《10礦柱支護(hù)采礦法的巖層控制》培訓(xùn)課件

第十章礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制

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

有較多的基本概念礦柱支護(hù)采礦法體系

本章特點(diǎn)

學(xué)習(xí)難點(diǎn)礦柱支護(hù)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(shí)，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(shí)還可以輔以錨桿支護(hù)，配合礦柱加強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)效果。礦柱支護(hù)采礦法的應(yīng)用范圍：

礦柱支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)組成在生產(chǎn)采場之間設(shè)置承載物或礦柱，可以控制近場地層。礦柱支護(hù)體系的有效工作性狀與單個(gè)礦柱的大小和它在礦體中的位置有關(guān)，這些因素又直接與礦柱的承載力和礦柱所支護(hù)的巖體對(duì)礦柱施加的荷載有關(guān)。圖10.1采場近場圍巖及局部穩(wěn)定性控制以礦柱為基礎(chǔ)支護(hù)的采礦方法，在采礦過程中要控制整個(gè)采礦影響區(qū)域內(nèi)的巖體位移,就意味著要維持單個(gè)采場圍巖的局部穩(wěn)定性和對(duì)礦井近場區(qū)域內(nèi)位移進(jìn)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(dú)立的設(shè)計(jì)問題來考慮。在礦體中設(shè)置礦柱導(dǎo)致了可采資源臨時(shí)性積壓或永久性浪費(fèi)。一個(gè)經(jīng)濟(jì)的支護(hù)體系設(shè)計(jì)要求礦柱所占用的礦石最少，而又能滿足保證礦井結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的要求。因此，在采礦實(shí)踐中為了取得對(duì)礦體的最大限度的、安全的和經(jīng)濟(jì)的開采，有必要對(duì)巖體性質(zhì)、單個(gè)礦柱和礦柱體系的工作狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的了解。了解巖體性質(zhì)、單個(gè)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(gè)礦柱都是垂直礦柱。對(duì)于一個(gè)雙向受載或是雙向約束的礦柱來說，相應(yīng)于受載尺寸較小的那個(gè)方向用來表示該礦柱的主要支護(hù)形式。圖10.3開采傾斜礦體的礦柱布置在圖10.3中，標(biāo)號(hào)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(dá)幾個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)存在的問題？在圖10.2和10.3中所示的礦井支護(hù)結(jié)構(gòu)中，礦柱承受圍巖施加的應(yīng)力而引起的破壞將導(dǎo)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(xiǎn)。解決辦法：一個(gè)礦體如果在二維方向上很大，則通過設(shè)置間隔礦柱把礦體劃分為幾個(gè)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(gè)系統(tǒng)的平面布置圖10.4向兩側(cè)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(gè)系統(tǒng)的平面布置。這樣設(shè)計(jì)的間隔礦柱實(shí)際上是不可毀壞的，因此每個(gè)盤區(qū)可以看作是一個(gè)獨(dú)立采礦區(qū)域。這樣，任何垮落的最大范圍也只限于在那個(gè)盤區(qū)內(nèi)。很明顯，由于盤區(qū)礦柱與間隔礦柱工作特點(diǎn)不同，則用于盤區(qū)礦柱與間隔礦柱的設(shè)計(jì)原則相應(yīng)有所不同。10.2礦柱支護(hù)從屬面積分析法在對(duì)礦井支護(hù)結(jié)構(gòu)中的一組礦柱工作狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測時(shí)，可以使用巖石力學(xué)中的多種計(jì)算方法來詳細(xì)確定整個(gè)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。然而，通過以靜力平衡為基礎(chǔ)的簡單分析，我們?nèi)匀豢梢缘玫接嘘P(guān)礦柱體系工作特性的一些有益的認(rèn)識(shí)。應(yīng)用它我們可以建立支護(hù)單元中的平均應(yīng)力，然后將這個(gè)平均應(yīng)力與巖體的平均強(qiáng)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(yīng)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(gè)結(jié)構(gòu)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(yīng)力；

——采礦前應(yīng)力場的垂直向正應(yīng)力分量。礦柱結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)的方法。開采一個(gè)具有均勻厚度的礦體時(shí)，有實(shí)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(duì)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(dāng)然，礦柱平均軸向應(yīng)力仍與面積采出比相關(guān)（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(yīng)力狀態(tài)可以由礦房和礦柱的尺寸及采礦前的法向正應(yīng)力分量直接算出。我們還可看到，對(duì)于任何幾何規(guī)則的采礦布置來說，礦柱平均軸向應(yīng)力直接由面積開采比確定。分析：圖10.7礦柱應(yīng)力集中系數(shù)與面積采出比關(guān)系礦柱的應(yīng)力水平與面積采出比的關(guān)系示于圖10.7中。從圖中可以看到，當(dāng)面積采出比大時(shí)，即使面積采出比有很小的增加，也將引起礦柱中應(yīng)力的極大增加。例如當(dāng)從0.90增加到0.91時(shí)，礦柱的應(yīng)力集中系數(shù)從10.0增加到11.1。很明顯，礦柱中集中應(yīng)力的這個(gè)特點(diǎn)在礦柱設(shè)計(jì)和采礦工程中具有重大的意義。它解釋了當(dāng)采用天然礦柱支護(hù)法時(shí)面積采出比常常小于0.75的原因。

