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(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及穩(wěn)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(kāi)采緩傾斜互層礦體時(shí)形成復(fù)雜的巖體工程，其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)重影響著采礦作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文針對(duì)緩傾斜互層礦體提出了礦房合理布置形式，并通過(guò)多種理論計(jì)算與分析確定了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為應(yīng)用房柱法開(kāi)采類(lèi)似技術(shù)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(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；穩(wěn)定性

由于礦體賦存及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等條件限制，國(guó)內(nèi)采用房柱法開(kāi)采緩傾斜礦體礦山約占50%，國(guó)外這類(lèi)礦體也主要采用房柱法，其比例達(dá)61%［1］。在特殊的成礦機(jī)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(shí)房柱法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置及參數(shù)的確定難度大增，礦房點(diǎn)柱及隔層礦柱力學(xué)模型復(fù)雜。根據(jù)熱茲卡茲礦床開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，礦柱破壞與覆巖崩落絕大多數(shù)發(fā)生于礦體呈互層狀態(tài)的地段［2］。礦房礦柱尺寸的確定關(guān)系到采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采礦作業(yè)的可靠性與可行性。

1 礦山開(kāi)采技術(shù)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(xué)條件較差，圍巖中穩(wěn)－穩(wěn)固，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。礦體最低采深受制于資源稟賦，綜合考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件，采用機(jī)械化房柱法進(jìn)行采礦作業(yè)。

2 采場(chǎng)布置

實(shí)際生產(chǎn)中，由于礦體間物理力學(xué)性質(zhì)差異以及礦體與采動(dòng)邊界控制不均，互層礦體在采礦過(guò)程中“礦柱－間層－礦柱”的剛度結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致礦柱間荷載在不同區(qū)域有卸壓或應(yīng)力集中的過(guò)程。上下兩層礦體房柱法分別回采時(shí)，應(yīng)協(xié)同上下礦塊采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分層礦柱軸向?qū)R［3］。礦層間夾石層作為下層礦采空區(qū)的頂柱；在礦柱和頂柱連接的轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)應(yīng)力集中是礦柱應(yīng)力分布特點(diǎn)之一，相關(guān)研究表明，礦柱轉(zhuǎn)角處的曲率半徑與礦房跨度比值為0.25時(shí)為宜［4］。

3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

采用房柱法回采礦石，礦柱尺寸和礦柱間跨度關(guān)系到采場(chǎng)的穩(wěn)定性及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。由于該礦體條件的特殊性，最終形成上下房柱空?qǐng)鲩g隔頂柱的復(fù)雜巖體工程結(jié)構(gòu)，針對(duì)該特殊情況采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究技術(shù)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(yuǎn)小于下層礦體，所以進(jìn)而確定下層礦點(diǎn)柱的尺寸；綜合多種方法選比，確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬，校核采場(chǎng)整體的穩(wěn)定性。由于井下大范圍空?qǐng)鲎鳂I(yè)，普氏拱理論并不適于計(jì)算覆巖應(yīng)力，覆巖應(yīng)力以埋深（400m）計(jì)算。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.1 頂柱厚度與間柱跨度

3.1.1 平面板梁計(jì)算［5］

應(yīng)力破壞一般發(fā)生在兩礦柱最大跨度之間，假定它是材料力學(xué)中兩端固定的平面梁板，計(jì)算時(shí)將其簡(jiǎn)化為平面彈性力學(xué)問(wèn)題，取其單位厚度進(jìn)行計(jì)算。

圖2 巖性板梁的彎矩大小示意圖

根據(jù)圖2，可得式（1）。

式中：q為巖梁自重；l為空區(qū)跨度。

將頂柱受力認(rèn)為是兩端固定的厚梁，根據(jù)力學(xué)模型，可得到頂板厚梁內(nèi)的彎矩與應(yīng)力大小，分別見(jiàn)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(jì)算取b＝1m；H為覆巖厚度（上部覆巖厚度與梁高h(yuǎn)之和）。

頂板允許的應(yīng)力σ許可表達(dá)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(kuò)散角向下傳遞，當(dāng)傳遞線位于頂與開(kāi)采空區(qū)的交點(diǎn)以外時(shí)，認(rèn)為開(kāi)采空區(qū)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(jì)算示意圖

設(shè)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(jì)算公式如式（7）所示。

式中：l為采空區(qū)跨度，m；h為隔離層計(jì)算厚度，m；n為安全系數(shù)。

3.1.3 厚跨比法［6］

3.1.4 薄板分析理論［7］

在計(jì)算過(guò)程中將頂?shù)字?jiǎn)化為四邊固支的矩形等厚薄板，采用薄板分析理論。設(shè)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(shù)W可表示為式（9）。

