矿柱支护采矿法的岩体控制

矿山压力与岩层控制之第七章,矿柱支护采矿法的岩体控制,本章提要,本章特点,学习难点,P1,矿柱支护采矿法的岩体控制崩落采矿法的岩体控制,有较多的基本概念矿柱支护采矿法体系,矿柱支护采矿法的矿压显现规律矿柱支护采矿法的矿压控制方法,P2,矿柱支护采矿法的基本特征：矿块或盘区交替布置矿房和矿柱；回采矿房留规则的连续或间断矿柱支撑顶板；中等稳固顶板辅以锚杆支护,矿柱支护采矿法的应用范围：开采矿石和围岩都稳固的水平和缓倾斜矿体主要薄矿体、开采厚矿体、极厚矿体,P3,7.1矿柱支护结构组成7.2矿柱支护能力分析7.3矿房矿柱布置设计7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,7.1矿柱支护结构组成,P4,矿柱承载力岩体施加荷载,影响,单个矿柱大小在矿体中位置,P5,7.1矿柱支护结构组成,采场的局部稳定性近场地层的控制,设计,考虑,图7.1采场近场围岩及局部稳定性控制,P6,7.1矿柱支护结构组成,图7.2房柱法开采布置示意图,矿柱都是垂直矿柱。对于一个双向受载或是双向约束的矿柱来说，相应于受载尺寸较小的那个方向用来表示该矿柱的主要支护形式。,P7,7.1矿柱支护结构组成,图7.3开采倾斜矿体的矿柱布置,A水平横向矿柱B水平纵向矿柱（“1”的底柱或采场“2”的顶柱）若纵向矿柱沿矿体的走向延伸达几个矿块，则这样的矿柱称为巷道矿柱。,P8,7.1矿柱支护结构组成,图7.2和7.3所示矿井支护结构存在的问题？,在两图所示的矿井支护结构中，矿柱承受围岩施加的应力而引起的破坏将导致近场岩体大范围的垮落。若未充填的采空区的面积很大，则这种垮落将有沿矿柱结构传播的危险。,解决办法：一个矿体若二维方向上很大，设置间隔矿柱把矿体划分为几个采矿区或盘区。如图7.4,P9,7.1矿柱支护结构组成,图7.4向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置,如图设计的间隔矿柱实际上不可毁坏，因此每个盘区可以看作是一个独立采矿区域，任何垮落的最大范围只限于在那个盘区内。,P10,7.1矿柱支护结构组成7.2矿柱支护能力分析7.3矿房矿柱布置设计7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,P11,7.2矿柱支护能力分析,矿柱平均应力从属面积法分析法,均匀厚度的平伏状矿体横剖面，用长矿房和留房间矿柱方法开采,一组足够多的房、柱中有代表性的一部分,代表性隔离体,图7.5,P12,7.2矿柱支护能力分析,由图(C)所示有代表性的隔离体的平衡方程为,或,式中矿柱轴向平均应力采矿前应力场的垂直向正应力分量,仍考虑c中有代表性的部分矿体，面积采出比也可写为,代入（7.1）式,(7.1),(7.2),P13,7.2矿柱支护能力分析,图7.6矿柱从属面积分析法的几何要素,分析方法与上面类似,P14,7.2矿柱支护能力分析,典型矿柱的从属面积具有平面尺寸(a+c)，(b+c)。因此，为满足垂直方向上的静力平衡条件，要求,或,面积采出比为：,(7.3),与方程（7.2）完全一样,平面尺寸为方形矿柱时，矿柱被尺寸为的矿房分开，方程（7.3）成为：,(7.4),矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关（如（7.2）式）,P15,7.2矿柱支护能力分析,分析：,而且，对于任何几何规则的采矿布置来说，矿柱平均轴向应力直接由面积开采比确定。,式（7.1）式（7.3）式（7.4）,表明,矿房和矿柱的尺寸采矿前的法向正应力分量,直接算出,矿柱的平均轴向应力状态,P16,7.2矿柱支护能力分析,图7.7矿柱应力集中系数与面积采出比关系,分析,当面积采出比大时，即使面积采出比增加很小，矿柱中应力也增加极大。例当从0.90增加到0.91时，应力集中系数从10.0增加到11.1。