向用來表示該礦柱的主要支護形式。圖10.3開采傾斜礦體的礦柱布置在圖10.3中，標號為A的礦塊是水平的橫向礦柱，而B則為水平的縱向礦柱。礦柱B也可稱作采場“1”的底柱或采場“2”的頂柱。如果縱向礦柱沿礦體的走向延伸達幾個礦塊，則這樣的礦柱稱為巷道礦柱。圖10.2和10.3所示的礦井支護結構存在的問題？在圖10.2和10.3中所示的礦井支護結構中，礦柱承受圍巖施加的應力而引起的破壞將導致近場巖體大范圍的垮落。如果未充填的采空區(qū)的面積很大，則這種垮落將有沿礦柱結構傳播的危險。解決辦法：一個礦體如果在二維方向上很大，則通過設置間隔礦柱把礦體劃分為幾個采礦區(qū)或盤區(qū)，就可以排除這種垮落的可能性。圖10.4即為這樣一個系統(tǒng)的平面布置圖10.4向兩側延伸的礦體間隔礦柱和盤區(qū)的布置圖10.4即為這樣一個系統(tǒng)的平面布置。這樣設計的間隔礦柱實際上是不可毀壞的，因此每個盤區(qū)可以看作是一個獨立采礦區(qū)域。這樣，任何垮落的最大范圍也只限于在那個盤區(qū)內(nèi)。很明顯，由于盤區(qū)礦柱與間隔礦柱工作特點不同，則用于盤區(qū)礦柱與間隔礦柱的設計原則相應有所不同。10.2礦柱支護從屬面積分析法在對礦井支護結構中的一組礦柱工作狀態(tài)進行分析和預測時，可以使用巖石力學中的多種計算方法來詳細確定整個巖體中的應力狀態(tài)。然而，通過以靜力平衡為基礎的簡單分析，我們?nèi)匀豢梢缘玫接嘘P礦柱體系工作特性的一些有益的認識。應用它我們可以建立支護單元中的平均應力，然后將這個平均應力與巖體的平均強度相比較，從而確定礦柱的穩(wěn)定性。

10.2.1從屬面積法分析礦柱中的平均應力圖10.5(a)所示為一具有均勻厚度的平伏狀礦體的橫剖面，用長礦房和留房間礦柱的方法開采。礦房和礦柱跨度分別為CXVBDFSG。圖(b)所示為一組足夠多的房、柱中有代表性的一部分。考慮在內(nèi)力作用下這個結構物的平衡，并在垂直于該剖面的方向上取為單位厚度。由圖(C)所示有代表性的隔離體的平衡方程為圖10.5礦柱穩(wěn)定性的從屬面積分析法或(10.1)式中——礦柱軸向平均應力；

——采礦前應力場的垂直向正應力分量。礦柱結構有代表性的隔離體寬度?？醋鳛樵摰V柱的從屬面積。因此，從屬面積法是一種用來估算礦柱平均軸向應力狀態(tài)的方法。開采一個具有均勻厚度的礦體時，有實際意義的量是面積采出比，其定義為：開采面積/礦體總面積。仍考慮c中有代表性的部分礦體，面積采出比也可寫為將上式代入（10.1）式(10.2)圖10.6

礦柱從屬面積分析法的幾何要素與上面分析方法類似，圖10.6所示的采礦平面布置（涉及到的礦柱平面尺寸為a，b，礦房跨度為c）也可用類似的方式處理。對于平面尺寸為的方形礦柱的情況，礦柱被尺寸為的礦房分開，方程（10.3）成為：典型礦柱的從屬面積具有平面尺寸(a+c)，(b+c)。因此，為滿足垂直方向上的靜力平衡條件，要求或

面積采出比為：（10.3）這與方程（10.2）式完全一樣當然，礦柱平均軸向應力仍與面積采出比相關（如方程（10.2）式）。（10.4）式（10.1），式（10.3）和式（8.4）表明，在可能的礦柱布置方式中礦柱的平均軸向應力狀態(tài)可以由礦房和礦柱的尺寸及采礦前的法向正應力分量直接算出。我們還可看到，對于任何幾何規(guī)則的采礦布置來說，礦柱平均軸向應力直接由面積開采比確定。分析：圖10.7礦柱應力集中系數(shù)與面積采出比關系礦柱的應力水平與面積采出比的關系示于圖10.7中。從圖中可以看到，當面積采出比大時，即使面積采出比有很小的增加，也將引起礦柱中應力的極大增加。例如當從0.90增加到0.91時，礦柱的應力集中系數(shù)從10.0增加到11.1。很明顯，礦柱中集中應力的這個特點在礦柱設計和采礦工程中具有重大的意義。它解釋了當采用天然礦柱支護法時面積采出比常常小于0.75的原因。

