第六章礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制山科

1、礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制2021-10-22strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制目目 錄錄6.1 礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)組成礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)組成6.2 礦柱支護(hù)能力分析礦柱支護(hù)能力分析 6.2.1 礦柱平均應(yīng)力的從屬面積分析法礦柱平均應(yīng)力的從屬面積分析法 6.2.2 礦柱強(qiáng)度分析礦柱強(qiáng)度分析6.3 礦房礦房礦柱布置設(shè)計(jì)礦柱布置設(shè)計(jì) 6.3.1 礦房礦房礦柱參數(shù)計(jì)算礦柱參數(shù)計(jì)算 6.3.2 采礦尺寸與礦石采出量采礦尺寸與礦石采出量6.4 礦柱支護(hù)條件下頂?shù)装宸€(wěn)定性分析礦柱支護(hù)條件下頂?shù)?/p>

2、板穩(wěn)定性分析strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 礦柱支護(hù)采礦法是根據(jù)礦體傾角的大小，將井田劃分成礦塊礦柱支護(hù)采礦法是根據(jù)礦體傾角的大小，將井田劃分成礦塊或盤區(qū)，在礦塊或盤區(qū)內(nèi)交替布置礦房和礦柱，回采礦房時(shí)，留或盤區(qū)，在礦塊或盤區(qū)內(nèi)交替布置礦房和礦柱，回采礦房時(shí)，留下規(guī)則的連續(xù)或間斷礦柱支撐頂板，這就是礦柱支護(hù)采礦法的基下規(guī)則的連續(xù)或間斷礦柱支撐頂板，這就是礦柱支護(hù)采礦法的基本特征。由于礦柱支護(hù)采礦法屬于部分回采，能夠有效地控制覆本特征。由于礦柱支護(hù)采礦法屬于部分回采，

3、能夠有效地控制覆巖移動(dòng)，減少地表移動(dòng)和變形，特別適合于在不能搬遷又不便加巖移動(dòng)，減少地表移動(dòng)和變形，特別適合于在不能搬遷又不便加固維修的密集建筑物下采礦。固維修的密集建筑物下采礦。 礦柱支護(hù)采礦法主要用于開采礦石和圍巖都穩(wěn)固的水平和緩礦柱支護(hù)采礦法主要用于開采礦石和圍巖都穩(wěn)固的水平和緩傾斜礦體。如果礦房頂板為中等穩(wěn)固，還可以輔助采用錨桿支護(hù)，傾斜礦體。如果礦房頂板為中等穩(wěn)固，還可以輔助采用錨桿支護(hù)，配合礦柱加強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)效果。礦體支護(hù)法既可以用于薄礦體，配合礦柱加強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)效果。礦體支護(hù)法既可以用于薄礦體，也可以用來開采厚礦體和極厚礦體。也可以用來開采厚礦體和極厚礦體。strata co

4、ntrol of pillars support mining method2021-10-226.1 礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)組成礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)組成礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)單元礦體近場(chǎng)巖體-其工作 性狀由礦柱設(shè)計(jì)控制 采場(chǎng)圍巖-其工作性狀由采場(chǎng)設(shè)計(jì)控制 在采礦過程中，要控制在采礦過程中，要控制整整個(gè)采礦影響區(qū)域個(gè)采礦影響區(qū)域內(nèi)的巖體位移，內(nèi)的巖體位移，需要維持需要維持單個(gè)采場(chǎng)圍巖單個(gè)采場(chǎng)圍巖的局部的局部穩(wěn)定性和對(duì)礦井近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)位穩(wěn)定性和對(duì)礦井近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)位移進(jìn)行控制。移進(jìn)行控制。 采場(chǎng)的局部穩(wěn)定性、近采場(chǎng)的局部穩(wěn)定性、近場(chǎng)地層的控制可以作為獨(dú)立場(chǎng)地層的控制可以作為獨(dú)立的設(shè)計(jì)問

5、題來考慮。的設(shè)計(jì)問題來考慮。 strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦體邊界采場(chǎng)1采場(chǎng)2剖面圖圖6.3 6.3 開采傾斜礦體的礦柱布置開采傾斜礦體的礦柱布置圖圖6.2 6.2 房柱法開采布置示意圖房柱法開采布置示意圖 圖圖6.2中所示的每個(gè)礦柱都是垂直礦柱。在圖中所示的每個(gè)礦柱都是垂直礦柱。在圖6.3中，標(biāo)號(hào)為中，標(biāo)號(hào)為a的礦塊是的礦塊是水平的橫向礦柱，而水平的橫向礦柱，而b則為水平的縱向礦柱。礦柱則為水平的縱向礦柱。礦柱b也可稱作采場(chǎng)也可稱作采場(chǎng)“1”的底的底柱或采場(chǎng)柱