集中应力解释了采用天然矿柱支护法时面积采出比常小于0.75的原因。低于此值时，随的变化是很小的；高于此值时，情况相反。,思考,矿柱平均应力的从属面积分析法的限制？,P17,7.2矿柱支护能力分析,形状的影响主因素：,应力场各分量不只平行于轴线方向分量的重分布,暴露了从属面积法的不足,相邻围岩的制约,破坏方式随纵横比（即宽/高比）改变而变化,矿柱强度分析,P18,Hardy和Agapito（1977）所指出，矿柱大小和几何形状对强度的影响可由一经验指数关系表达，即,7.2矿柱支护能力分析,由上式得若对一个矿体的单位立方体试块进行强度试验，则强度参数值直接测出。,(7.5),原因：式两边量纲不统一,正确方法：在特定力学环境下，对观察到的破坏情况详细分析后得出，或对典型矿柱仔细设计后现场加载试验而得。,P19,7.2矿柱支护能力分析,Cool，N.G.W等人（1971）在典型矿柱中部的切割槽中放入一组千斤顶加压试验结果最合适（原因：保持了矿柱的端部自然边界条件）矿柱大小和形状对矿柱强度影响的另一表达式,(7.6),式（7.5）和式（7.6）中，因两个表达式中量纲不当，基本强度参数和不相等。横剖面为方形的矿柱，指数线性相关。相关性如下：,(7.7),P20,7.2矿柱支护能力分析,Salamon和Munro（1967）总结了由各种渠道获得的方形截面矿柱强度指数的一些估计值，见表7.1。,表7.1基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值,P21,7.2矿柱支护能力分析,Hardy和Agapito（1977）提出了矿柱强度公式的另一表达式：,应用此公式时，简便的方法是取一个比例关系，即确定一个己知形状和大小的试样的单轴压缩强度并从下式估算矿柱强度：,式中下标分别指矿柱p和s试样,(7.8),(7.9),P22,7.1矿柱支护结构组成7.2矿柱支护能力分析7.3矿房矿柱布置设计7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,如何布置设计？,7.3矿房矿柱布置设计,P23,矿房-矿柱参数计算,平伏层矿体开采设计参数,从属面积法,垂直矿柱平面方向场应力分量,开采或矿柱高度,矿房跨度,矿柱宽度,防止矿柱破坏的安全系数,h,W0,Wp,F,Pzz,方形矿柱、长形矿柱同样适用,矿房跨度可以单独地确定,P24,7.3矿房矿柱布置设计,安全系数选取,图7.8南非矿柱完整和破坏频率直方图,矿柱破坏的频率分布保持稳定的频率分布完整矿柱性状分布集中在1.31.9,合理设计值为1.6,表明,P25,7.3矿房矿柱布置设计,矿房矿柱尺寸确定例子说明,例：一个2.5m厚的水平矿体位于地表下80m深处，上覆岩体容重为25KN/m3。初始采矿布置设计中矿房跨度为6m，矿柱为边长5m的方形，全厚度开采。矿柱强度由下面经验公式确定：,式中S的单位为MPa，h和Wp的单位为m。,(7.10),P26,7.3矿房矿柱布置设计,这个布置方案的从属面积法分析如下：,（a）采矿前的应力,（b）矿柱平均轴向应力,（c）矿柱强度,（d）安全系数,P27,7.3矿房矿柱布置设计,重新设计可选方案：,方案一，减少矿房跨度以降低了矿柱应力水平；,方案二，增加矿柱宽度以提高矿柱强度；,方案三，降低矿柱（或开采）高度。,F1.6,结果：,方案一：,方案二：,方案三：,哪个方案可最大限度开采？,P28,7.3矿房矿柱布置设计,图7.92.5m厚矿体中采矿设计的选择,P29,7.2矿柱支护能力分析,采矿尺寸与矿石采出量,矿柱的安全系数是矿柱大小，矿房跨度和矿柱高度（或矿体回采厚度）的函数，即：,目的确定采矿尺寸,7.3矿房矿柱布置设计,图7.10部分开采和等效体积开采,P30,作图法说明任一步回采作业中，都能保证矿柱支护力学上的完整性，且使体积采出比最大。,7.3矿房矿柱布置设计,从一个平面尺寸为高度为h的矿块中开采出的矿石体积为,当在这个矿块的整个面积上开采时，为获得与上述相同的开采体积，也即在面积上，要开采一个称之为等价开采高度的采矿高度。