普通房柱法采矿对矿柱稳定性分析

1、普通房柱法采矿对矿柱稳定性分析摘要： 本文通过对锡矿山闪星锑业有限责任公司南 矿的开采历史、现状及地压岩移活动分析，对该矿普通房柱 法采矿矿柱稳定性进行了分析。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.关键词： 南矿；房柱法；地压；矿柱变形性；平均应 力；临界尺寸；矿柱强度Key words ： south ore； room-and-pillar method ； ground pressure；pillar deformation ；average stress；critical dimension ； pillar strength中图分类号： TD851 文献标识码： A 文章编号： 1006-4311（ 2014） 18-0054-020 引言 对于锡矿山南矿来说，主要是对飞水岩矿床进行开采。自 1897 年开采飞水岩矿床以

3、来，至今已 117 年，受各种因 素的影响，解放前的开采方式为采富弃贫，乱采滥挖，造成 大规模的空区，并且采完后没有进行任何的处理，因此频繁 发生冒顶事故，矿工的生命财产安全受到严重威胁。解放以 后，采用房柱采矿法对锡矿山进行开采，使得采空区的面积 逐渐增大，甚至许多采空区连成一体，引发急剧地压活动， 大面积的地压活动先后层发生过三次，严重影响正常生产； 因此怎样合理确定矿房与矿柱的尺寸和方式也是保证矿山 安全生产的关键。1 房柱法矿柱稳定性分析受矿体开采的影响，将会导致应力重新分布、增加矿柱 荷载，如图 1 所示。与原岩强度相比，如果矿柱应力状态较 高，当矿柱发生破裂时，矿柱峰值承载能力成为

4、采矿关注的 重点。矿柱的绝对或相对大小直接影响矿柱对采矿所引起荷 载的整体响应。矿柱岩体的地质构造和围岩对矿柱所施加的 表面约束特性，如图 2 所示。需要指出，在外载荷达极限值时，矿柱可能出现破裂， 其全部的承载能力不会立即丧失，其发展结果有：破坏不 再发展，矿柱继续保持稳定：随其下沉变形，如果顶板载荷 迅速降低，那么矿柱依然可以借助残余强度支承地压。矿 柱的破坏继续发展直至丧失稳定：随顶板的下沉，如果顶板 载荷变化很小，那么顶板残余强度不足以支承地压，故矿柱 一旦屈服或破裂，必然一直发展至完全坍塌为止。2 影响矿柱稳定性因素矿柱受载大小。矿柱宽高比：宽高比大的矿柱稳定 性好。矿房尺寸与矿柱尺

5、寸。构造因素：对空场及矿柱 中的结构面调查分析。矿柱自身的强度。3 计算矿柱稳定性方法 研究矿柱的力学性能，正确进行矿柱设计，需解决作用 于矿柱上的荷载、矿柱中的应力分布和矿柱自身强度等问 题。3.1 矿柱的平均应力 岩柱的底面积 S 即是按岩柱分摊 的开采面积与矿柱自身面积之和，由此计算矿柱的平均应 力。如图 3 所示，矿柱平均应力为：a p=pz (1+wo/wp ) 2=rz (1+wo/wp ) 2式中：r岩石容重；z埋藏深度；wo , wp 分别为矿房和矿柱的宽度。图 4 列出了两种不同的矿柱布置方式中平 均应力的计算公式。在所有情况下， a p 值均用一个单独矿 柱上岩柱的重量与该

6、矿柱的平面图面积之比来表示。3.2矿柱强度 Bunting公式(1911年)。煤岩的单轴抗 压强度是早期岩石力学研究首先探讨的问题之一。 Bunting 最早提出了计算煤柱强度的经验公式： SP=SL0.7+0.3(Wp/h ),式中：Sp矿柱的强度， MPa; SL 矿岩强度 参数，MPa; Wp 矿柱的宽度，m; h矿柱的高度，m。 Bieniawski 公式( 1968 年)。 Bieniawski ( 1968 年， 1975 年) 与 Van Heerden（ 1975 年）通过对南非 Witbank 煤柱宽高比 为0.534的66个煤柱试件的大规模原位测试求出的煤柱强 度计算公式如

