第七章礦柱支護采礦法的巖體控制

1、礦柱支護采礦法在生產(chǎn)采場之間設置礦柱，以有效地控制近場地層,防第七章止地表塌陷, 滿足環(huán)境保護的要求。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，要對礦柱支護采礦法的巖層控制問題進行研究。本章主要內(nèi)容包括礦柱支護結(jié)構(gòu)組成、礦柱支護能力分析方法、礦房礦柱布置設計和礦柱支護條件下頂?shù)装宓姆€(wěn)定性分析。礦柱支護采礦法的巖體控制7.1 礦柱支護結(jié)構(gòu)組成7.2 礦柱支護能力分析7.2.1 礦柱平均應力從屬面積法分析法7.2.2 礦柱強度分析7.3 礦房礦柱布置設計7.3.1 礦房礦柱參數(shù)計算7.3.2 采礦尺寸與礦石采出量7.4 礦柱支護條件下頂?shù)装宸€(wěn)定性分析礦柱支護采礦法是根據(jù)礦體傾角的

2、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，這就是礦柱支護采礦法的基本特征。由于礦柱支護采礦法屬于部分回采, 能夠有效地控制覆巖移動, 減少地表移動和變形, 特別適合于不能搬遷又不便加固維修的密集建筑物下采礦。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。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。礦柱支護法既可用于薄礦體，也可用來開采厚礦體和極厚礦體。7.1 礦柱支護結(jié)構(gòu)組成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

3、穩(wěn)定性和對礦井近場區(qū)域內(nèi)位移進行控制。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。如圖7.1所示。在生產(chǎn)采場之間設置承載物或礦柱，可以控制近場地層。礦柱支護體系是否處于有效工作性狀與單個礦柱的大小及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7.1 采場近場圍巖及局部穩(wěn)定性控制另一方面，在礦體中留設礦柱將導致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礦井結(jié)構(gòu)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

4、狀態(tài)進行討論。圖7.2 房柱法開采布置示意圖圖7.3 開采傾斜礦體的礦柱布置圖7.2中所示的每個礦柱都是垂直礦柱。在圖7.3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。在圖7.2和圖7.3中所示的礦井支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)傳播的危險。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7.4即為這樣一個系

5、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。圖7.4 向兩側(cè)延伸的礦體間隔礦柱和盤區(qū)的布置7.2 礦柱支護能力分析在對礦井支護結(jié)構(gòu)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

6、的穩(wěn)定性。 7.2.1 礦柱平均應力的從屬面積分析法圖7.5（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和。圖7.5（b）所示為一組足夠多的房、柱中有代表性的一部分?？紤]在內(nèi)力作用下這個結(jié)構(gòu)物的平衡，并在垂直于該剖面的方向上取單位厚度。由圖7.5（c）所示有代表性的隔離體的平衡方程為:或 （7.1）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(jié)構(gòu)有代表性的隔離體寬度()常看作為該礦柱的從屬面積。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

7、采面積/礦體總面積。圖7.5 礦柱穩(wěn)定性的從屬面積分析法（已手改）如圖7.5（c）所示，考慮有代表性的部分礦體，面積采出比也可寫為 （7.2）因此 （7.3）將式（7.3）代入式（7.1），有 （7.4）圖7.6 礦柱從屬面積分析法的幾何要素與上面分析方法類似，圖7.6所示的采礦平面布置（涉及到的礦柱平面尺寸a、b、礦房跨度為c）也可用類似的方式處理。典型礦柱的從屬面積具有平面尺寸、。因此，為滿足垂直方向上的靜力平衡條件，要求或 （7.5） 面積采出比為： （7.6）對式（7.5）作簡單的處理得到下式： （7.7）式（7.7）與式（7.4）完全一樣。對于平面尺寸為的方形礦柱的情況，礦柱被尺寸為

8、的礦房分開，式（7.5）可寫為 （7.8）當然，礦柱平均軸向應力仍與面積采出比相關，見式（7.4）。式（7.1）、（7.5）和式（7.8）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。礦柱的應力水平與面積采出比的關系見圖7.7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

9、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。當面積采出比低于0.75時， 的變化很小；當面積采出比高于0.75時， 的變化很大。圖7.7 礦柱應力集中系數(shù)與面積采出比關系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。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，其中隱含假設采礦前應力場的其它應力分量對礦柱的工作狀況無影響，這樣會有一定誤差。最后，礦柱在礦體或

10、盤區(qū)中的位置的影響也沒有考慮。7.2.2 礦柱強度分析 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。由于巖體中分布著裂隙、天然裂面和其它缺陷，礦柱大小對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： 相鄰圍巖的制約，它是由于對礦柱側(cè)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垂直于其軸線方向的分量；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。正如Hardy和Agapito（1977）所指出，礦柱大小和幾何

11、形狀對其強度的影響通常可由一個經(jīng)驗指數(shù)關系表達，即 （7.9）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(gòu)造和巖石力學條件的參數(shù)。從式（7.9）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。事實上，這種解釋是不正確的。因為式（7.9）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，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并加壓，由于保持了礦柱的端部自然邊界條件，通過這種加