等价开采高度由以下表达式确定。,或,(7.12),P31,(7.11),7.3矿房矿柱布置设计,根据等价开采高度，可以很方便地计算出天然支护采矿的产量。在这种采矿中，矿体典型部分面积上的矿体被全部开采。这样，采场几何布置的任何改变，如能使这个开采高度增加，就表示采矿产量将会增加。可以这样来对采场几何形状的改变效果进行评价，即考虑一个任何厚度的矿体，选定一个特定的矿房跨度和开采高度，并计算矿柱大小以满足矿柱支护结构的安全系数要求（如前面的设计例题方案（2）中所讨论过的那样）。,P32,7.3矿房矿柱布置设计,图7.11矿体产量、矿房跨度和实际开采高度之间的关系,Salamon对开采深度为152m、安全系数为1.6的现场条件进行的工作如图：,矿体开采产量增加,等价开采高度增加,单独增加矿房跨度和实际开采高度,导致,导致,P33,7.3矿房矿柱布置设计,同时满足以下条件：,（a）开采高度为矿体的最大厚度（即全厚）,（b）以保证矿房帮壁局部稳定性的最大矿房跨度开采,体积采出比=等价开采高度矿体厚度,开采矿石量最大,矿柱体系完整,P34,(7.13),代入,7.3矿房矿柱布置设计,考虑下列假设情况：,一组矿体厚为M，其范围从1.5m到6.0m，位于地表下的不同深度。假设矿房最大稳定跨度为6.0m，上覆岩体容重为25KN/m3，矿柱强度由方程（7.10）确定。在每个矿体中，矿体的全厚度和矿房最大稳定跨度可用来决定矿柱的平面尺寸，这个尺寸可以产生1.6的矿柱安全系数。,既然任何这样的开采几何布置都将能得到最大的开采量，对于矿体深度和厚度这样的特定情况，最大体积采出比可以直接从方程（7.13）中计算，如图7.11所示。,P35,7.3矿房矿柱布置设计,图7.12不同埋深和厚度矿体的最大体积开采比,P36,7.3矿房矿柱布置设计,从图7.11中可以看到两个特点:,对于任何矿体厚度，从矿柱支护采矿中所得到的最大安全开采量将随着矿体埋深的增加而大大下降。因此，如果正在开采一个缓倾斜的矿体，则随着采矿向下行，矿柱所占用的矿石量将逐渐增加。,当用完整矿柱支护法和一步回采法开采厚煤层或矿体时最大采出比可能较低，对于厚6m、埋深244m的煤层，从一步回采法所得到的产量将低于整个矿产资源的25%。,P37,7.1矿柱支护结构组成7.2矿柱支护能力分析7.3矿房矿柱布置设计7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,P38,7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,问题的引出：,在利用从属面积法讨论矿柱设计时，隐含地假设了矿柱对围岩的支护能力由矿柱强度确定，在上、下盘岩体相对于矿体来说较弱时，矿柱支护体系会由于矿柱挤入矿体围岩中而失效。其破坏方式类似于基础承载力丧失时的破坏方式，并可用类似的方法来分析。这种破坏方式表现为矿柱周边附近的底板岩体的隆起或顶板岩体的剥离和破裂。,P39,7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,图7.13矿柱对底板的作用,P40,7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩体所施加的荷载可以等价地看作是半空间体表面上作用一分布荷载的情况。,BrinchHansen（1970），给出了具有粘结力的摩擦型材料如软岩的承载力的实用计算方法。对于半空间上作用均匀带状荷载的情况，其承载力由经典的塑性分析得出,承载力因子定义为,P41,(7.14),7.4矿柱支护条件下顶底板稳定性分析,方程（7.14）表示了一条长的矿柱作用下所产生的承载力，对于长度为的矿柱，为了反映矿柱平面形状的改变，承载力表达式修改为,式中和是由下式定义的形状因子,抵抗承载力破坏的安全系数为,即将矿柱平均轴向应力