6、或采場(chǎng)“2”的頂柱。的頂柱。 strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 一個(gè)礦體若在二維方向上很大，則通過設(shè)置間隔礦柱把礦體劃分為幾個(gè)一個(gè)礦體若在二維方向上很大，則通過設(shè)置間隔礦柱把礦體劃分為幾個(gè)采礦區(qū)或盤區(qū)采礦區(qū)或盤區(qū)，就可以排除礦體整體垮落的可能性。，就可以排除礦體整體垮落的可能性。 采場(chǎng)或采空區(qū)盤區(qū)礦柱間隔礦柱圖圖6.4 6.4 向兩側(cè)延伸的礦體間隔礦柱和盤區(qū)的布置向兩側(cè)延伸的礦體間隔礦柱和盤區(qū)的布置 每個(gè)盤區(qū)可以看作是一個(gè)獨(dú)立采礦區(qū)域。這樣，任何垮落的最大范圍也只每

7、個(gè)盤區(qū)可以看作是一個(gè)獨(dú)立采礦區(qū)域。這樣，任何垮落的最大范圍也只限于在盤區(qū)內(nèi)。限于在盤區(qū)內(nèi)。 strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制6.2 礦柱支護(hù)能力礦柱支護(hù)能力 6.2.1 平均應(yīng)力從屬面積平均應(yīng)力從屬面積(c)(b)(a)wpw0pzwpw0+wpwpw0+wpzzppppwww)(0 （6-1）圖圖6.5 礦柱穩(wěn)定性的從屬面積分析法礦柱穩(wěn)定性的從屬面積分析法strata control of pillars support mining method2021-10-

8、22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制=開采面積開采面積/礦體總面積。礦體總面積。)(00pwww（6-2）)11(zzpp由（由（6.1）、（）、（6.2）式可得到：）式可得到：考慮有代表性的部分礦體，如圖考慮有代表性的部分礦體，如圖6.5c6.5c所示，面積采出比也可表示為：所示，面積采出比也可表示為：因此（6-3）（6-4）strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 采礦平面布置采礦平面布置（涉及到的礦柱平面尺寸（涉及到的礦柱平面尺寸a a、b b、礦房跨

9、度為、礦房跨度為c c）也可用）也可用類似的方式處理。類似的方式處理。 (b+c)cbac礦柱a的從屬面積（a+c)(cbcapabzzp滿足垂直方向上的靜力平衡條件：滿足垂直方向上的靜力平衡條件： 面積采出比為：面積采出比為： )()(cbcaabcbca（6-5）（6-6）對(duì)式（對(duì)式（6-56-5）作某些簡(jiǎn)單的處理，得）作某些簡(jiǎn)單的處理，得)11(zzpp（6-7）式（式（6-7）與式（）與式（6-4）完全一樣）完全一樣。圖圖6-6 6-6 礦柱從屬面積分析法的幾何要素礦柱從屬面積分析法的幾何要素strata control of pillars support mining method

10、2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 對(duì)于平面尺寸為對(duì)于平面尺寸為 的方形礦柱的情況，礦柱被尺寸為的方形礦柱的情況，礦柱被尺寸為 的礦房分開，式（的礦房分開，式（6-56-5）可寫為）可寫為當(dāng)然，礦柱平均軸向應(yīng)力仍與面積采出比相關(guān)（式當(dāng)然，礦柱平均軸向應(yīng)力仍與面積采出比相關(guān)（式6-46-4）。）。（6-8） 式（式（6-16-1）、（）、（6-56-5）和式（）和式（6-86-8）表明，在可能的礦柱布置方式中）表明，在可能的礦柱布置方式中礦柱的平均軸向應(yīng)力狀態(tài)可以由礦房和礦柱的尺寸及采礦前的法向正應(yīng)礦柱的平均軸向應(yīng)力狀態(tài)可以由礦房和礦柱的尺寸及采礦前的法向正應(yīng)力