7、下：SP=SL?0.64+0.36 （Wp/h ），上式中用了 “临界尺寸（ Critical size ）”的概念，即：当试块的尺寸超过 “临界尺寸” 以后，试块的强度将不再随尺寸的增加而减小。1981 年， Bieniawski 再次推荐的煤柱强度设计公式为： SP=SL?0.64+0.36 （Wp/h ） a。式中：a常数；进行的试 验研究表明：当煤柱的宽高比大于5时，a =1.4 ;而当煤柱的宽高比小于 5 时， a =1.0。3.3 矿柱安全系数的选取房柱式开采（不回收矿柱）：安全系数ks=1.5;主要巷道 矿柱以及回收矿柱：安全系数ks=2.0;边界矿柱：安全系数ks=2.5。南矿

8、采用普通房柱式开采时，采场开采结束后，采 用废石及尾砂进行充填，采场矿柱仅需保持开采期间稳定， 因此，取矿柱安全系数 ks=1.5。4 锡矿山南矿普通房柱法 ?场设计锡矿山南矿采用的普通房柱法适用条件为：一般在顶 板比较稳固， 中厚以上矿体中使用。 顶板为矽化灰岩或灰岩， 比较稳固，倾角一般为 1020 ,个别不大于30 。矿 块构成要素为：矿块垂直走向布置，每隔 4 6 个矿块划为 一个采（盘）区，采区之间一般留连续式矿柱（即矿壁） 。 矿块之间留规则的长方形矿柱，矿柱尺寸为5m x 7m，矿柱的间距为6m。矿房宽度视矿体顶板的稳固性而定，一般为 815m，矿房沿倾斜长度一般为60m左右。矿

9、柱回采及采空区处理：普通房柱法采矿不能及时回收矿柱，规则矿柱 很多都是作为永久矿柱而留下来了，条件允许的情况下连续 矿柱可以进行适当回采，采空区主要采用矸石及尾砂充填处 理。5 南矿矿柱稳定性分析 根据锡矿山南矿普通房柱法采场结构参数和矿岩室内 力学参数试验，采用 Bieniawski 公式进行矿柱稳定性安全系 数计算，计算取矿柱宽度为5m，长度为7m，矿柱间距6m,矿房宽度为815m，高度为38m，根据现场工程地质调 查和室内岩石力学试验成果，矿岩的体积裂隙数为 510 条 /m3，岩体完整性指数 Kv为0.550.75，岩体准抗压强度可 用岩体完整性系数 Kv 与岩石单轴饱和抗压强度 Rc

10、 的乘积表 示，因此，可取矿柱的抗压强度为100MPa，上覆岩层容重26.7kN/m3 ，埋深自 200m600m。计算结果如表 1表 3。根据上述矿柱安全系数计算结果分析得出： 目前，锡矿山采用的普通房柱法时，一般用于缓倾斜矿 体，矿体厚度小于 8m，在采场顶板留12m护顶矿层，矿 块之间留规则的长方形矿柱，矿柱尺寸为5m x 7m，矿柱的间距为6m，矿房宽度为815m。当埋深小于 400m时，矿 房宽度小于 12m 时，矿柱安全系数大于 1.5，矿柱能起到支 撑顶板的作用；目前 25中段埋深约为450m,根据矿山采用 的采场结构参数，如在深部中段采用普通房柱法开采过程中 继续沿用上部采场结构参数，有可能产生矿柱失稳，造成顶 板垮塌等情况。6 结束语 锡矿山闪星锑业有限责任公司南矿，在深部中段开采 时，应优化采场结构参数， 减少房柱法采场的回采作业时间， 防止矿柱失稳，在采场回采结束后必须采用矸石及尾砂及时 充填处理采空区， 使 ?区及地表位移沉降得到有效控制，确保矿山作业人