金属矿床地下开采第十三章

金属矿床地下开采第十三章第十三章地压管理【目的要求】

掌握采场地压管理的方法和概念；掌握采场暴露面的稳定性评价、矿柱强度计算及尺寸确定及各种支护方法的使用条件。【重点】

掌握采场地压管理的方法和概念；掌握各种支护方法的使用条件。【难点】掌握采场地压管理的方法和概念；掌握各种支护方法的使用条件。第2页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节概述一、概念1、原岩体未开挖的岩体或不受开挖影响的岩体部分称为原岩体。2、原生应力场原岩体中的岩石在上覆岩层重量以及其它力的作用下，处于一种应力状态，一般把这种应力状态称为原生应力。3、地压显现岩体被开挖以后，破坏了原岩应力平衡状态，岩体中的应力重新分布，产生了次生应力场，使巷道或采场周围的岩石发生变形、移动和破坏，这种现象称为地压显现。第3页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节概述4、地压

使围岩变形、移动和破坏的力，称为地压或矿山压力。5、地压管理为保证正常回采，而采取的减少或避免地压危害的措施，或积极利用地压进行开采，这种工作就是地压管理。6、地压管理方法为进行地压管理所采取的各种措施。第4页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节概述二、采场地压管理的基本方法

1、利用矿岩本身的强度和留必要的支撑矿柱，以保持采场的稳定性。

2、采取各种支护方法，支撑回采工作面，以维持其稳定性。

3、充填采空区，支撑围岩并保持其稳定性。

4、崩落围岩，使采场围岩应力降低，并使其重新分布达到新的应力平衡。第5页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱一、采场暴露面的稳定性评价

1）影响采场暴露面积大小的主要因素：矿石和围岩的力学性质；开采深度；施加在开采空间顶板的上覆岩层高度；暴露面维持的时间；暴露面的几何形状等。第6页,共38页，2024年2月25日，星期天2）覆岩总重假说认为，在水平或缓倾斜矿体中，开采空间承受的载荷P，是开采空间上部直达地表全部覆岩重量的总和。第二节采场暴露面和矿柱

第7页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱

3）拱形假说以松散体力学为理论基础，认为在上部覆岩的压力作用下，松散的岩体从开采的顶板向下冒落，形成自然平衡拱。作用在矿柱上或支架上的载荷，仅是冒落拱内岩块的重量，于开采空间埋藏深度无关。其方程式为：式中：a—平衡拱跨度之半

f—岩石坚固性系数，f=tanφ第8页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱4）开采空间上部岩体所承受的载荷，不是其上部整个覆岩的重量，而仅使其中的一部分。如果施加在开采空间顶板上面的岩层高度：

式中：H——开采深度；

k——载荷系数。第9页,共38页，2024年2月25日，星期天5）实践证明：开采暴露面的稳定性，不仅决定于面积大小，而且决定于暴露面的形状。暴露面长宽尺寸接近时（长度小于其2倍宽度），稳固性决定于面积大小；暴露面长度远大于宽度（大于2倍以上）时，稳固性决定于宽度。为保持暴露面的稳固性，开采空间跨度不得超过极限跨度或面积不得超过其极限暴露面积。

第二节采场暴露面和矿柱第10页,共38页，2024年2月25日，星期天6）暴露面保持的时间，对稳定性有很重要的影响。尽管载荷不增加，但长期静载荷作用下，岩石由于蠕变，变形迅速增加，使岩石破坏。因此相同条件下，提高开采强度，缩短开采空间的暴露时间，往往能够获得良好的开采效果。

第二节采场暴露面和矿柱第11页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱

二、矿柱

1）矿柱的形状对其强度的影响矿柱的强度与其形状有关。矿柱的宽度越大，高度越小，矿柱处于三向压缩状态的部分越大，则矿柱的强度越高。2）水平和缓倾斜矿体矿柱计算：保证矿柱强度必需的截面，按许用承载强度计算：式中：S—矿柱支撑的上部覆岩面积；