11、分量直接算出。力分量直接算出。對(duì)于任何幾何規(guī)則的采礦布置來說，礦柱平均軸向應(yīng)對(duì)于任何幾何規(guī)則的采礦布置來說，礦柱平均軸向應(yīng)力直接由面積開采比確定力直接由面積開采比確定。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱的應(yīng)力水平與面積采出比的關(guān)系如圖礦柱的應(yīng)力水平與面積采出比的關(guān)系如圖6.76.7所示。所示。 圖圖6.7 礦柱應(yīng)力集中系數(shù)與面積采出比關(guān)系礦柱應(yīng)力集中系數(shù)與面積采出比關(guān)系 從圖中可以看到，當(dāng)面積采出比很大時(shí)，即使面積采出比有很小的從圖中可以看到，當(dāng)面積采出比很大時(shí)，

12、即使面積采出比有很小的增加，也將引起礦柱中應(yīng)力的極大增加。如增加，也將引起礦柱中應(yīng)力的極大增加。如r r從從0.90.9增加到增加到0.910.91時(shí)，礦柱時(shí)，礦柱的應(yīng)力集中系數(shù)將從的應(yīng)力集中系數(shù)將從1010增加到增加到11.111.1。 很明顯，礦柱中集中應(yīng)力的這個(gè)很明顯，礦柱中集中應(yīng)力的這個(gè)特點(diǎn)在礦柱設(shè)計(jì)和采礦工程中具有重特點(diǎn)在礦柱設(shè)計(jì)和采礦工程中具有重要意義。它解釋了當(dāng)采用天然礦柱支要意義。它解釋了當(dāng)采用天然礦柱支護(hù)采礦法時(shí)，常采用面積采出比小于護(hù)采礦法時(shí)，常采用面積采出比小于0.750.75的原因。當(dāng)面積采出的原因。當(dāng)面積采出 比低于比低于0.750.75時(shí)，時(shí)， 的增加緩慢；當(dāng)面積的

13、增加緩慢；當(dāng)面積采出比高于采出比高于0.750.75時(shí)，時(shí)， 迅速增加。迅速增加。 strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制6.2.2 礦柱強(qiáng)度分析礦柱強(qiáng)度分析 從屬面積法為礦柱需要承擔(dān)的軸向平均應(yīng)力確定提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)從屬面積法為礦柱需要承擔(dān)的軸向平均應(yīng)力確定提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，礦柱的強(qiáng)度與其大小和幾何形狀有關(guān)。由于算方法。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，礦柱的強(qiáng)度與其大小和幾何形狀有關(guān)。由于巖體中分散著大量孔隙裂隙、軟弱夾層和其他缺陷，礦柱大小對(duì)其強(qiáng)度的巖體

14、中分散著大量孔隙裂隙、軟弱夾層和其他缺陷，礦柱大小對(duì)其強(qiáng)度的影響是容易理解的。形狀的影響主要從三個(gè)方面加以考慮：相鄰圍巖的制影響是容易理解的。形狀的影響主要從三個(gè)方面加以考慮：相鄰圍巖的制約，它是由于對(duì)礦柱側(cè)向膨脹的約束而在礦柱中產(chǎn)生的；礦柱體中應(yīng)力場(chǎng)約，它是由于對(duì)礦柱側(cè)向膨脹的約束而在礦柱中產(chǎn)生的；礦柱體中應(yīng)力場(chǎng)各分量不僅是垂直于其軸線方向的分量；礦柱的破壞方式隨縱橫比（即寬各分量不僅是垂直于其軸線方向的分量；礦柱的破壞方式隨縱橫比（即寬/ /高比）的改變而改變。事實(shí)上，上述第二個(gè)原因暴露了從屬面積法本身高比）的改變而改變。事實(shí)上，上述第二個(gè)原因暴露了從屬面積法本身的不足。的不足。strat

15、a control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制bpahwvss)(1 hardy hardy等（等（19771977年）指出，礦柱大小和幾何形狀對(duì)其強(qiáng)度年）指出，礦柱大小和幾何形狀對(duì)其強(qiáng)度s s的影響的影響通常可由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)關(guān)系表達(dá)，即通?？捎梢粋€(gè)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)關(guān)系表達(dá)，即式中式中（6-9） 由式（由式（6-96-9）可知，如果對(duì)一個(gè)礦體的單位立方體試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)）可知，如果對(duì)一個(gè)礦體的單位立方體試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，則強(qiáng)度參數(shù)值，則強(qiáng)度參數(shù)值s=ss=s1 1。事實(shí)上，這種解釋是不正確的。因?yàn)?/p>

