9第七章矿柱支护采矿法的岩体控制730

矿柱支护采矿法的岩体控制198矿柱支护采矿法在生产采场之间设置矿柱，以有效地控制近场地层,防止地表塌陷,满足环境保护的要求。在采矿实践中为了取得对矿体的最大限度的、安全的和经济的开采，要对矿柱支护采矿法的岩层控制问题进行研究。本章主要内容包括矿柱支护结构组成、矿柱支护能力分析方法、矿房—矿柱布置设计和矿柱支护条件下顶底板的稳定性分析。矿柱支护采矿法的岩体控制§7.1矿柱支护结构组成§7.2矿柱支护能力分析7.2.1矿柱平均应力从属面积法分析法7.2.2矿柱强度分析§7.3矿房—矿柱布置设计7.3.1矿房—矿柱参数计算7.3.2采矿尺寸与矿石采出量§7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析矿柱支护采矿法是根据矿体倾角的大小，将井田划分成矿块或盘区，在矿块或盘区内交替布置矿房和矿柱，回采矿房时，留规则的连续或间断矿柱支撑顶板，这就是矿柱支护采矿法的基本特征。由于矿柱支护采矿法属于部分回采,能够有效地控制覆岩移动,减少地表移动和变形,特别适合于不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下采矿。矿柱支护采矿法主要用于开采矿石和围岩都稳固的水平和缓倾斜矿体。如果矿房顶板为中等稳固时，还可以辅以锚杆支护，配合矿柱加强对顶板的支护效果。矿柱支护法既可用于薄矿体，也可用来开采厚矿体和极厚矿体。§7.1矿柱支护结构组成以矿柱为基础支护的采矿方法，在采矿过程中要控制整个采矿影响区域内的岩体位移，就意味着要维持单个采场围岩的局部稳定性和对矿井近场区域内位移进行控制。采场的局部稳定性和近场地层的控制可以作为独立的设计问题来考虑。如图7.1所示。在生产采场之间设置承载物或矿柱，可以控制近场地层。矿柱支护体系是否处于有效工作性状与单个矿柱的大小及它在矿体中的位置有关。这些因素又直接与矿柱的承载力和矿柱所支护的岩体对矿柱施加的荷载有关。第七章矿山压力与岩层控制199矿柱支护单元矿体近场岩体-其工作性状由矿柱设计控制采场围岩-其工作性状由采场设计控制图7.1采场近场围岩及局部稳定性控制另一方面，在矿体中留设矿柱将导致可采资源临时性积压或永久性浪费。一个经济的支护体系设计，要求矿柱所占用的矿石最少而又能满足矿井结构整体稳定性的要求。因此，在采矿实践中为了取得对矿体的最大限度的、安全的和经济的开采，有必要对岩体性质、单个矿柱和矿柱体系的工作状态进行讨论。图7.2房柱法开采布置示意图矿体边界采场1采场2剖面图7.3开采倾斜矿体的矿柱布置矿柱支护采矿法的岩体控制200图7.2中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图7.3中，标号为A的矿块是水平的横向矿柱，而B则为水平的纵向矿柱。矿柱B也可称作采场“1”的底柱或采场“2”的顶柱。如果纵向矿柱沿矿体的走向延伸达几个矿块，则这样的矿柱称为巷道矿柱。在图7.2和图7.3中所示的矿井支护结构中，矿柱承受围岩施加的应力而引起的破坏将导致近场岩体大范围的垮落。如果未充填的采空区的面积很大，则这种垮落将有沿矿柱结构传播的危险。一个矿体如果在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个采矿区或盘区，就可以排除这种垮落的可能性。图7.4即为这样一个系统的平面布置，这样设计的间隔矿柱实际上是不可毁坏的，因此每个盘区可以看作是一个独立采矿区域。这样，任何垮落的最大范围也只限于在那个盘区内。很明显，由于盘区矿柱与间隔矿柱工作特点不同，则用于盘区矿柱与间隔矿柱的设计原则相应有所不同。采场或采空区盘区矿柱间隔矿柱图7.4向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置§7.2矿柱支护能力分析在对矿井支护结构中的一组矿柱工作状态进行分析和预测时，可以使用岩石力学中的多种计算方法来确定整个岩体中的应力状态。