當(dāng)?shù)陀诖酥禃r(shí)，隨的變化是很小的；當(dāng)高于此值時(shí)，情況則相反。圖10.7的分析首先，礦柱軸向平均應(yīng)力純粹是表示一個(gè)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(yīng)力分析法所確定的礦柱應(yīng)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(hù)體系的主軸方向的應(yīng)力分量上，其中隱含的假設(shè)，即采礦前應(yīng)力場的其它應(yīng)力分量對(duì)礦柱的工作狀況無影響，會(huì)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(dāng)利用從屬面積法計(jì)算礦柱軸向應(yīng)力時(shí)，須記住這種方法所隱含的限制。10.2.2礦柱強(qiáng)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(duì)于其強(qiáng)度的影響是容易理解的。形狀的影響主要從三個(gè)方面加以考慮：

從屬面積法為礦柱軸向平均應(yīng)力確定提供了一個(gè)簡單的方法。利用從屬面積法估算礦柱中受到的應(yīng)力，進(jìn)行礦柱原始工作狀態(tài)的分析表明，礦柱的強(qiáng)度與其大小和幾何形狀有關(guān)。幾個(gè)基本問題相鄰圍巖的制約，它是由于對(duì)礦柱側(cè)向膨脹的約束而在礦柱中產(chǎn)生的；礦柱體中應(yīng)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(shí)上，上述第二個(gè)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(duì)其強(qiáng)度的影響通?？捎梢粋€(gè)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)關(guān)系表達(dá)，即（10.5）式中，——描述礦體和礦體圍巖的強(qiáng)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(xué)條件的參數(shù)。從（10.5）式可以看出，如果對(duì)一個(gè)礦體的單位立方體試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，則強(qiáng)度參數(shù)值直接測出。事實(shí)上，這種解釋是不正確的。因?yàn)槭剑?0.5）兩邊的量綱不統(tǒng)一，正確的方法是在特定的力學(xué)環(huán)境下，對(duì)一組觀察到的礦柱破壞情況進(jìn)行詳細(xì)分析后得出，或者是對(duì)典型礦柱進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)后的進(jìn)行現(xiàn)場加載試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(duì)礦柱強(qiáng)度影響的另一表達(dá)式式（10.5）和式（10.6）中，基本強(qiáng)度參數(shù)和是不相等的，這是由于這兩個(gè)表達(dá)式中量綱不適當(dāng)所致。對(duì)于橫剖面為方形的礦柱，指數(shù)是線性相關(guān)的。它們之間有如下的相關(guān)性：Hardy和Agapito（1977）提出了礦柱強(qiáng)度公式的另一表達(dá)式。從對(duì)西科羅拉多油頁巖礦柱工作性狀的研究中推出的相應(yīng)的礦柱強(qiáng)度公式具有如下形式：應(yīng)用這個(gè)公式時(shí)，簡便的方法是取一個(gè)比例關(guān)系，也就是確定一個(gè)己知形狀和大小的試樣的單軸壓縮強(qiáng)度并從下式估算礦柱強(qiáng)度：式中下標(biāo)分別指礦柱p和s試樣。10.3礦房—礦柱布置設(shè)計(jì)礦柱支護(hù)法采礦布置設(shè)計(jì)應(yīng)尋求獲得資源最大可能的采出比，同時(shí)又能保證礦房跨度內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性和對(duì)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(shè)計(jì)實(shí)踐中，人們通常熱衷于使用巖石力學(xué)中闡述過的計(jì)算方法中的某一個(gè)。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(shè)計(jì)和采礦布置還是有益的。既然在礦井支護(hù)結(jié)構(gòu)具有幾何形態(tài)簡單的情況下，不同的設(shè)計(jì)分析方法的結(jié)果之間應(yīng)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(duì)礦井布置提出一些廣義的設(shè)計(jì)原則。問題的引出礦房-礦柱參數(shù)計(jì)算當(dāng)應(yīng)力分析的從屬面積法用于平伏層狀礦體的開采設(shè)計(jì)時(shí)，在設(shè)計(jì)計(jì)算中牽涉到5個(gè)參數(shù)?；緱l件：作用在垂直于礦柱平面方向上的場應(yīng)力分量可以由巖石力學(xué)條件來確定，在設(shè)計(jì)過程中要確定的另外4個(gè)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(gè)采場的設(shè)計(jì)方法來確定，也就是礦房跨度可以單獨(dú)地確定而與其它設(shè)計(jì)參數(shù)無關(guān)。