16、式（。事實(shí)上，這種解釋是不正確的。因?yàn)槭剑?-96-9）兩邊）兩邊的量綱不統(tǒng)一。正確的方法是在特定的力學(xué)環(huán)境下，對(duì)一組觀察到的礦柱的量綱不統(tǒng)一。正確的方法是在特定的力學(xué)環(huán)境下，對(duì)一組觀察到的礦柱破壞情況進(jìn)行詳細(xì)分析后得出，或者是對(duì)典型礦柱進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行破壞情況進(jìn)行詳細(xì)分析后得出，或者是對(duì)典型礦柱進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)而得?，F(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)而得。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 通過把式（通過把式（6-96-9）改寫成如下形式，可以得到礦柱大小和形狀對(duì)礦柱

17、）改寫成如下形式，可以得到礦柱大小和形狀對(duì)礦柱強(qiáng)度影響的另一表達(dá)式，即強(qiáng)度影響的另一表達(dá)式，即（6-10） 式（式（6-96-9）和式（）和式（6-106-10）中，基本強(qiáng)度參數(shù)）中，基本強(qiáng)度參數(shù)s s1 1和和s s2 2是不相等的，這是不相等的，這是由于這兩個(gè)表達(dá)式中量綱不同所致。對(duì)于橫剖面為方形的礦柱，指數(shù)是由于這兩個(gè)表達(dá)式中量綱不同所致。對(duì)于橫剖面為方形的礦柱，指數(shù)，a a，b b是線性相關(guān)的。它們之間有的相關(guān)性如下：是線性相關(guān)的。它們之間有的相關(guān)性如下：（6-11） salamon salamon 和和 munromunro（19671967年）總結(jié)了各種渠道獲得的方形截面礦柱年）總

18、結(jié)了各種渠道獲得的方形截面礦柱強(qiáng)度指數(shù)的一些經(jīng)驗(yàn)取值，見表強(qiáng)度指數(shù)的一些經(jīng)驗(yàn)取值，見表6-16-1。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制來源來源ab備注備注salamon salamon 和和 munromunro(1967(1967年年) )0.460.46南非煤層，現(xiàn)南非煤層，現(xiàn)場(chǎng)破壞場(chǎng)破壞greenwald greenwald 等等(1939(1939年年) )-0.83-0.830.500.50-0.111-0.1110.720.72匹茲堡煤層，匹茲堡煤層，模型

19、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)steart(1954steart(1954年年) )，holland holland 和和 gaddygaddy(1957(1957年年) )-1.00-1.000.500.50-0.167-0.1670.830.83西弗吉尼亞西弗吉尼亞實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)skinner (1959skinner (1959年年) )-0.079-0.079硬石膏實(shí)驗(yàn)室硬石膏實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)試驗(yàn)16. 066. 0048. 0067. 014. 059. 0表表 6-1 基于礦柱尺寸和形狀的礦柱強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)取值基于礦柱尺寸和形狀的礦柱強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)取值strata control of pillars

20、support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 hardy hardy 等（等（19771977年）對(duì)西科羅拉多油頁巖礦柱工作性狀的研究中推年）對(duì)西科羅拉多油頁巖礦柱工作性狀的研究中推出的出的礦柱強(qiáng)度為礦柱強(qiáng)度為833. 0118. 01hwvssp（6-12） 應(yīng)用式（應(yīng)用式（6-126-12）時(shí)，簡(jiǎn)便的方法是取一個(gè)比例關(guān)系，）時(shí)，簡(jiǎn)便的方法是取一個(gè)比例關(guān)系，即通過試驗(yàn)確定一即通過試驗(yàn)確定一個(gè)已知形狀和大小試樣的單軸壓縮強(qiáng)度個(gè)已知形狀和大小試樣的單軸壓縮強(qiáng)度s ss s, ,再估算礦柱強(qiáng)度再估算礦柱強(qiáng)度spsp，其表達(dá)式為，其表

21、達(dá)式為833. 0118. 0ssppspsphwhwvvss（6-13）式中，下標(biāo)式中，下標(biāo)p p和和s s分別代表礦柱和試樣分別代表礦柱和試樣。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制6.3 礦房礦房礦柱布置設(shè)計(jì)礦柱布置設(shè)計(jì) 礦柱支護(hù)采礦法布置設(shè)計(jì)應(yīng)尋求獲得資源最大可能的采出比，同時(shí)又能保證礦房跨度內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性和對(duì)近場(chǎng)巖體的總體控制。在設(shè)計(jì)不規(guī)則的礦房-礦柱幾何布置的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，人們通常采用巖石力學(xué)有關(guān)計(jì)算方法如數(shù)值模擬等，這些方法可以用來確定各種采礦方案、各種幾何形