然而，通过以静力平衡为基础的简单分析，我们仍然可以得到有关矿柱体系工作特性的一些有益的认识。应用它我们可以建立支护单元中的平均应力，然后将这个平均应力与岩体的平均强度相比较，从而确定矿柱的稳定性。7.2.1矿柱平均应力的从属面积分析法图7.5（a）所示为一具有均匀厚度的平伏状矿体的横剖面，用长矿房和留房间矿柱的方法开采。矿房和矿柱跨度分别为0W和pW。图7.5（b）所示为一组足够多的房、柱中有代表性的一部分。考矿山压力与岩层控制201虑在内力作用下这个结构物的平衡，并在垂直于该剖面的方向上取单位厚度。由图7.5（c）所示有代表性的隔离体的平衡方程为:zzpppp)(0或zzpppp)(0（7.1）式中p—矿柱轴向平均应力；zzp—采矿前应力场的垂直向正应力分量。矿柱结构有代表性的隔离体宽度(pWW0)常看作为该矿柱的从属面积。因此，从属面积法是一种用来估算矿柱平均轴向应力状态的方法。开采一个具有均匀厚度的矿体时，有实际意义的量是面积采出比，其定义为：开采面积/矿体总面积。(c)(b)(a)WpW0PzWpW0+WpWpW0+Wp图7.5矿柱稳定性的从属面积分析法（已手改）如图7.5（c）所示，考虑有代表性的部分矿体，面积采出比也可写为)(00p（7.2）因此)(10pp（7.3）将式（7.3）代入式（7.1），有)11(zzpp（7.4）矿柱支护采矿法的岩体控制202(b+c)cbac矿柱A的从属面积（a+c)图7.6矿柱从属面积分析法的几何要素与上面分析方法类似，图7.6所示的采矿平面布置（涉及到的矿柱平面尺寸a、b、矿房跨度为c）也可用类似的方式处理。典型矿柱的从属面积具有平面尺寸)(ca、)(cb。因此，为满足垂直方向上的静力平衡条件，要求))((cbcapabzzp或abcbcapzzp))((（7.5）面积采出比为：))(())((cbcaabcbca（7.6）对式（7.5）作简单的处理得到下式：)11(zzpp（7.7）式（7.7）与式（7.4）完全一样。对于平面尺寸为ppWW的方形矿柱的情况，矿柱被尺寸为0W的矿房分开，式（7.5）可写为20)(ppzzp（7.8）当然，矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关，见式（7.4）。式（7.1）、（7.5）和式（7.8）表明，在可能的矿柱布置方式中矿柱的平均轴向应力状态可以由矿房和矿柱的尺寸及采矿前的法向正应力分量直接算出。我们还可看到，对于任何几何规则的采矿布置来说，矿柱平均轴向应力直接由面积开采比确定。矿柱的应力水平与面积采出比的关系见图7.7中。从图中可以看到，当面积采出比大时，即使面积采出比有很小的增加，也将引起矿柱中应力的极大增加。例如当从0.90增加到0.91时，矿柱的应力集中系数从10.0增加到11.1。很明显，矿柱中集中应力的这个特点在矿柱设计和采矿工程中具有重大的意义。它解释了当采用天然矿柱支护法矿山压力与岩层控制203时面积采出比常常小于0.75的原因。当面积采出比低于0.75时，zzpp/的变化很小；当面积采出比高于0.75时，zzpp/的变化很大。面积开采比(r)02468101200.20.40.60.81σp(Pzz)图7.7矿柱应力集中系数与面积采出比关系当利用从属面积法计算矿柱轴向应力时，须记住这种方法所隐含的限制。首先，矿柱轴向平均应力纯粹是表示一个矿柱有平行于其主要约束方向上的受力状态，它不能简单地或很容易地与用精确的应力分析法所确定的矿柱应力状态相联系。其次，从属面积分析法把我们的注意力限制在采矿前平行于矿柱支护体系的主轴方向的应力分量上，其中隐含假设采矿前应力场的其它应力分量对矿柱的工作状况无影响，这样会有一定误差。最后，矿柱在矿体或盘区中的位置的影响也没有考虑。7.2.2矿柱强度分析从属面积法为矿柱轴向平均应力确定提供了一个简单的方法。利用从属面积法估算矿柱中受到的应力进行矿柱原始工作状态的分析表明，矿柱的强度与其大小和几何形状有关。由于岩体中分布着裂隙、天然裂面和其它缺陷，矿柱大小对其强度的影响是容易理解的。