Salamon在對(duì)南非礦柱進(jìn)行后分析時(shí)，得到了如圖10.8所示的數(shù)據(jù)。這個(gè)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(shè)計(jì)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(yàn)。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(yàn)表明，在設(shè)計(jì)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(shí)例來說明礦房礦柱尺寸確定的過程。一個(gè)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(shè)計(jì)中礦房跨度為6m，礦柱為邊長5m的方形，全厚度開采。礦柱強(qiáng)度由下面經(jīng)驗(yàn)公式確定：（10.7）式中S的單位為MPa，h和的單位為m。這個(gè)布置方案的從屬面積法分析如下：（a）采礦前的應(yīng)力（b）礦柱平均軸向應(yīng)力（c）礦柱強(qiáng)度（d）安全系數(shù)方案（2）、（3）的目的都是要提高礦柱的強(qiáng)度。修改這些方案，重新計(jì)算采礦幾何參數(shù)，以達(dá)到礦柱安全系數(shù)1.6。對(duì)于方案（1），（3），修改后的礦房跨度和高度可以直接得到；而對(duì)于方案（2），則得到一個(gè)關(guān)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(jì)算可得到如下結(jié)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(duì)礦房礦柱重新設(shè)計(jì)以達(dá)到所要求的1.6的安全系數(shù)。重新設(shè)計(jì)可選方案是（1）減少礦房跨度以降低了礦柱應(yīng)力水平（2）增加礦柱寬度以提高礦柱強(qiáng)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(gè)采礦布置都滿足礦柱強(qiáng)度準(zhǔn)則。然而，剩下的問題仍然是：哪個(gè)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(gè)采礦布置是理想的礦井采場設(shè)計(jì)?；诶觅Y源的觀點(diǎn)，方案（3）很明顯是不可取的，因?yàn)樗馕吨谡麄€(gè)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(diǎn)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(gè)方案中做出選擇。當(dāng)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題的話，在這兩個(gè)方案中作出選擇時(shí)，還要考慮到施工和設(shè)計(jì)方面的其它問題。如果礦柱僅是部分回收，要仔細(xì)考慮礦房和礦柱的大小對(duì)于體積采出比的影響。Salamon（1967）曾仔細(xì)研究過這個(gè)問題，它特別適合于巖體強(qiáng)度低于原巖應(yīng)力情況下厚煤層或礦體的開采。圖10.92.5m厚礦體中采礦設(shè)計(jì)的選擇采礦尺寸與礦石采出量對(duì)礦柱強(qiáng)度和軸向應(yīng)力各個(gè)表達(dá)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(hù)力學(xué)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(gè)目的是如何得以實(shí)現(xiàn)的。考慮礦井結(jié)構(gòu)中的一個(gè)典型部分，從一個(gè)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(dāng)在這個(gè)礦塊的整個(gè)面積上開采時(shí)，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(gè)稱之為等價(jià)開采高度的采礦高度。等價(jià)開采高度由表達(dá)式或（10.9）根據(jù)等價(jià)開采高度，可以很方便地計(jì)算出天然支護(hù)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(gè)開采高度增加，就表示采礦產(chǎn)量將會(huì)增加?？梢赃@樣來對(duì)采場幾何形狀的改變效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，即考慮一個(gè)任何厚度的礦體，選定一個(gè)特定的礦房跨度和開采高度，并計(jì)算礦柱大小以滿足礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)要求（如前面的設(shè)計(jì)例題方案（2）中所討論過的那樣）。Salamon曾對(duì)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(jìn)行過這種類型的工作，其結(jié)果示于圖10.10。圖中對(duì)于所選定的礦房跨度，把等價(jià)開采高度看作為實(shí)際開采高度的一個(gè)函數(shù)。從該圖可以看出，單獨(dú)地增加礦房跨度和實(shí)際開采高度都將導(dǎo)致等價(jià)開采高度的增加，因而也就導(dǎo)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(hù)采礦中如何獲得一個(gè)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(jià)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(shí)得到滿足，則從礦體中開采的礦石量最大，同時(shí)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(shí)際開采高度之間的關(guān)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(duì)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(jì)算，圖10.11所示為一組這樣的結(jié)果。考慮下列假設(shè)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(shè)礦房最大穩(wěn)定跨度為6.0m，上覆巖體容重為25KN/m3，礦柱強(qiáng)度由方程（10.7）確定。在每個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)例題中，方案（2）的方法可用來計(jì)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(dāng)用完整礦柱支護(hù)法和一步回采法開采厚煤層或礦體時(shí)最大采出比可能較低，對(duì)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(gè)礦產(chǎn)資源的25%。從圖10.11中可以看到兩個(gè)特點(diǎn):①對(duì)于任何礦體厚度，從礦柱支護(hù)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(gè)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(shè)計(jì)的從屬面積法的探索性研究中，可以得出一些關(guān)于支護(hù)采礦法的一般性結(jié)論。首先，如果不進(jìn)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(hù)法，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，僅限于低地應(yīng)力的情況，或是礦柱強(qiáng)度高的情況；最后，相當(dāng)厚的煤層和強(qiáng)度低的礦體也許可以更適當(dāng)和更有效地采用幾個(gè)開采階段