22、狀的礦房-礦柱和不同開采順序的圍巖位移分布，但利用從屬面積分析法來研究礦房-礦柱設(shè)計(jì)和采礦布置對(duì)于規(guī)則形狀的礦房-礦柱還是比較有效的。 在應(yīng)力分析的從屬面積分析法用于水平層狀礦體的開采設(shè)計(jì)時(shí)，牽扯到5個(gè)參數(shù)：即作用于垂直于礦柱平面方向上的場(chǎng)應(yīng)力分量 、礦柱高度h h、礦房跨度wwo o、礦柱跨度wwp p和防止礦柱破壞的安全系數(shù)f f。這里僅考慮邊長為 wwp p的方形礦柱，但同樣適用于長形的礦柱。6.3.1 礦房礦房礦柱參數(shù)設(shè)計(jì)礦柱參數(shù)設(shè)計(jì) strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法

23、的巖體控制 安全系數(shù)的選取安全系數(shù)的選取圖圖6.8 南非礦柱完整和破壞頻率直方圖南非礦柱完整和破壞頻率直方圖 能保證礦柱安全的合適的安全系數(shù)的選擇需要基于工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)能保證礦柱安全的合適的安全系數(shù)的選擇需要基于工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)南非礦柱進(jìn)行分析時(shí)，得到了如圖南非礦柱進(jìn)行分析時(shí)，得到了如圖6.86.8所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 這個(gè)直方圖表明了礦柱破壞的頻率分布和保持穩(wěn)定的頻率分布，特別是完整這個(gè)直方圖表明

24、了礦柱破壞的頻率分布和保持穩(wěn)定的頻率分布，特別是完整礦柱性狀分布集中在安全系數(shù)礦柱性狀分布集中在安全系數(shù)f f從從1.9的范圍內(nèi)。在這種情況下，建議的范圍內(nèi)。在這種情況下，建議f f的合的合理設(shè)計(jì)值為理設(shè)計(jì)值為1.61.6。在其它采礦條件下，可以使用類似的方法來確定安全系數(shù)。在其它采礦條件下，可以使用類似的方法來確定安全系數(shù)。 礦房礦房礦柱尺寸確定礦柱尺寸確定 上述工程經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)階段剩下的待定參數(shù)是礦柱大小上述工程經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)階段剩下的待定參數(shù)是礦柱大小w wp p，開采高，開采高度度h h。下面以具體實(shí)例來說明礦房礦柱尺寸確定的過程。

25、下面以具體實(shí)例來說明礦房礦柱尺寸確定的過程。 例如，一個(gè)厚例如，一個(gè)厚2.5m2.5m的水平礦體位于地表下的水平礦體位于地表下80m80m深處，上覆巖體重力密度深處，上覆巖體重力密度為為25 25 。初始采礦布置設(shè)計(jì)中礦房跨度為。初始采礦布置設(shè)計(jì)中礦房跨度為6m6m，礦柱邊長為，礦柱邊長為5m5m的方形，的方形，全厚度開采，其礦柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為全厚度開采，其礦柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為（6-12）這個(gè)布置方案的從屬面積法分析如下所述。這個(gè)布置方案的從屬面積法分析如下所述。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的

26、巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制（1）采礦前的應(yīng)力為）采礦前的應(yīng)力為（2）礦柱平均軸向應(yīng)力為）礦柱平均軸向應(yīng)力為（3）礦柱強(qiáng)度為）礦柱強(qiáng)度為（4）安全系數(shù)為）安全系數(shù)為=8025kpa=2.0 mpastrata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 為了達(dá)到為了達(dá)到f f=1.6=1.6的基本要求，重新設(shè)計(jì)可選方案是：方案一，減少礦房的基本要求，重新設(shè)計(jì)可選方案是：方案一，減少礦房跨度以降低礦柱應(yīng)力水平；方案二，增加礦柱寬度以提高礦柱的強(qiáng)度；方案跨度以降低礦柱應(yīng)力水平；方案二，增加

27、礦柱寬度以提高礦柱的強(qiáng)度；方案三，降低礦柱（或采高）高度。方案二、方案三的目的都是要提高礦柱的強(qiáng)三，降低礦柱（或采高）高度。方案二、方案三的目的都是要提高礦柱的強(qiáng)度。修改這些方案，重新計(jì)算采礦幾何參數(shù)，都是達(dá)到礦柱安全系數(shù)為度。修改這些方案，重新計(jì)算采礦幾何參數(shù)，都是達(dá)到礦柱安全系數(shù)為1.61.6的途徑。對(duì)于方案一、方案三，修改后的礦房跨度和高度可以直接得到；而的途徑。對(duì)于方案一、方案三，修改后的礦房跨度和高度可以直接得到；而對(duì)于方案二，則得到一個(gè)關(guān)于對(duì)于方案二，則得到一個(gè)關(guān)于 的非線性方程，它可用牛頓的非線性方程，它可用牛頓拉夫森迭代法拉夫森迭代法求解，可得到如下結(jié)果。求解，可得到如下結(jié)果。

