緩傾斜互層礦體房柱法采場結構參數及穩定性研究

黃 丹，吳 鵬，董凱程，郭利杰

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

緩傾斜互層礦體房柱法采場結構參數及穩定性研究

黃 丹，吳 鵬，董凱程，郭利杰

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

房柱法開采緩傾斜互層礦體時形成復雜的巖體工程，其采場結構參數嚴重影響著采礦作業的安全性和經濟性。本文針對緩傾斜互層礦體提出了礦房合理布置形式，并通過多種理論計算與分析確定了采場結構參數，為應用房柱法開采類似技術條件的礦體提供了完整的研究路線和快速的解決方案。

互層礦體；緩傾斜；房柱法；采場結構參數；穩定性

由于礦體賦存及技術經濟等條件限制，國內采用房柱法開采緩傾斜礦體礦山約占50%，國外這類礦體也主要采用房柱法，其比例達61%［1］。在特殊的成礦機理下，如沉積作用或熱液侵入作用等易于形成礦體互層的空間分布，此時房柱法采場結構布置及參數的確定難度大增，礦房點柱及隔層礦柱力學模型復雜。根據熱茲卡茲礦床開采經驗，礦柱破壞與覆巖崩落絕大多數發生于礦體呈互層狀態的地段［2］。礦房礦柱尺寸的確定關系到采場結構的穩定性，采礦作業的可靠性與可行性。

1 礦山開采技術條件

某緩傾斜沉積型磷塊巖互層礦體，間隔5～7m厚的夾石層，上層礦體均厚3m，下層礦體均厚10m。礦層巖石力學條件較差，圍巖中穩－穩固，巖體力學參數見表1。礦體最低采深受制于資源稟賦，綜合考慮市場經濟條件，采用機械化房柱法進行采礦作業。

2 采場布置

實際生產中，由于礦體間物理力學性質差異以及礦體與采動邊界控制不均，互層礦體在采礦過程中“礦柱－間層－礦柱”的剛度結構改變導致礦柱間荷載在不同區域有卸壓或應力集中的過程。上下兩層礦體房柱法分別回采時，應協同上下礦塊采場結構參數，分層礦柱軸向對齊［3］。礦層間夾石層作為下層礦采空區的頂柱；在礦柱和頂柱連接的轉角處出現應力集中是礦柱應力分布特點之一，相關研究表明，礦柱轉角處的曲率半徑與礦房跨度比值為0.25時為宜［4］。

3 采場結構參數研究

采用房柱法回采礦石，礦柱尺寸和礦柱間跨度關系到采場的穩定性及其他技術經濟指標。由于該礦體條件的特殊性，最終形成上下房柱空場間隔頂柱的復雜巖體工程結構，針對該特殊情況采場結構參數優化研究技術思路：夾石層平均厚度5～7m，尺寸基本確定，首先研究頂柱厚度與柱間跨度；上層礦體采高遠小于下層礦體，所以進而確定下層礦點柱的尺寸；綜合多種方法選比，確定采場結構參數，并通過數值模擬，校核采場整體的穩定性。由于井下大范圍空場作業，普氏拱理論并不適于計算覆巖應力，覆巖應力以埋深（400m）計算。

表1 巖體力學參數

3.1 頂柱厚度與間柱跨度

3.1.1 平面板梁計算［5］

應力破壞一般發生在兩礦柱最大跨度之間，假定它是材料力學中兩端固定的平面梁板，計算時將其簡化為平面彈性力學問題，取其單位厚度進行計算。

圖2 巖性板梁的彎矩大小示意圖

根據圖2，可得式（1）。

式中：q為巖梁自重；l為空區跨度。

將頂柱受力認為是兩端固定的厚梁，根據力學模型，可得到頂板厚梁內的彎矩與應力大小，分別見式（2）、式（3）。

式中：M為彎矩，N·m；W為阻力矩；b為梁寬，m，保守計算取b＝1m；H為覆巖厚度（上部覆巖厚度與梁高h之和）。

頂板允許的應力σ許可表達為式（4）、式（5）。

3.1.2 荷載傳遞交匯線［5］

假定荷載由隔離層中心按豎直線成30～35°擴散角向下傳遞，當傳遞線位于頂與開采空區的交點以外時，認為開采空區壁直接支承頂板上的外載荷與巖石自重，隔離層是安全的。其原理如圖3所示。

圖3 荷載傳遞交匯線法計算示意圖

設β為荷載傳遞線與隔離層頂部中心線間夾角。隔離層安全厚度計算公式如式（7）所示。

式中：l為采空區跨度，m；h為隔離層計算厚度，m；n為安全系數。

3.1.3 厚跨比法［6］

3.1.4 薄板分析理論［7］

在計算過程中將頂底柱簡化為四邊固支的矩形等厚薄板，采用薄板分析理論。設矩形薄板程度為a，m；寬度為b，m；厚度為h，m；且a≥b。則板中面的撓曲函數W可表示為式（9）。