當?shù)陀诖酥禃r，隨的變化是很小的；當高于此值時，情況則相反。圖10.7的分析首先，礦柱軸向平均應力純粹是表示一個礦柱有平行于其主要約束方向上的受力狀態(tài)，它不能簡單地或很容易地與用精確的應力分析法所確定的礦柱應力狀態(tài)相聯(lián)系。其次，從屬面積分析法把我們的注意力限制在采礦前平行于礦柱支護體系的主軸方向的應力分量上，其中隱含的假設，即采礦前應力場的其它應力分量對礦柱的工作狀況無影響，會有一定誤差。最后，礦柱在礦體或盤區(qū)中的位置的影響也沒有考慮。當利用從屬面積法計算礦柱軸向應力時，須記住這種方法所隱含的限制。10.2.2礦柱強度分析

由于巖體中分布著裂隙、天然裂面和其它缺陷，礦柱大小對于其強度的影響是容易理解的。形狀的影響主要從三個方面加以考慮：

從屬面積法為礦柱軸向平均應力確定提供了一個簡單的方法。利用從屬面積法估算礦柱中受到的應力，進行礦柱原始工作狀態(tài)的分析表明，礦柱的強度與其大小和幾何形狀有關。幾個基本問題相鄰圍巖的制約，它是由于對礦柱側向膨脹的約束而在礦柱中產(chǎn)生的；礦柱體中應力場各分量不光是平行于其軸線方向分量的重分布；礦柱的破壞方式隨縱橫比（即寬/高比）的改變而變化。事實上，上述第二個原因暴露了從屬面積法本身的不足。Hardy和Agapito（1977）所指出，礦柱大小和幾何形狀對其強度的影響通?？捎梢粋€經(jīng)驗指數(shù)關系表達，即（10.5）式中，——描述礦體和礦體圍巖的強度參數(shù)；

——礦柱體積，寬度和高度；

a,b——反映礦體的地質(zhì)構造和巖石力學條件的參數(shù)。從（10.5）式可以看出，如果對一個礦體的單位立方體試塊進行強度試驗，則強度參數(shù)值直接測出。事實上，這種解釋是不正確的。因為式（10.5）兩邊的量綱不統(tǒng)一，正確的方法是在特定的力學環(huán)境下，對一組觀察到的礦柱破壞情況進行詳細分析后得出，或者是對典型礦柱進行仔細設計后的進行現(xiàn)場加載試驗而得。Cool，N.G.W等人（1971）描述過這種加載系統(tǒng)，就是在典型礦柱中部的切割槽中放入一組千斤頂加壓，由于保持了礦柱的端部自然邊界條件，通過這種加載系統(tǒng)得出的試驗結果是最為合適的。通過把方程（10.5）改寫成如下型式，可以得到礦柱大小和形狀對礦柱強度影響的另一表達式式（10.5）和式（10.6）中，基本強度參數(shù)和是不相等的，這是由于這兩個表達式中量綱不適當所致。對于橫剖面為方形的礦柱，指數(shù)是線性相關的。它們之間有如下的相關性：Hardy和Agapito（1977）提出了礦柱強度公式的另一表達式。從對西科羅拉多油頁巖礦柱工作性狀的研究中推出的相應的礦柱強度公式具有如下形式：應用這個公式時，簡便的方法是取一個比例關系，也就是確定一個己知形狀和大小的試樣的單軸壓縮強度并從下式估算礦柱強度：式中下標分別指礦柱p和s試樣。10.3礦房—礦柱布置設計礦柱支護法采礦布置設計應尋求獲得資源最大可能的采出比，同時又能保證礦房跨度內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性和對近場巖體的總體控制。在涉及到不規(guī)則的礦房——礦柱幾何布置的設計實踐中，人們通常熱衷于使用巖石力學中闡述過的計算方法中的某一個。這些方法可以用來確定各種采礦方案、各種幾何形狀的礦房——礦柱和不同開采順序的圍巖位移分布。然而，利用從屬面積法來研究礦房——礦柱設計和采礦布置還是有益的。既然在礦井支護結構具有幾何形態(tài)簡單的情況下，不同的設計分析方法的結果之間應該存在一致性，那么這樣做就是可行的。然后，從這樣一般性的研究中對礦井布置提出一些廣義的設計原則。問題的引出礦房-礦柱參數(shù)計算當應力分析的從屬面積法用于平伏層狀礦體的開采設計時，在設計計算中牽涉到5個參數(shù)?；緱l件：作用在垂直于礦柱平面方向上的場應力分量可以由巖石力學條件來確定，在設計過程中要確定的另外4個變量是開采或礦柱高度，礦房跨度，礦柱寬度和防止礦柱破壞的安全系數(shù)。盡管下面的討論僅考慮了邊長為的方形礦柱，但它同樣適用于長形的房間礦柱。如前所述，能夠確保礦房壁局部穩(wěn)定性的礦房跨度可以用適用于單個采場的設計方法來確定，也就是礦房跨度可以單獨地確定而與其它設計參數(shù)無關。