12、載系統(tǒng)得出的試驗結(jié)果是最為合適的。通過把式（7.9）改寫成如下形式，可以得到礦柱大小和形狀對礦柱強度影響的另一表達式 (7.10)式（7.9）和（7.10）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同所致。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： ， （7.11）表7.1 基于礦柱尺寸和形狀的礦柱強度指標經(jīng)驗取值來源ab備注Salamon和Munro (1967)-0.660.160.46-0.0670.0480.590.14南非煤層，現(xiàn)場破壞Greenwald等（1939）-0.830.50-0.1110.72匹茲堡煤層，模型試驗Steart(195

13、4);Holland和Gaddy(1957)-1.000.50-0.1670.83西弗吉尼亞實驗室試驗Skinner(1959)-0.079硬石膏實驗室試驗Salamon和Munro（1967）總結(jié)了由各種渠道獲得的方形截面礦柱強度指數(shù)的一些估計值，這些值列于表7.1中。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： （7.12）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單軸壓縮強度，并從下式估算礦柱強度： （7.13）式中 下標p和s指礦柱和試樣。7.3

14、礦房礦柱布置設計 礦柱支護采礦法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。7.3.1 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)：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

15、度h、礦房跨度W0、礦柱寬度Wp和防止礦柱破壞的安全系數(shù)F。盡管下面的討論僅考慮了邊長為Wp的方形礦柱，但它同樣適用于長形的礦柱。如前所述，能夠保證礦房房壁局部穩(wěn)定性的礦房跨度可以用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。（1）安全系數(shù)選取能保證礦柱安全的合適的安全系數(shù)的選擇需要基于工程經(jīng)驗。 Salamon在對南非礦柱進行分析時，得到了如圖7.8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F從1.31.9的范圍內(nèi)。在這種情況下，建議F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)

16、。RRF=1圖7.8 南非礦柱完整和破壞頻率直方圖（已手改）（2）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Wp，開采高度h。下面以具體實例來說明礦房礦柱尺寸確定的過程。例如，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，其礦柱強度由下面經(jīng)驗公式確定： （7.14）這個布置方案的從屬面積法分析如下：采礦前的應力 礦柱平均軸向應力 礦柱強度 安全系數(shù) 為了達到安全系數(shù)F1.6的基本要求，重新設計可選方案是：方案一，減少礦房跨度以降低了礦柱應力水平；方案二，增加礦柱寬度以提高

17、礦柱強度；方案三，降低礦柱（或開采）高度。方案二、方案三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)，都是達到礦柱安全系數(shù)1.6的途徑。對于方案一、方案三，修改后的礦房跨度和高度可以直接得到；而對于方案二，則得到一個關于Wp的非線性方程，它可用牛頓-拉夫森（Newton-Raphson）迭代法求解，可得到如下結(jié)果： 方案一： 方案二： 方案三： 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。基于充分利用資源的觀點，方案三很明顯是

18、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7.9（c）所示。從保證安全的觀點來看，方案一，方案二都是允許的，如圖7.9（a）、（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。 (a) (b) (c)圖7

19、.9 2.5m厚礦體開采設計的選擇 （a） （b）圖7.10 部分開采和等效體積開采7.3.2 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)F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： （7.15）其目的是要確定采礦尺寸的，h，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(jié)構(gòu)中的一個典型部分，如圖7.10（a），從一個平面尺寸為、高度為h的礦塊中開采出來的礦石的體積為 （7.16）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

20、，要開采一個稱之為等價開采高度的采礦高度，如圖7.10（b）。等價開采高度由式（7.17）確定?；?（7.17）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?nèi)缒苁惯@個開采高度增加，就表示采礦產(chǎn)量將會增加?？梢赃@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(jié)構(gòu)的安全系數(shù)要求（如前面的設計例題方案二中所討論過的那樣）。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(jié)果見圖7.11。

21、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。因此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：開采高度為礦體的最大厚度（即全厚）；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，在礦柱支護采礦法中如何獲得一個礦體的最大可能的開采量。從圖7.10（b）可以看到體積采出比R是由等價開采高度和礦體厚度M之比給出的，將式（7.17）代入后，得 （7.18）深度，Z=152.4m安全系數(shù)=1.6=2.

22、5KNm-3W0=3.05mW0=4.27mW0=5.49mW0=6.71mW0=7.93mW0=9.15m圖7.11 礦體產(chǎn)量、礦房跨度和實際開采高度之間的關系考慮假設的下列情況：一組礦體厚為M，其范圍從1.5m6.0m，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，礦柱強度由方程式（7.14）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，方案二的方法可用來計算）。如果任何開采幾何布置都將能得到最大的開采量，最大體積采出比R可以直接從方程式（7.18）中計算

23、，圖7.12為一組結(jié)果。M=6.10mM=4.57mM=3.05mM=1.52mW0=6.10m安全系數(shù)=1.6=2.5KNm-3圖7.12 不同埋深和厚度礦體的最大體積開采比從圖7.12中可以看到兩個特點：對于任何礦體厚度，從礦柱支護采礦法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，則隨著采礦下行開采，礦柱所占用的礦石量將逐漸增加。二是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，可以得出一些關于礦柱支護采礦法的一般性結(jié)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（這些開采階段本身基于不同的設計原理），而不是在礦柱支護采礦法的一個階段中進行開采。在支護法采礦布置的可行性研究和初步設計中，選擇恰當?shù)牡V柱強度公式、有關的特征強度參數(shù)值和比例指數(shù)至關重要。合理的方法是利用式（7.9）來估算礦柱強度，可以用巖體單軸抗壓強度來代替，指數(shù)