式中：a為進路寬度；b為進路長度

根據薄板彎曲理論，在結合彈性力學基礎，矩形等厚薄板的撓度微分方程見式（10）。

式中：W為豎直方向撓度；D為平板的撓曲剛度，D為平板材料的彈性模量；H為平板的厚度；U為平板材料的泊松比。

承載層在外載荷作用下發生彎曲變形，在中部位置彎矩最大，此處所受拉應力最大。承載層的危險面在進路的中部位置，最大危險點在板的幾何中心點，承載層中部最大拉應力應小于巖體最大抗拉強度。根據建立的四邊固支矩形等厚薄板模型可知，邊界條件撓曲為零，結合同能方程以及應力與撓曲的關系，解得最大應力，見式（11）。

由于大規模回采工作沒有進行，無法原地測得利用薄板理論計算時薄板邊界的水平應力p，為了提高理論計算的可靠性取值p＝q，即邊界條件為水平應力等于垂直應力。進一步簡化計算冗余度，令k＝1，即薄板為正方形a＝b＝l。根據上述公式計算得到：0.0972×h×L6＋25.98L3≤1117×h3。

3.1.5 各方法綜合分析與總結

對比各方法計算結果，取安全系數n＝1.3（表2），根據夾石層厚度變化來確定礦柱跨度，綜合考慮夾石礦柱尺寸對跨度及點柱結構參數的影響，保證采場結構參數在回采過程中基本不變。優先考慮整體穩定性，綜合以上，取頂柱厚度≥6m，不保守確定其跨度為7m。

表2 各方法計算結果

3.2 點柱尺寸確定

以點柱支撐面積經驗公式為基礎對作用在點柱上的垂直負荷進行估算。點柱設計時的安全系數取1.8，一般可維持礦柱的穩定［8］。點柱強度的設計經驗公式為式（12）［9］。

式中：CP為點柱的強度，MPa；σc為巖體單軸抗壓強度，MPa；W為點柱寬度，m；H1為點柱高度，m。

預留礦柱尺寸按正方形計算，間距7m，采用靜壓法進行承載力驗算［10］，見式（13）。

式中：σ為單根礦柱承載力，Pa；S為礦柱間采空區面積，m2；H為礦層埋深；ρ為圍巖密度，kg/m3；S′為預留礦柱面積，m2。

當σ≤Cp時，W≥6m。由于本例中屬緩傾斜礦體，礦層空高＞10m，且下層礦賦存一層約2m厚軟弱夾矸，綜合考慮礦柱尺寸6m×7m，且長軸方向逆傾斜方向布置。

3.3 數值計算分析

利用有限差分數值分析軟件FLAC3D建立850m×319m×200m（X×Y×Z）的計算模型，利用上文參數求解巖體開挖后應力分布和總體位移。采場中部剖面（x＝426）總體位移云圖見圖4。

數值模擬顯示，下層礦體開挖后，采場整體穩定性較差，頂板豎向位移較大。這是由于一方面礦柱較高，礦巖抗剪強度較低；另一方面數值建模中沒有在礦柱轉角處留有曲率半徑，應力集中顯著。所以在礦巖揭露過程中，應對下層礦礦柱制定提高整體抗剪強度的支護方案。

4 結論與建議

研究確定互層房柱法間隔頂柱厚度≥6m，點柱6m×7m，長軸沿傾向布置，跨度7m。針對緩傾斜互層房柱復雜巖體采礦工程，經過多種理論分析綜合確定礦柱合理的布置形式，為采場結構參數的確定提供了完整的研究路線和快速的解決方案，并通過數值分析為后續生產作業和技術措施提供指導。在緩傾斜互層礦體房柱法采礦中，礦柱軸向與傾向的關系和保證礦柱的高重疊率有待進一步研究。

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［7］周建華，李朝暉.薄板理論在采場假頂穩定性分析中的應用研究［J］.江西有色金屬，2001，15（1）：1－4.

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Study on stope structure parameters and stability for slightly inclined multi－layer ore bodies with room and pillar mining method

HUANG Dan，WU Peng，DONG Kai－cheng，GUO Li－jie
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

The complex rock mass structure was formed when mining slightly inclined multi－layer ore bodies with room and pillar method.The stope structure parameters significantly affects the safety and economy of mining production operations.This paper came up with the reasonable arrangement form of the stope，and through the theoretical calculations and analysis，determined the structural parameters.It provides a complete research technical route and a fast solution for other ore bodies with similar mining technical conditions using room and pillar method.

multi－layer ore－body；slightly inclined；room and pillar method；stope structure parameters；stability

黃丹（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事金屬采礦技術及礦山安全技術等研究工作。E－mail：bgrimmhd＠126.com。

TD851

A

1004－4051（2014）S2－0205－04

2014－09－23

國家科技支撐計劃項目資助（編號：2013BAB02B02）；貴州省科技計劃項目資助（編號：20116023）