矿柱支护采矿法的岩体控制

1、矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制之第七章之第七章 矿柱支护采矿法的岩矿柱支护采矿法的岩 体控制体控制 本章提要 本章特点 学习难点 P1 l矿柱支护采矿法的岩体控制 l崩落采矿法的岩体控制 l 有较多的基本概念 l矿柱支护采矿法体系 l矿柱支护采矿法的矿压显现规律 l矿柱支护采矿法的矿压控制方法 P2 F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 F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 7.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成 7

2、.2 7.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 7.3 7.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 7.4 7.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析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 矿柱承载力矿柱承载力 岩体施加荷载岩体施加荷载 影影 响响 单个矿柱大小单个矿柱大小 在矿体中位置在矿体中位置 影响影响 体系有效工作性状体系有效工作性状 P5 7.1 矿柱支护结构组成 矿柱支护单元 矿体近场岩体-其工作 性状由矿柱设计控制 采场围岩-其工作 性状由采场设计控制 采场的局部稳定性 近场地层的控制 设计 考虑考虑 图7.1 采场近场围岩及局部稳定性控制 P6 7.1 矿柱支

3、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 矿 体 边 界 采 场 2 采 场 1 剖 面剖 面 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

4、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 采 场 或 采 空 区 盘 区 矿 柱 间 隔 矿 柱 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 7.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成 7.2 7.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 7.3 7.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布

5、置设计 7.4 7.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析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矿柱平均应力从属面积法分析法 (c)(b) (a) Wp W0 Pz Wp W0+Wp Wp W0+Wp 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 ) 1 1 ( r p zzp zzpopp pwww)( zz p po p p w ww)( )( po o ww w r 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

6、矿柱轴向平均应力 采矿前应力场的垂直向正应力分量 p zz p F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) )( 1 po o ww w r (7.2) P13 7.2 矿柱支护能力分析 c a b c ( b + c ) （a + c) 矿 柱 A 的从 属 面 积 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 )(cbcapab zzp ab cbca pzz p )( )( )( cbc

7、a abcbca r 或 面积采出比为： ) 1 1 ( r pzz p (7.3) F与方程（7.2）完全一样 F 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： pp WW 0 W 2 )( p po zzp w ww p (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： J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（式（7.17.1） 式（式（7.37.3） 式（式（7.47.4） 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

8、 面积开采比，r 0 2 4 6 8 10 12 00.81 p/Pzz 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 F分析分析 J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。 zzp p/ 思思 考考 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

9、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 bpa h w vSS)( 1 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。 1 SS (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）

10、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 p a whSS 2 )( 3 1 a (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： )2( 3 1 b(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。 来源 ab 备注 Salamon和Munro (1967) -0.660.160.460.0480.14

11、南非煤层，现场破坏 Greenwald等 （1939） -0.830.50-0.1110.72 匹兹堡煤层，模型试验 Steart(1954);Holland 和Gaddy(1957) -1.000.50-0.1670.83 西弗吉尼亚实验室试验 Skinner(1959) -0.079硬石膏实验室试验 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： 833. 0118. 0 1 )( h w vSS p 833. 0118. 0 )/()()( s s p p s p sp h w

12、 h w v v SS 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 7.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成 7.2 7.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 7.3 7.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 7.4 7.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析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 F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

13、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 0 2 4 6 8 10 12 00.511.522.533.5 安全系数 发生频率 破坏情况 稳定情况 破坏情况2 稳定情况的半数十分集中 在R范围内 R的下限 F1=1.31 R的平均值 Fm=1.57 R的上限 Fu=1.88 R F=1 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

14、说明 例：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： 46. 066. 0 18. 7 p whS 式中式中S的单位为的单位为MPa，h 和和Wp的单位为的单位为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 MPakPapzz0 . 22580 MPaMPa p 68. 9) 0 . 5 0 . 50 . 6 (0 . 2 2 MPaMP

15、aS22. 80 . 55 . 218. 7 46. 066. 0 85. 0 68. 9 22. 8 F 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： mhmwmw po 5 . 2,0 . 5,0 . 3 mhmwmw po 96. 0,0 . 5,0 . 6 mhmwmw po 5 . 2,75. 7,0 . 6 哪个方案 可最大限 度开采？ P28 7.3 矿房矿柱布置设计 （b）（a） 矿体下盘 矿体上盘 （c）

16、m m0.96m 8.0m 13.75m 8.0m 5.0m 7.75m 5.0m 图7.9 2.5m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： ),(hwwfF op 目的确定采矿尺寸hWWp, 0 7.3 矿房矿柱布置设计 W0+WpW0+Wp 采场上盘矿体上盘 矿体上盘 采场下盘 开采等价高度he时的采空区 （即在整个区域上开采） 采空区 Wp W0+Wp W0+Wp 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

17、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)( po ww )( 2 2 ppoe wwwhV )()( 2 22 ppoepoe wwwhVwwh 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。 )(1 2 po p e ww w hh 2 )( po ww 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

18、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

19、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 )(1 2 0p p e ww w M h M h R 开采矿石量最大 矿柱体系完整 P34 (7.13) )(1 2 po p e ww w hh 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

20、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 3.05m Wo=6.10m =25KNm-3 安全系数=1.6 M=1.52m 3.05m 4.57m 6.10m 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。

21、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 7.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成 7.2 7.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 7.3 7.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 7.4 7.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析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 F问题的引出： J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 F 在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