9第七章矿柱支护采矿法的岩体控制730.doc

矿柱支护采矿法在生产采场之间设置矿柱，以有效地控制近场地层,防 止地表塌陷, 满足环境保护的要求。在采矿实践中为了取得对矿体的最大限 度的、安全的和经济的开采，要对矿柱支护采矿法的岩层控制问题进行研究 。本章主要内容包括矿柱支护结构组成、矿柱支护能力分析方法、矿房— 矿柱布置设计和矿柱支护条件下顶底板的稳定性分析。 矿柱支护采矿法的岩体控制 §7.1 矿柱支护结构组成 §7.2 矿柱支护能力分析 7.2.1 矿柱平均应力从属面积法分析法 7.2.2 矿柱强度分析 §7.3 矿房—矿柱布置设计 7.3.1 矿房—矿柱参数计算 7.3.2 采矿尺寸与矿石采出量 §7.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析 矿柱支护采矿法是根据矿体倾角的大小，将井田划分成矿块或盘区，在矿块或盘区内交替布置矿房和矿柱，回采矿房时，留规则的连续或间断矿柱支撑顶板，这就是矿柱支护采矿法的基本特征。由于矿柱支护采矿法属于部分回采, 能够有效地控制覆岩移动, 减少地表移动和变形, 特别适合于不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下采矿。 矿柱支护采矿法主要用于开采矿石和围岩都稳固的水平和缓倾斜矿体。如果矿房顶板为中等稳固时，还可以辅以锚杆支护，配合矿柱加强对顶板的支护效果。矿柱支护法既可用于薄矿体，也可用来开采厚矿体和极厚矿体。 §7.1 矿柱支护结构组成 以矿柱为基础支护的采矿方法，在采矿过程中要控制整个采矿影响区域内的岩体位移，就意味着要维持单个采场围岩的局部稳定性和对矿井近场区域内位移进行控制。采场的局部稳定性和近场地层的控制可以作为独立的设计问题来考虑。如图7.1所示。在生产采场之间设置承载物或矿柱，可以控制近场地层。矿柱支护体系是否处于有效工作性状与单个矿柱的大小及它在矿体中的位置有关。这些因素又直接与矿柱的承载力和矿柱所支护的岩体对矿柱施加的荷载有关。 图7.1 采场近场围岩及局部稳定性控制 另一方面，在矿体中留设矿柱将导致可采资源临时性积压或永久性浪费。一个经济的支护体系设计，要求矿柱所占用的矿石最少而又能满足矿井结构整体稳定性的要求。因此，在采矿实践中为了取得对矿体的最大限度的、安全的和经济的开采，有必要对岩体性质、单个矿柱和矿柱体系的工作状态进行讨论。 图7.2 房柱法开采布置示意图 图7.3 开采倾斜矿体的矿柱布置 图7.2中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图7.3中，标号为A的矿块是水平的横向矿柱，而B则为水平的纵向矿柱。矿柱B也可称作采场“1”的底柱或采场“2”的顶柱。如果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。 在图7.2和图7.3中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。如果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。一个矿体如果在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个采矿区或盘区，就可以排除这种垮落的可能性。图7.4即为这样一个系统的平面布置，这样设计的间隔矿柱实际上是不可毁坏的，因此每个盘区可以看作是一个独立采矿区域。这样，任何垮落的最大范围也只限于在那个盘区内。很明显，由于盘区矿柱与间隔矿柱工作特点不同，则用于盘区矿柱与间隔矿柱的设计原则相应有所不同。 图7.4 向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置 §7.2 矿柱支护能力分析 在对矿井支护结构中的一组矿柱工作状态进行分析和预测时，可以使用岩石力学中的多种计算方法来确定整个岩体中的应力状态。然而，通过以静力平衡为基础的简单分析，我们仍然可以得到有关矿柱体系工作特性的一些有益的认识。应用它我们可以建立支护单元中的平均应力，然后将这个平均应力与岩体的平均强度相比较，从而确定矿柱的稳定性。 7.2.1 矿柱平均应力的从属面积分析法 图7.5（a）所示为一具有均匀厚度的平伏状矿体的横剖面，用长矿房和留房间矿柱的方法开采。矿房和矿柱跨度分别为和。图7.5（b）所示为一组足够多的房、柱中有代表性的一部分。考虑在内力作用下这个结构物的平衡，并在垂直于该剖面的方向上取单位厚度。由图7.5（c）所示有代表性的隔离体的平衡方程为: 或 （7.1） 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。 矿柱结构有代表性的隔离体宽度()常看作为该矿柱的从属面积。因此，从属面积法是一种用来估算矿柱平均轴向应力状态的方法。 开采一个具有均匀厚度的矿体时，有实际意义的量是面积采出比，其定义为：开采面积/矿体总面积。 图7.5 矿柱稳定性的从属面积分析法（已手改） 如图7.5（c）所示，考虑有代表性的部分矿体，面积采出比也可写为