H—开采深度

K—载荷系数，与岩石性质有关

S—矿柱的截面积；

n—安全系数。第12页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱最终选定的矿柱尺寸，必须大于下列条件所限定的矿柱最小宽度：1）为防止矿柱被爆破崩坏，应使矿柱宽度c≥2w;2）为防止矿柱纵向弯曲，要求c≥0.25h~0.75矿柱h;3）采用爆破崩矿时，要求c≥3~5m，以保持矿柱中心部位稳固；4）如果顶板岩石强度低于矿石强度，为防止矿柱压入顶板，应加大矿柱面积。第13页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节采场暴露面和矿柱3）急倾斜矿体矿柱计算开采急倾斜矿体时，一般留有顶柱，底柱和间柱。底柱因受放矿巷道切割严重，对围岩的支撑能力很差；顶柱因受剪应力和弯曲应力，只能承受部分载荷，因此顶柱和底柱的支撑能力仅按安全系数考虑；间柱厚大且连续，呈三向受力状态，是支撑围岩的主体部分。第14页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护一、木材支护

1、横撑支柱和立柱开采急倾斜薄矿脉时，用横撑支柱支护两帮围岩，并在其上架设木板或圆木，作为凿岩爆破的工作台。开采缓倾斜薄矿体时，可用立柱支护不稳固的顶板，采幅高度一般不大于2.5~3m。根据顶板稳固程度，采用带帽立柱或立柱加背板。第15页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护２、木垛支护用于跨度不大而地压较大的缓倾斜矿体或在充填体上面支护顶板（图13-8）。木垛常用的木材长度为1.5-2.5m，直径120-200mm。水平矿体所用木垛中木料最小长度不得小于高度的1/4，以保证其稳定性。第16页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护３、方框支架和木棚方框支架是一个矩形平行六面体的木结构，随回采工作面推移，由下盘向上盘逐个架设，由下向上逐层建造（图13-9）。在不稳定的围岩和矿石中，采用回采巷道回采时，常用间隔的或密集的木棚支护。第17页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护二、锚杆和锚杆架支护１、锚杆支护综合国内外应用的锚杆结构型式，其分类为：点锚固型式全长锚固型式机械锚固粘结锚固楔缝式涨壳式倒楔式树脂粘结锚固树脂砂浆摩擦锚固管缝式液压涨壳式第18页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护1）点锚固式锚杆在工作之初，先要拧紧螺帽，使其受到预加拉力，因此，也称为预应力锚杆，

2）全长锚固式锚杆荷载沿锚杆全长作用，属无预应力型。与点锚固式锚杆相比，全长锚固式锚杆具有锚固力大、变形小、适应范围广等优点,松软性岩层中应用，效果更好；在需要用预应力锚杆时，使用预应力锚杆为好。

【注】锚杆支护区别于木材支护的主要特点：锚杆和围岩结合为一整体，共同作用，因此也称为主动支护。第19页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护2、锚杆的力学作用

1）悬吊作用：在块状结构或碎裂结构的岩层中，锚杆将不稳固的岩块或岩层，悬吊在松动区以外的稳固的岩层上，组织岩块或岩层塌落。２）组合作用：在层状结构的岩层中，锚杆如同连接螺栓，将薄层组合成厚梁，使围岩承载能力大大提高．３）挤压作用：在松软的岩层中，以某种参数系统布置预应力锚杆群，在围岩内形成一个承载拱，以提高围岩的承载能力．第20页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护2、锚杆桁架支护锚杆架是矿山顶板支护的新方法，它比锚杆支护具有更高的优越性。

1966年在美国研制成功，以后应用与煤和非矿山的宽巷道，斜坡的顶板支护，还用于房柱法的矿房顶板支护上。第21页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护三、金属支架支护

金属支架具有强度大，使用期限长，可多次复用，安装容易，耐火性强等优点，在地下开采中的应用逐渐增加。但这种支架重量大，成本高，搬运和修理较困难，因此多用于开拓和采准巷道的支护中，而采场中应用较少。采空区液压支护第22页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护

近年来，开采顶板不稳定的缓倾斜薄矿体时，探索性移植了煤矿液压式掩护支架。随回采工作面向前推进，不断移动掩护支架以支撑工作面附近的顶板。在支架后方，直接顶板可自然冒落。由于金属矿石较坚硬，通常使用凿岩爆破法落矿，故掩护支架需有防爆措施。此外，尚应研制与掩护支架配套的采场搬运措施。第23页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护四、混凝土和喷射混凝土支护

这种支护方法主要用于电耙巷道，喷射混凝土支护有时也用于采矿巷道。１、混凝土支护

主要是使用速混凝土，但在一些关键部位采用配以钢筋或钢轨、工字钢等整体浇灌的支护方法。

具有承压大，整体性好，适应各种漏斗布置形式，支护表面平整利于耙矿等优点。

无可塑性，抗爆破冲击震动性能差，需要较长的养生期，底柱回采后弯曲的钢筋不利放矿。第24页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节支护２、喷射混凝土支护