Salamon在對南非礦柱進行后分析時，得到了如圖10.8所示的數(shù)據(jù)。這個直方圖表明了礦柱破壞的頻率分布和保持穩(wěn)定的頻率分布，特別是完整礦柱性狀分布集中在從1.3到1.9的范圍內(nèi)。在這種情況下，建議的合理設計值為1.6。在其它采礦條件下，可以使用類似的方法來確定安全系數(shù)。安全系數(shù)選取能保證礦柱安全的合適的安全系數(shù)選擇需要基于工程經(jīng)驗。RF=1圖10.8南非礦柱完整和破壞頻率直方圖礦房礦柱尺寸確定上述工程經(jīng)驗表明，在設計階段剩下的待定參數(shù)是礦柱大小，開采高度。下面以具體實例來說明礦房礦柱尺寸確定的過程。一個2.5m厚的水平礦體位于地表下80m深處，上覆巖體容重為25KN/m3。初始采礦布置設計中礦房跨度為6m，礦柱為邊長5m的方形，全厚度開采。礦柱強度由下面經(jīng)驗公式確定：（10.7）式中S的單位為MPa，h和的單位為m。這個布置方案的從屬面積法分析如下：（a）采礦前的應力（b）礦柱平均軸向應力（c）礦柱強度（d）安全系數(shù)方案（2）、（3）的目的都是要提高礦柱的強度。修改這些方案，重新計算采礦幾何參數(shù)，以達到礦柱安全系數(shù)1.6。對于方案（1），（3），修改后的礦房跨度和高度可以直接得到；而對于方案（2），則得到一個關于的非線性方程，它可用牛頓-拉夫森（Newton-Raphson）迭代法求解，從這些計算可得到如下結果：分析由這種布置方案得出的較低的安全系數(shù)表明，有必要重新對礦房礦柱重新設計以達到所要求的1.6的安全系數(shù)。重新設計可選方案是（1）減少礦房跨度以降低了礦柱應力水平（2）增加礦柱寬度以提高礦柱強度（3）降低礦柱（或開采）高度。方案（1）方案（2）方案（3）由上述幾何尺寸所確定的每個采礦布置都滿足礦柱強度準則。然而，剩下的問題仍然是：哪個布置方案可以最大限度地開采礦體?很明顯，能夠保證安全并從礦體中開采的礦石量最大的那個采礦布置是理想的礦井采場設計?；诶觅Y源的觀點，方案（3）很明顯是不可取的，因為它意味著在整個礦區(qū)內(nèi)要么在礦體的頂板上，要么在礦體的底板上要留下一定厚度的礦石不能開采，如圖10.9（c）所示。從保證安全的觀點來看，方案（1），（2）都是允許的，如圖10.9a、b所示，基于開采資源的體積采出比，可以在這兩個方案中做出選擇。當然，在隨后的采礦階段中，如果礦柱要回收和在第一次采礦時不會出現(xiàn)嚴重問題的話，在這兩個方案中作出選擇時，還要考慮到施工和設計方面的其它問題。如果礦柱僅是部分回收，要仔細考慮礦房和礦柱的大小對于體積采出比的影響。Salamon（1967）曾仔細研究過這個問題，它特別適合于巖體強度低于原巖應力情況下厚煤層或礦體的開采。圖10.92.5m厚礦體中采礦設計的選擇采礦尺寸與礦石采出量對礦柱強度和軸向應力各個表達式的分析表明，礦柱的安全系數(shù)是礦柱大小，礦房跨度和礦柱高度（或礦體回采厚度）的函數(shù)，即：因目的是要確定采礦尺寸的，所以在任何一步回采作業(yè)中，都能保證礦柱支護力學上的完整性，并使得體積采出比最大。下面用作圖方法來說明這個目的是如何得以實現(xiàn)的?？紤]礦井結構中的一個典型部分，從一個平面尺寸為、高度為的礦塊中開采出來的礦石的體積為（10.8）當在這個礦塊的整個面積上開采時，為了獲得與上述相同的開采體積，也即在面積上，要開采一個稱之為等價開采高度的采礦高度。等價開采高度由表達式或（10.9）根據(jù)等價開采高度，可以很方便地計算出天然支護采礦的產(chǎn)量。在這種采礦中，礦體典型部分面積上的礦體被全部開采。這樣，采場幾何布置的任何改變，如能使這個開采高度增加，就表示采礦產(chǎn)量將會增加。可以這樣來對采場幾何形狀的改變效果進行評價，即考慮一個任何厚度的礦體，選定一個特定的礦房跨度和開采高度，并計算礦柱大小以滿足礦柱支護結構的安全系數(shù)要求（如前面的設計例題方案（2）中所討論過的那樣）。Salamon曾對開采深度為152m的現(xiàn)場條件所要求的安全系數(shù)為1.6進行過這種類型的工作，其結果示于圖10.10。圖中對于所選定的礦房跨度，把等價開采高度看作為實際開采高度的一個函數(shù)。從該圖可以看出，單獨地增加礦房跨度和實際開采高度都將導致等價開采高度的增加，因而也就導致了該礦體開采產(chǎn)量的增加。（a）開采高度為礦體的最大厚度（即全厚）；（b）以保證礦房幫壁局部穩(wěn)定性的最大礦房跨度開采。前面我們已經(jīng)說明，在礦柱支護采礦中如何獲得一個礦體的最大可能的開采量。從圖10.10b可以看到體積采出比是由等價開采高度和礦體厚度之比給出的，將式（10.9）代入后，得（10.10）如果下面的條件能同時得到滿足，則從礦體中開采的礦石量最大，同時又能保證礦柱體系的完整性。這些條件是：圖10.10