28、方案三：方案三：=3.0=5.0=6.0h=2.5h=2.5=7.75=5.0h=0.96=6.0方案一：方案一：方案二：方案二： 由上述幾何尺寸所確定的每個(gè)采礦布置都滿足礦柱強(qiáng)度準(zhǔn)則。然而，哪由上述幾何尺寸所確定的每個(gè)采礦布置都滿足礦柱強(qiáng)度準(zhǔn)則。然而，哪種布置方案可以最大限度地開采礦體？很明顯，能夠保證安全并從礦體中開種布置方案可以最大限度地開采礦體？很明顯，能夠保證安全并從礦體中開采的礦石量最大的那個(gè)采礦布置是理想的礦井采的礦石量最大的那個(gè)采礦布置是理想的礦井回采工作回采工作面設(shè)計(jì)。面設(shè)計(jì)。strata control of pillars support mining method202

29、1-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 基于充分利用資源的觀點(diǎn)，方案三很明顯是不可取的，因?yàn)樗馕吨诨诔浞掷觅Y源的觀點(diǎn)，方案三很明顯是不可取的，因?yàn)樗馕吨谡麄€(gè)礦區(qū)內(nèi)要么在礦體的頂板上，要么在礦體的底板上要留下一定厚度的整個(gè)礦區(qū)內(nèi)要么在礦體的頂板上，要么在礦體的底板上要留下一定厚度的礦石不能開采，如圖礦石不能開采，如圖6.9c6.9c所示。從保證安全的觀點(diǎn)來看，方案一，方案二所示。從保證安全的觀點(diǎn)來看，方案一，方案二都是允許的，如圖都是允許的，如圖6.9a6.9a、圖、圖6.9b6.9b所示，基于開采資源的體積采出比所示，基于開采資源的體積采出比，可以，可以在這

30、兩個(gè)方案中作出選擇在這兩個(gè)方案中作出選擇。當(dāng)然，在隨后的采礦階。當(dāng)然，在隨后的采礦階段中，如果礦柱要回收和段中，如果礦柱要回收和在第一次采礦時(shí)不會(huì)出現(xiàn)在第一次采礦時(shí)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題的話，在這兩個(gè)嚴(yán)重問題的話，在這兩個(gè)方案中作出選擇時(shí)，還要方案中作出選擇時(shí)，還要考慮到施工和設(shè)計(jì)方面的考慮到施工和設(shè)計(jì)方面的其他問題。其他問題。圖圖6.9 2.5m厚礦體開采設(shè)計(jì)的選擇厚礦體開采設(shè)計(jì)的選擇strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制6.3.2 采礦尺寸與礦石采出量采礦尺寸與礦石采出量

31、對(duì)礦柱強(qiáng)度和軸向應(yīng)力各個(gè)表達(dá)式的分析表明，礦柱的安全系數(shù)對(duì)礦柱強(qiáng)度和軸向應(yīng)力各個(gè)表達(dá)式的分析表明，礦柱的安全系數(shù)f f是是礦柱大小，礦房跨度和礦柱高度（或礦體回采厚度）的函數(shù)，即礦柱大小，礦房跨度和礦柱高度（或礦體回采厚度）的函數(shù)，即（6-13） 其目的是要確定采礦尺寸的其目的是要確定采礦尺寸的 ， ，h h，所以在任何一步回采作，所以在任何一步回采作業(yè)中，都能保證礦柱支護(hù)力學(xué)上的完整性，并使體積采出比最大。下面業(yè)中，都能保證礦柱支護(hù)力學(xué)上的完整性，并使體積采出比最大。下面用作圖方法來說明這個(gè)目的是如何實(shí)現(xiàn)的。用作圖方法來說明這個(gè)目的是如何實(shí)現(xiàn)的。 考慮礦井結(jié)構(gòu)中的一個(gè)典型部分，如圖考慮礦井結(jié)