形状的影响主要从三个方面加以考虑：相邻围岩的制约，它是由于对矿柱侧向膨胀的约束而在矿柱中产生的；矿柱体中应力场各分量不光是垂直于其轴线方向的分量；矿柱的破坏方式随纵横比（即宽/高比）的改变而变化。事实上，上述第二个原因暴露了从属面积法本身的不足。正如Hardy和Agapito（1977）所指出，矿柱大小和几何形状对其强度S的影响通常可由一个经验指数关系表达，即bpahWvSS)(1（7.9）式中1S—描述矿体和矿体围岩的强度参数；v，pW，h—矿柱体积，宽度和高度；a，b—反映矿体的地质构造和岩石力学条件的参数。矿柱支护采矿法的岩体控制204从式（7.9）可以看出，如果对一个矿体的单位立方体试块进行强度试验，则强度参数值1SS。事实上，这种解释是不正确的。因为式（7.9）两边的量纲不统一，正确的方法是在特定的力学环境下，对一组观察到的矿柱破坏情况进行详细分析后得出，或者是对典型矿柱进行仔细设计后，进行现场加载试验而得。Cool，N.G.W等人（1971）描述过这种加载系统，就是在典型矿柱中部的切割槽中放入一组千斤顶并加压，由于保持了矿柱的端部自然边界条件，通过这种加载系统得出的试验结果是最为合适的。通过把式（7.9）改写成如下形式，可以得到矿柱大小和形状对矿柱强度影响的另一表达式paWhSS2(7.10)式（7.9）和（7.10）中，基本强度参数1S和2S是不相等的，这是由于这两个表达式中量纲不同所致。对于横剖面为方形的矿柱，指数ba、、、是线性相关的。它们之间有如下的相关性：)(31a，)2(31b（7.11）表7.1基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值来源αβab备注Salamon和Munro(1967)-0.660.160.46-0.0670.0480.590.14南非煤层，现场破坏Greenwald等（1939）-0.830.50-0.1110.72匹兹堡煤层，模型试验Steart(1954);Holland和Gaddy(1957)-1.000.50-0.1670.83西弗吉尼亚实验室试验Skinner(1959)——-0.079—硬石膏实验室试验Salamon和Munro（1967）总结了由各种渠道获得的方形截面矿柱强度指数的一些估计值，这些值列于表7.1中。Hardy和Agapito（1977）提出了矿柱强度公式的另一表达式。从对西科罗拉多油页岩矿柱工作性状的研究中推出的相应的矿柱强度公式具有如下形式：833.0118.01)(hWvSSp（7.12）应用这个公式时，简便的方法是取一个比例关系，也就是确定一个己知形状和大小的试样单轴压缩强度SS，并从下式估算矿柱强度：833.0118.0)]/()[()(ssppspSphWhWvvSS（7.13）式中下标p和s—指矿柱和试样。矿山压力与岩层控制205§7.3矿房—矿柱布置设计矿柱支护采矿法布置设计应寻求获得资源最大可能的采出比，同时又能保证矿房跨度内的围岩稳定性和对近场岩体的总体控制。在涉及到不规则的矿房—矿柱几何布置的设计实践中，人们通常热衷于使用岩石力学中阐述过的计算方法中的某一个。这些方法可以用来确定各种采矿方案、各种几何形状的矿房—矿柱和不同开采顺序的围岩位移分布。然而，利用从属面积法来研究矿房—矿柱设计和采矿布置还是有益的。7.3.1矿房—矿柱参数计算当应力分析的从属面积法用于平伏层状矿体的开采设计时，在设计计算中牵涉到5个参数：作用在垂直于矿柱平面方向上的场应力分量zzp（可以由岩石力学条件来确定），在设计过程中要确定的另外4个变量是开采或矿柱高度h、矿房跨度W0、矿柱宽度Wp和防止矿柱破坏的安全系数F。尽管下面的讨论仅考虑了边长为Wp的方形矿柱，但它同样适用于长形的矿柱。如前所述，能够保证矿房房壁局部稳定性的矿房跨度可以用单个采场的设计方法来确定，也就是矿房跨度可以单独地确定而与其它设计参数无关。（1）安全系数选取能保证矿柱安全的合适的安全系数的选择需要基于工程经验。Salamon在对南非矿柱进行分析时，得到了如图7.8所示的数据。这个直方图表明了矿柱破坏的频率分布和保持稳定的频率分布，特别是完整矿柱性状