普通房柱法采礦對(duì)礦柱穩(wěn)定性分析

1、普通房柱法采礦對(duì)礦柱穩(wěn)定性分析摘要： 本文通過(guò)對(duì)錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司南 礦的開(kāi)采歷史、現(xiàn)狀及地壓巖移活動(dòng)分析，對(duì)該礦普通房柱 法采礦礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。Abstract ： Through analysis of the history ， current situation and ground pressure rock movement activities of south ore of Hsikwang Shan Twinkling Star Co. ， Ltd. ， this article analyzes the pillar stability in common h

2、ome-and-pillar mining method.關(guān)鍵詞： 南礦；房柱法；地壓；礦柱變形性；平均應(yīng) 力；臨界尺寸；礦柱強(qiáng)度Key words ： south ore； room-and-pillar method ； ground pressure；pillar deformation ；average stress；critical dimension ； pillar strength中圖分類(lèi)號(hào)： TD851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1006-4311（ 2014） 18-0054-020 引言 對(duì)于錫礦山南礦來(lái)說(shuō)，主要是對(duì)飛水巖礦床進(jìn)行開(kāi)采。自 1897 年開(kāi)采飛水巖礦床以

3、來(lái)，至今已 117 年，受各種因 素的影響，解放前的開(kāi)采方式為采富棄貧，亂采濫挖，造成 大規(guī)模的空區(qū)，并且采完后沒(méi)有進(jìn)行任何的處理，因此頻繁 發(fā)生冒頂事故，礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。解放以 后，采用房柱采礦法對(duì)錫礦山進(jìn)行開(kāi)采，使得采空區(qū)的面積 逐漸增大，甚至許多采空區(qū)連成一體，引發(fā)急劇地壓活動(dòng)， 大面積的地壓活動(dòng)先后層發(fā)生過(guò)三次，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)； 因此怎樣合理確定礦房與礦柱的尺寸和方式也是保證礦山 安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。1 房柱法礦柱穩(wěn)定性分析受礦體開(kāi)采的影響，將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布、增加礦柱 荷載，如圖 1 所示。與原巖強(qiáng)度相比，如果礦柱應(yīng)力狀態(tài)較 高，當(dāng)?shù)V柱發(fā)生破裂時(shí)，礦柱峰值承載能力成為

4、采礦關(guān)注的 重點(diǎn)。礦柱的絕對(duì)或相對(duì)大小直接影響礦柱對(duì)采礦所引起荷 載的整體響應(yīng)。礦柱巖體的地質(zhì)構(gòu)造和圍巖對(duì)礦柱所施加的 表面約束特性，如圖 2 所示。需要指出，在外載荷達(dá)極限值時(shí)，礦柱可能出現(xiàn)破裂， 其全部的承載能力不會(huì)立即喪失，其發(fā)展結(jié)果有：破壞不 再發(fā)展，礦柱繼續(xù)保持穩(wěn)定：隨其下沉變形，如果頂板載荷 迅速降低，那么礦柱依然可以借助殘余強(qiáng)度支承地壓。礦 柱的破壞繼續(xù)發(fā)展直至喪失穩(wěn)定：隨頂板的下沉，如果頂板 載荷變化很小，那么頂板殘余強(qiáng)度不足以支承地壓，故礦柱 一旦屈服或破裂，必然一直發(fā)展至完全坍塌為止。2 影響礦柱穩(wěn)定性因素礦柱受載大小。礦柱寬高比：寬高比大的礦柱穩(wěn)定 性好。礦房尺寸與礦柱尺

5、寸。構(gòu)造因素：對(duì)空?qǐng)黾暗V柱 中的結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析。礦柱自身的強(qiáng)度。3 計(jì)算礦柱穩(wěn)定性方法 研究礦柱的力學(xué)性能，正確進(jìn)行礦柱設(shè)計(jì)，需解決作用 于礦柱上的荷載、礦柱中的應(yīng)力分布和礦柱自身強(qiáng)度等問(wèn) 題。3.1 礦柱的平均應(yīng)力 巖柱的底面積 S 即是按巖柱分?jǐn)?的開(kāi)采面積與礦柱自身面積之和，由此計(jì)算礦柱的平均應(yīng) 力。如圖 3 所示，礦柱平均應(yīng)力為：a p=pz (1+wo/wp ) 2=rz (1+wo/wp ) 2式中：r巖石容重；z埋藏深度；wo , wp 分別為礦房和礦柱的寬度。圖 4 列出了兩種不同的礦柱布置方式中平 均應(yīng)力的計(jì)算公式。在所有情況下， a p 值均用一個(gè)單獨(dú)礦 柱上巖柱的重量與該

6、礦柱的平面圖面積之比來(lái)表示。3.2礦柱強(qiáng)度 Bunting公式(1911年)。煤巖的單軸抗 壓強(qiáng)度是早期巖石力學(xué)研究首先探討的問(wèn)題之一。 Bunting 最早提出了計(jì)算煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式： SP=SL0.7+0.3(Wp/h ),式中：Sp礦柱的強(qiáng)度， MPa; SL 礦巖強(qiáng)度 參數(shù)，MPa; Wp 礦柱的寬度，m; h礦柱的高度，m。 Bieniawski 公式( 1968 年)。 Bieniawski ( 1968 年， 1975 年) 與 Van Heerden（ 1975 年）通過(guò)對(duì)南非 Witbank 煤柱寬高比 為0.534的66個(gè)煤柱試件的大規(guī)模原位測(cè)試求出的煤柱強(qiáng) 度計(jì)算公式如