32、構(gòu)中的一個(gè)典型部分，如圖6.10a6.10a所示，從一個(gè)平面尺寸所示，從一個(gè)平面尺寸為為 、高度為、高度為h h的礦塊中開采出來的礦石體積為的礦塊中開采出來的礦石體積為（6-14）strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 當(dāng)在這個(gè)礦塊的整個(gè)面積上開采時(shí)，為當(dāng)在這個(gè)礦塊的整個(gè)面積上開采時(shí)，為了獲得相同的開采體積，即在面積了獲得相同的開采體積，即在面積 上，要開采一個(gè)稱之為等價(jià)開采高度的采上，要開采一個(gè)稱之為等價(jià)開采高度的采礦高度礦高度 ，如圖，如圖6.10b6.10b。等價(jià)開

33、采高度的。等價(jià)開采高度的表達(dá)式為表達(dá)式為（6-15）圖圖6.10 部分開采和等效體積開采部分開采和等效體積開采 根據(jù)等價(jià)開采高度根據(jù)等價(jià)開采高度 ，可以很方便，可以很方便地計(jì)算出天然支護(hù)采礦的產(chǎn)量。地計(jì)算出天然支護(hù)采礦的產(chǎn)量。 回采工作面幾何布置的任何改變?nèi)缒苁惯@個(gè)等價(jià)開采高度增加，就表示采礦產(chǎn)量回采工作面幾何布置的任何改變?nèi)缒苁惯@個(gè)等價(jià)開采高度增加，就表示采礦產(chǎn)量將會(huì)增加。這樣可以對(duì)回采工作面幾何形狀的改變效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，即考慮一個(gè)任何厚將會(huì)增加。這樣可以對(duì)回采工作面幾何形狀的改變效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，即考慮一個(gè)任何厚度的礦體，選定一個(gè)特定的礦房跨度和開采高度，計(jì)算滿足礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)度的礦體，

34、選定一個(gè)特定的礦房跨度和開采高度，計(jì)算滿足礦柱支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)要求礦柱大小。要求礦柱大小。或或strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 salamonsalamon曾對(duì)開采深度為曾對(duì)開采深度為152m152m的現(xiàn)場(chǎng)條件所要求的安全系數(shù)為的現(xiàn)場(chǎng)條件所要求的安全系數(shù)為1.61.6進(jìn)行進(jìn)行這種類型的工作，其結(jié)果如圖這種類型的工作，其結(jié)果如圖6.116.11所示。圖所示。圖6.116.11中對(duì)于所選定的礦房跨度中對(duì)于所選定的礦房跨度，把等價(jià)開采高度看做實(shí)際開采高度的一個(gè)函數(shù)。，把

35、等價(jià)開采高度看做實(shí)際開采高度的一個(gè)函數(shù)。圖圖6.11 礦體產(chǎn)量、礦房跨度和實(shí)際開礦體產(chǎn)量、礦房跨度和實(shí)際開采高度之間的關(guān)系采高度之間的關(guān)系 從圖從圖6.116.11可以看出，單獨(dú)地增可以看出，單獨(dú)地增加礦房跨度和實(shí)際開采高度都將導(dǎo)加礦房跨度和實(shí)際開采高度都將導(dǎo)致等價(jià)開采高度的增加，因而也就致等價(jià)開采高度的增加，因而也就導(dǎo)致了該礦體開采產(chǎn)量的增加。因?qū)е铝嗽摰V體開采產(chǎn)量的增加。因此如果下面的條件能同時(shí)得到滿足此如果下面的條件能同時(shí)得到滿足，則從礦體中開采的礦石量最大，則從礦體中開采的礦石量最大，同時(shí)又能保證礦柱體積的完整性。同時(shí)又能保證礦柱體積的完整性。這些條件是：這些條件是：(1) (1) 開

36、采高度為礦體的最大厚度（即全厚）。開采高度為礦體的最大厚度（即全厚）。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制 (2) (2) 以保證礦房幫壁局部穩(wěn)定性的最大礦房跨度開采。以保證礦房幫壁局部穩(wěn)定性的最大礦房跨度開采。 前面已經(jīng)說明，在礦柱支護(hù)采礦法中如何獲得一個(gè)礦體的最大可能的開采前面已經(jīng)說明，在礦柱支護(hù)采礦法中如何獲得一個(gè)礦體的最大可能的開采量。從圖量。從圖6.10b6.10b可以看出，體積采出比可以看出，體積采出比r r是由等價(jià)開采高度是由等價(jià)開采高度 和礦體厚度和礦體