将按比例并已经搅拌好的干料（砂、石、水泥、速凝剂等混合物），送入喷射机，用压气输料管道送到工作面，干料在喷射咀的混合室内与水混合，以高速喷射到所支护的岩壁上，形成喷射混凝土支护体。这种支护方法与被支护体的岩壁有很高的粘结力，能充填岩壁较大的裂隙，从而提高岩体的稳定性和承载能力。喷射混凝土与岩壁共同作用，构成统一的受力体系，成为主动的承载结构。第25页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填

按照充填材料的成分和输送方法不同，可分为干式充填、水力充填和胶结充填。一、干式充填按采场内运输废石的方式，可以分为自重、机械和风力充填三种。自重充填主要用于随后充填，但当采用倾斜分层回采时，也可用于同时充填。机械充填是用自行设备，电耙或输送机在采场内扑平废石。风力充填应用较少．它是利用压气使充填料沿管路送向充填地点。由于干式充填效率低，充填工作劳动消耗大，充填不够致密，逐渐为水力充填所代替．但对中小型矿山因为投资少，不需添置设备，因此仍有使用价值。第26页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填二、水力充填水力充填是用水作媒介，使充填料沿管道或钻孔输送到充填地点。包括充填料的选择和加工，砂浆制备和输送，充填和脱水以及废水处理等。1、充填材料的选择和加工水力充填材料有河砂，山砂，卵石，炉渣，采掘的岩石以及选厂的尾砂等。充填料的最大粒径不应超过管径的1/3，而且含量不超过总量的15％。砂浆的浓度用固体和液体的体积比或重量比表示，为了减少排水费用，固液比应控制在1:3.5以内。应严格控制尾砂的硫化物的含量：黄铁矿含量不得超过８％，磁铁矿不应超过４％。否则应进行脱硫处理。第27页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填2、充填料的制备为了使充填料在管道中顺利输送，充填料在进入管道前，必须和水均匀混合成砂浆，这就是砂浆制备。其目的是将充填料配制成合格的粒级组成，控制细泥含量和砂浆浓度，以保证顺利输送和达到必要的充填能力。第28页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填３、砂浆的水力输送制备好的砂浆，需用管道输送至充填地点。管道由垂直和水平部分组成，垂直部分砂浆柱要有一定高度（自然压头），保证水平部分砂浆以必要的速度运移充填料。４、充填体的形成与脱水目前国内外的脱水方法有两种：溢流脱水和渗透脱水。充填料的粒级在19-27um以上时，宜用渗透脱水；对于17-27um以下的则只能用溢流脱水。５、排泥沉淀池或水仓内沉淀的泥砂，必须定期清理，这个过程称排泥。第29页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填第30页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填６、水力充填评价与干式充填比较，水力充填工作可实现全面机械化，劳动生产率高，充填能力大，充填体密度大，但污染巷道，基建费用较高。与胶结充填比较，充填费用低，但充填体具有松散性，沉缩较大。对充填体强度没有特殊要求时，水力充填有明显的优点。第31页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填三、胶结充填

１、充填材料：混凝土胶结充填料和尾砂胶结充填料两类。２、胶结充填料的配比混凝土胶结充填料，应具有较好的流动性，便于向采场输送和浇注；尾砂胶结充填料的配比主要是指水泥和尾砂重量比和输送浓度。３、胶结充填料的制备和输送间歇式搅拌系统，连续式搅拌系统，半分离制备系统。４、胶结充填的评价与混凝土胶结充填比较，尾砂胶结充填的充填料便于管道输送，制备工艺简单，效率高，投资少，但其充填体强度较低。应用絮凝剂可以防止水泥离析现象，以提高充填体强度。第32页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填四、充填体的作用１、充填体对矿柱的作用充填体强度低，刚度小，只采用充填料不能有效地防止围岩的移动。实践证明，留有适量的矿柱，再充填矿房，能有效的控制地压和限制围岩的移动，保持开采空间的稳固性。２、充填体对围岩应力分布的影响充填的作用在于限制围岩和矿柱变形的发展，减缓岩石移动的危害和降低地表的下沉程度。充填工作速度越快，围岩变形受限制的时间越早，越有利于开采空间的稳定。第33页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节充填

当采用间隔开采和胶结充填，以及在接顶又较理想的条件下，第一步回采矿柱的应力分布曲线，图13-21a；第二步骤回采矿房时，原矿房上部的