7、下：SP=SL?0.64+0.36 （Wp/h ），上式中用了 “臨界尺寸（ Critical size ）”的概念，即：當(dāng)試塊的尺寸超過(guò) “臨界尺寸” 以后，試塊的強(qiáng)度將不再隨尺寸的增加而減小。1981 年， Bieniawski 再次推薦的煤柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為： SP=SL?0.64+0.36 （Wp/h ） a。式中：a常數(shù)；進(jìn)行的試 驗(yàn)研究表明：當(dāng)煤柱的寬高比大于5時(shí)，a =1.4 ;而當(dāng)煤柱的寬高比小于 5 時(shí)， a =1.0。3.3 礦柱安全系數(shù)的選取房柱式開(kāi)采（不回收礦柱）：安全系數(shù)ks=1.5;主要巷道 礦柱以及回收礦柱：安全系數(shù)ks=2.0;邊界礦柱：安全系數(shù)ks=2.5。南礦

8、采用普通房柱式開(kāi)采時(shí)，采場(chǎng)開(kāi)采結(jié)束后，采 用廢石及尾砂進(jìn)行充填，采場(chǎng)礦柱僅需保持開(kāi)采期間穩(wěn)定， 因此，取礦柱安全系數(shù) ks=1.5。4 錫礦山南礦普通房柱法 ?場(chǎng)設(shè)計(jì)錫礦山南礦采用的普通房柱法適用條件為：一般在頂 板比較穩(wěn)固， 中厚以上礦體中使用。 頂板為矽化灰?guī)r或灰?guī)r， 比較穩(wěn)固，傾角一般為 1020 ,個(gè)別不大于30 。礦 塊構(gòu)成要素為：礦塊垂直走向布置，每隔 4 6 個(gè)礦塊劃為 一個(gè)采（盤(pán)）區(qū)，采區(qū)之間一般留連續(xù)式礦柱（即礦壁） 。 礦塊之間留規(guī)則的長(zhǎng)方形礦柱，礦柱尺寸為5m x 7m，礦柱的間距為6m。礦房寬度視礦體頂板的穩(wěn)固性而定，一般為 815m，礦房沿傾斜長(zhǎng)度一般為60m左右。礦

9、柱回采及采空區(qū)處理：普通房柱法采礦不能及時(shí)回收礦柱，規(guī)則礦柱 很多都是作為永久礦柱而留下來(lái)了，條件允許的情況下連續(xù) 礦柱可以進(jìn)行適當(dāng)回采，采空區(qū)主要采用矸石及尾砂充填處 理。5 南礦礦柱穩(wěn)定性分析 根據(jù)錫礦山南礦普通房柱法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦巖室內(nèi) 力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，采用 Bieniawski 公式進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性安全系 數(shù)計(jì)算，計(jì)算取礦柱寬度為5m，長(zhǎng)度為7m，礦柱間距6m,礦房寬度為815m，高度為38m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào) 查和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果，礦巖的體積裂隙數(shù)為 510 條 /m3，巖體完整性指數(shù) Kv為0.550.75，巖體準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度可 用巖體完整性系數(shù) Kv 與巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度 Rc

10、 的乘積表 示，因此，可取礦柱的抗壓強(qiáng)度為100MPa，上覆巖層容重26.7kN/m3 ，埋深自 200m600m。計(jì)算結(jié)果如表 1表 3。根據(jù)上述礦柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析得出： 目前，錫礦山采用的普通房柱法時(shí)，一般用于緩傾斜礦 體，礦體厚度小于 8m，在采場(chǎng)頂板留12m護(hù)頂?shù)V層，礦 塊之間留規(guī)則的長(zhǎng)方形礦柱，礦柱尺寸為5m x 7m，礦柱的間距為6m，礦房寬度為815m。當(dāng)埋深小于 400m時(shí)，礦 房寬度小于 12m 時(shí)，礦柱安全系數(shù)大于 1.5，礦柱能起到支 撐頂板的作用；目前 25中段埋深約為450m,根據(jù)礦山采用 的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如在深部中段采用普通房柱法開(kāi)采過(guò)程中 繼續(xù)沿用上部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，有可能產(chǎn)生礦柱失穩(wěn)，造成頂 板垮塌等情況。6 結(jié)束語(yǔ) 錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司南礦，在深部中段開(kāi)采 時(shí)，應(yīng)優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)， 減少房柱法采場(chǎng)的回采作業(yè)時(shí)間， 防止礦柱失穩(wěn)，在采場(chǎng)回采結(jié)束后必須采用矸石及尾砂及時(shí) 充填處理采空區(qū)， 使 ?區(qū)及地表位移沉降得到有效控制，確保礦山作業(yè)人