礦體產(chǎn)量、礦房跨度和實際開采高度之間的關系既然任何這樣的開采幾何布置都將能得到最大的開采量，對于礦體深度和厚度這樣的特定情況，最大體積采出比可以直接從方程（10.10）中計算，圖10.11所示為一組這樣的結果?？紤]下列假設情況：一組礦體厚為，其范圍從1.5m到6.0m，位于地表下的不同深度。假設礦房最大穩(wěn)定跨度為6.0m，上覆巖體容重為25KN/m3，礦柱強度由方程（10.7）確定。在每個礦體中，礦體的全厚度和礦房最大穩(wěn)定跨度可用來決定礦柱的平面尺寸，這個尺寸可以產(chǎn)生1.6的礦柱安全系數(shù)（前面所闡述過的初步設計例題中，方案（2）的方法可用來計算

）。

圖10.11

不同埋深和厚度礦體的最大體積開采比

3.05mWo=6.10mγ=25KNm-3

安全系數(shù)=1.6M=1.52m3.05m4.57m6.10m②當用完整礦柱支護法和一步回采法開采厚煤層或礦體時最大采出比可能較低，對于厚6m、埋深244m的煤層，從一步回采法所得到的產(chǎn)量將低于整個礦產(chǎn)資源的25%。從圖10.11中可以看到兩個特點:①對于任何礦體厚度，從礦柱支護采礦中所得到的最大安全開采量將隨著礦體埋深的增加而大大下降。因此，如果正在開采一個緩傾斜的礦體，則隨著采礦向下行，礦柱所占用的礦石量將逐漸增加。從這些基于礦柱設計的從屬面積法的探索性研究中，可以得出一些關于支護采礦法的一般性結論。首先，如果不進行礦柱回收，則礦柱的布置必須是基于礦房的最大的穩(wěn)定性跨度，以確保礦產(chǎn)資源最大限度的回收；其次，使用完整、彈性礦柱的完全支護法，由于經(jīng)濟上的原因，僅限于低地應力的情況，或是礦柱強度高的情況；最后，相當厚的煤層和強度低的礦體也許可以更適當和更有效地采用幾個開采階段