37、厚度m m之比確之比確定的，將式（定的，將式（6-156-15）代入后，得）代入后，得(6-16) 考慮假設(shè)的下列情況：一組礦體厚為考慮假設(shè)的下列情況：一組礦體厚為m m，其范圍為，其范圍為m6.0m，位于地表下的不，位于地表下的不同深度。假設(shè)礦房最大穩(wěn)定跨度為同深度。假設(shè)礦房最大穩(wěn)定跨度為6.0m6.0m，上覆巖體重力密度為，上覆巖體重力密度為25 25 ，礦柱強(qiáng)，礦柱強(qiáng)度由式（度由式（6-126-12）確定。在每個(gè)礦體中，礦體的全厚度和礦房最大穩(wěn)定跨度可用來決）確定。在每個(gè)礦體中，礦體的全厚度和礦房最大穩(wěn)定跨度可用來決定礦柱的平面尺寸，這個(gè)尺寸可以產(chǎn)生定礦柱的平面尺寸，這

38、個(gè)尺寸可以產(chǎn)生1.61.6的礦柱安全系數(shù)。如果任何幾何布置都的礦柱安全系數(shù)。如果任何幾何布置都將能得到最大的開采量，則最大體積采出比將能得到最大的開采量，則最大體積采出比r r可以直接根據(jù)式（可以直接根據(jù)式（6-166-16）計(jì)算，圖）計(jì)算，圖6.126.12所示為一組這樣的結(jié)果。所示為一組這樣的結(jié)果。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制圖圖6.12 不同埋深和厚度礦體的最不同埋深和厚度礦體的最大體積開采比大體積開采比 從圖從圖6-126-12中可以看出兩個(gè)特中可以看出

39、兩個(gè)特點(diǎn)，如下所述：點(diǎn)，如下所述： (1)(1)對(duì)于任何礦體厚度，從對(duì)于任何礦體厚度，從礦柱支護(hù)采礦法中所得到的最大礦柱支護(hù)采礦法中所得到的最大安全開采量將隨著礦體埋深的增安全開采量將隨著礦體埋深的增加而大大下降。因此，如果正在加而大大下降。因此，如果正在開采一個(gè)緩傾斜的礦體，則隨著開采一個(gè)緩傾斜的礦體，則隨著采礦下行開采，礦柱所占用的礦采礦下行開采，礦柱所占用的礦石量將逐漸增加。石量將逐漸增加。 (2)(2)用完整礦柱支護(hù)法和一步回采法開采厚煤層或礦體時(shí)，最大采出比用完整礦柱支護(hù)法和一步回采法開采厚煤層或礦體時(shí)，最大采出比可能較低，對(duì)于厚可能較低，對(duì)于厚6m6m、埋深、埋深244 m244

40、m的煤層，從一步回采法所得到的產(chǎn)量將低的煤層，從一步回采法所得到的產(chǎn)量將低于整個(gè)礦產(chǎn)資源的于整個(gè)礦產(chǎn)資源的25%25%。strata control of pillars support mining method2021-10-22礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制礦柱支護(hù)采礦法的巖體控制基于礦柱設(shè)計(jì)的從屬面積法，得出一些關(guān)于礦柱支護(hù)采礦法的一般基于礦柱設(shè)計(jì)的從屬面積法，得出一些關(guān)于礦柱支護(hù)采礦法的一般性結(jié)論。首先，如果不進(jìn)行礦柱回收，則礦柱的布置必須是基于礦房的性結(jié)論。首先，如果不進(jìn)行礦柱回收，則礦柱的布置必須是基于礦房的最大穩(wěn)定性跨度，以確保礦產(chǎn)資源最大限度的回收；其次，使用完整、最大穩(wěn)定性跨度，以確保礦產(chǎn)資源最大限度的回收；其次，使用完整、彈性礦柱的完全支護(hù)法，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，僅限于低地應(yīng)力的情況，彈性礦柱的完全支護(hù)法，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，僅限于低地應(yīng)力的情況，或是高強(qiáng)度礦柱的情況?；蚴歉邚?qiáng)度礦柱的情況。 在支護(hù)法采礦布置的初步設(shè)計(jì)中，選擇恰當(dāng)?shù)牡V柱強(qiáng)度公式、有關(guān)在支護(hù)法采礦布置的初步設(shè)計(jì)中，選擇恰當(dāng)?shù)牡V柱強(qiáng)度公式、有關(guān)的特征強(qiáng)度參數(shù)值和比例指數(shù)至關(guān)重要。合理的方法是利用式的特征強(qiáng)度參數(shù)值和比例指數(shù)至關(guān)重要。合理的方法是利用式(6-9)(6-9)來估來估算礦柱強(qiáng)度，算礦柱強(qiáng)度，s1s1可以用巖體單軸抗壓強(qiáng)度可以用巖體單軸抗壓強(qiáng)度