式中：a為進(jìn)路寬度；b為進(jìn)路長(zhǎng)度

根據(jù)薄板彎曲理論，在結(jié)合彈性力學(xué)基礎(chǔ)，矩形等厚薄板的撓度微分方程見(jiàn)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(fā)生彎曲變形，在中部位置彎矩最大，此處所受拉應(yīng)力最大。承載層的危險(xiǎn)面在進(jìn)路的中部位置，最大危險(xiǎn)點(diǎn)在板的幾何中心點(diǎn)，承載層中部最大拉應(yīng)力應(yīng)小于巖體最大抗拉強(qiáng)度。根據(jù)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(jié)合同能方程以及應(yīng)力與撓曲的關(guān)系，解得最大應(yīng)力，見(jiàn)式（11）。

由于大規(guī)模回采工作沒(méi)有進(jìn)行，無(wú)法原地測(cè)得利用薄板理論計(jì)算時(shí)薄板邊界的水平應(yīng)力p，為了提高理論計(jì)算的可靠性取值p＝q，即邊界條件為水平應(yīng)力等于垂直應(yīng)力。進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算冗余度，令k＝1，即薄板為正方形a＝b＝l。根據(jù)上述公式計(jì)算得到：0.0972×h×L6＋25.98L3≤1117×h3。

3.1.5 各方法綜合分析與總結(jié)

對(duì)比各方法計(jì)算結(jié)果，取安全系數(shù)n＝1.3（表2），根據(jù)夾石層厚度變化來(lái)確定礦柱跨度，綜合考慮夾石礦柱尺寸對(duì)跨度及點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，保證采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在回采過(guò)程中基本不變。優(yōu)先考慮整體穩(wěn)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(jì)算結(jié)果

3.2 點(diǎn)柱尺寸確定

以點(diǎn)柱支撐面積經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)對(duì)作用在點(diǎn)柱上的垂直負(fù)荷進(jìn)行估算。點(diǎn)柱設(shè)計(jì)時(shí)的安全系數(shù)取1.8，一般可維持礦柱的穩(wěn)定［8］。點(diǎn)柱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式為式（12）［9］。

式中：CP為點(diǎn)柱的強(qiáng)度，MPa；σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；W為點(diǎn)柱寬度，m；H1為點(diǎn)柱高度，m。

預(yù)留礦柱尺寸按正方形計(jì)算，間距7m，采用靜壓法進(jìn)行承載力驗(yàn)算［10］，見(jiàn)式（13）。

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

當(dāng)σ≤Cp時(shí)，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(zhǎng)軸方向逆傾斜方向布置。

3.3 數(shù)值計(jì)算分析

利用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D建立850m×319m×200m（X×Y×Z）的計(jì)算模型，利用上文參數(shù)求解巖體開(kāi)挖后應(yīng)力分布和總體位移。采場(chǎng)中部剖面（x＝426）總體位移云圖見(jiàn)圖4。

數(shù)值模擬顯示，下層礦體開(kāi)挖后，采場(chǎng)整體穩(wěn)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(qiáng)度較低；另一方面數(shù)值建模中沒(méi)有在礦柱轉(zhuǎn)角處留有曲率半徑，應(yīng)力集中顯著。所以在礦巖揭露過(guò)程中，應(yīng)對(duì)下層礦礦柱制定提高整體抗剪強(qiáng)度的支護(hù)方案。

4 結(jié)論與建議

研究確定互層房柱法間隔頂柱厚度≥6m，點(diǎn)柱6m×7m，長(zhǎng)軸沿傾向布置，跨度7m。針對(duì)緩傾斜互層房柱復(fù)雜巖體采礦工程，經(jīng)過(guò)多種理論分析綜合確定礦柱合理的布置形式，為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供了完整的研究路線和快速的解決方案，并通過(guò)數(shù)值分析為后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)和技術(shù)措施提供指導(dǎo)。在緩傾斜互層礦體房柱法采礦中，礦柱軸向與傾向的關(guān)系和保證礦柱的高重疊率有待進(jìn)一步研究。

［1］尹升華，吳愛(ài)祥.緩傾斜中厚礦體采礦方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.金屬礦山，2007（12）：9－13.

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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(shù)及礦山安全技術(shù)等研究工作。E－mail：bgrimmhd＠126.com。

TD851

A

1004－4051（2014）S2－0205－04

2014－09－23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：2013BAB02B02）；貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：20116023）