某礦山采場頂板穩定性分析研究

梁勝增

【摘 要】為防止礦山礦石在回采過程中采空區破壞帶來的巨大威脅，必須對采場頂板的穩定性作出合理準確的分析，為處理方案提供理論支持。采空區頂板穩定性是通過其最小安全厚度來判定的。本文分別利用傳統方法、極限分析法和彈性力學小變形薄板理論方法對某礦山4#和30#礦采場頂板最小安全厚度進行計算，并考慮安全性和經濟性得出合理的建議值。

【關鍵詞】采空區；頂板；穩定性；最小安全厚度

0 引言

地下采礦過程中的巖石力學問題是影響礦山發展的技術難題，開采較深的礦山遇到這一問題更為突出。大部分有色金屬礦山面臨資源減少或枯竭的局面，許多礦山將逐漸轉入深部礦床的開采。隨著開采深度的增加，地壓活動加劇，巖石力學問題也越來越突出，某些礦山已被日益加劇的地壓活動所困擾，安全事故頻繁，采礦效率低，甚至造成大量資源的損失。

某礦山地處安徽省池州市境內，于1959年投產，曾采用露天開采和露天—坑下聯合開采的方式開采。坑下已開采的中段有：0m、-40m、-80m、-120m、-170m、-214m和-257m，目前正在開采-301m、-345m和-388m中段，主要開采前山南4#礦體和30#礦體。主要礦石類型為含銅磁鐵礦、含銅含銅黃鐵礦、含銅燧石礦及含銅矽卡巖等。4#礦體頂板為大理巖，底板為閃長巖；30#礦體頂板為矽卡巖，底板為閃長巖、五通石英巖。

礦山采用空場嗣后充填采礦法開采至今已有30余年，分二步驟回采，先采礦柱后采礦房，礦柱回采后采用尾砂膠結充填，礦房則用分級尾砂充填。隨著開采中段的下降，地壓增大，地壓活動顯現明顯。2009年1月8日在-345m中段4#礦體1#柱發生了大面積冒頂事故，給礦山安全生產造成了重大損失。嚴重的地壓活動已成為制約礦山安全、高效開采的首要問題，為此，需盡快開展全礦區地壓控制措施及監測技術研究，為礦山安全生產提供技術保障。

為了保證回采時的安全，減少礦石的損失貧化，必須在礦體頂板上預留一定厚度的頂柱，科學合理地確定采場頂柱巖層安全厚度是采場結構設計的重要內容。

評價采空區頂板穩定性必須分析兩個因素：一是內在因素，包括頂板的厚度、跨度、形態及巖體的工程特性指標等；二是外在因素。綜合來說，影響采空區頂板的穩定因素主要有4個方面，即頂板的完整程度、頂板形態（水平或拱形）、頂板的厚度及跨度。在實踐中，先將上述諸因素加以概化，把頂板區分為完整頂板和非完整頂板，然后采用近似的辦法計算。

1 采場頂板穩定性分析計算結果

1.1 傳統的采空區頂板安全厚度分析方法計算結果

該礦中段高度為44m，采場上盤暴露面長度約35m，采場長度隨礦體厚度變化。為合理分析不同跨度下采場頂板的安全厚度，分別取采場長度20m、30m、40m、50m，采場寬度（跨度）8m、10m、12m進行計算。分析過程只考慮頂板承擔的最大載荷為頂板的自身重力，對采場頂柱安全厚度進行計算，計算結果如表1。

1.2 基于極限分析法的頂板安全厚度計算分析

在只考慮頂板自身重力的情況下，取安全系數為1.5，采用極限分析法進行計算分析時按四周固支約束形式進行，計算頂板巖層安全厚度所需的參數如表2所示。

進行采空區頂板安全厚度計算時，考慮保安層上覆均布載荷為q=γh（頂板自重）。不同的采場跨度（礦體厚度）情況下，采空區頂板安全厚度與采場跨度的關系如表3所示。

1.3 基于彈性力學小變形薄板理論的頂板安全厚度計算結果

根據巖體力學參數計算得出，不同跨度條件下，采空區頂板安全厚度如表4。

1.4 采空區頂板安全厚度計算結果綜合分析

根據極限分析法和彈性力學小變形薄板理論分析法的計算結果可以看出，采場跨度是影響頂板安全厚度的最主要因素。取采場平均長度40m，采用上述幾種不同方法對采空區頂板安全厚度的計算結果統計分析如圖1。

根據計算結果綜合分析，采用按破裂拱概念估算法計算得到的頂板安全厚度最小，而采用荷載傳遞交匯法計算得到的頂板安全厚度最大。綜合考慮工程的安全性和經濟性，可取上述幾種方法的平均值，采場頂板安全厚度在跨度8m處可取4.5m，跨度10m處可取5.5m，跨度12m處可取6.6m。

2 結論

大量礦山采空區，致使礦山開采條件惡化，引起礦柱變形、相鄰作業區采場和巷道維護困難，并造成環境惡化和礦產資源浪費，更有可能造成人員的傷亡。因此，對礦山采場頂板穩定分析、從而留出合理的安全厚度就顯得尤為重要。本文采用幾種不同的方法對礦山采場的頂板穩定進行了詳細地計算，并考慮安全性和經濟性得出比較合理的數值，為礦山的安全生產提供了保障。

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[責任編輯：薛俊歌]