第十一章 非煤矿山岩层控制与边坡稳定

第十一章非煤矿山岩层控制与边坡稳定

第十一章非煤矿山岩层控制与边坡稳定

金属矿床开采与煤矿开采相比，主要特点是：（1）矿体及围岩坚硬：

（2）矿床赋存条件不稳定，矿体厚度、倾角及形状变化大，这就要求有多种采矿方法；

（3）在矿床中经常有断层、褶皱、穿入矿体中的岩脉、断层破碎带等地质构造，给采矿和探矿工作带来很大困难[1]。这些特点就使金属矿山的岩层控制与煤矿相比具有自身的规律。在金属矿山中通常将矿压称为地压，本章统称为矿压。

第一节金属矿的采场矿压

金属矿回采过程中，矿压活动与采矿方法密切相关。采用房柱采矿法时，一般表现为顶柱、间柱塌落，进而导致上盘岩石崩落，造成大规模矿压活动；崩落采矿法主要表现在出矿水平巷道（耙巷、近路）的破坏。

一、开采水平矿床时顶板中应力分布的弹性力学解

开采具有稳定围岩及矿石的水平或倾斜矿体时，根据矿体厚度及规模，广泛采用全面法、房柱法。此时，通过限制回采空间暴露面积来维护回采空间的稳定性，凭借岩体自身强度支撑采场空间结构，并根据岩体、结构的具体情况，可配合锚杆、金属网、锚索等辅助支护，提高顶板围岩稳定性。通过合理确定采场的结构参数，使顶板中不出现拉应力，或使出现的拉应力低于顶板

岩体的抗拉强度。同时，亦应使顶板与矿柱衔接处压应力、剪应力低于其抗压、抗剪强度。

顶板中出现拉应力与跨度及高度关系表示

于表11－1。

表11－1 矩形采场顶板中拉应力集中系数K t 1/4 1/2 1 4 8

12 0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

二、倾斜、急倾斜矿体开采的矿压活动

图11-1是有限元计算得出的倾斜矿床围岩

及矿柱中的应力分布，从图中看出：

（1）在回采空间（矿房）下盘上角和上盘

下角发生应力集中；

（2）在阶段矿柱中，应力集中发生在上盘

存在拉应力区（图11－2a ），阶段高度适中上盘的拉应力区消失；

（3）距回采空间附近上、下盘围岩中应力

低，为应力降低区；阶段矿柱附近为应力升高区（支承压力区）。

在目前广泛采用的阶段高度条件下

（40m~60m ），分布于回采空间周围岩体中应力值远低于构成上、下盘岩石强度，因此应是稳定的，但从湘赣地区和辽宁地区矿山所发生的矿压h

l 采场高度采场跨度y t

t K σσ=

活动看出，采空区周围岩体破坏，主要属于构造控制破坏类型。我国金属矿山当前在有利于采用房式采矿法的围岩条件下，所出现的矿压活动几乎都归因于采空区周围岩体受构造控制破坏。

图11-1 倾斜矿床的围岩及矿柱中的应力分布

图11-2 已采空间上盘拉应力区与阶段高度关系

(a) 阶段高度大时，上、下盘应力分布图（虚线范围内为拉应力区）

(b) 阶段高度小时，上下盘应力分布图

三、崩落采矿法的矿压活动

由于崩落采矿法矿石随回采放出，上覆岩层崩落补充原矿石所占据的位置充满采空区，因此崩落采矿法矿压活动有其自身特点。

（一）有底柱崩落采矿法底柱出矿巷道所承受压力

有底柱崩落采矿法的矿石是通过底柱放矿巷道放出。在回采过程中，往往由于底柱承压过大，耙道遭到破坏而影响回采工作正常进行。所以这种采矿方法的矿压控制主要表现在维持底柱出矿巷道（耙道）的稳定性上。

在回采期间，回采工作不同阶段底柱所承受压力是不同的，一般可分为三个阶段：第一阶段：采场进行切割拉底后（未进行崩矿），此时电耙巷道上部是实体。虽然此时也有压力作用于下部，但因未采动矿石本身对周围岩体有一定的承载能力，故此时底部所承受压力比较小；

第二阶段：采场崩矿之后，受矿巷道上部堆积着崩下的松散矿石，它对围岩的承载能力甚微。因此，此时底柱不仅要承受崩下矿石自重造成的压力，还要承受上覆崩落岩石传递给底柱的压力，比第一阶段承受压力明显增大。

第三阶段：随放矿进行，作用在底柱上的压力降低。这是因为随放矿进行，漏斗上部矿石发生二次松散，在每个放矿漏斗上部形成一个椭球状松动空间。处于松动椭球体内部矿石不再承受

上部传递下来的荷载，于其上部形成免压拱。拱上部松散矿石荷载被传递给附近漏斗上部矿石，从而在放矿过程中，处于放矿的漏斗中心压力降低，出现降压带。降压带发生在松散椭球体范围内，距放矿漏斗轴线越近，压力值降低越大。（二）无底柱分段崩落法进路周围岩体中应力分布

无底柱分段崩落法较有底柱崩落法结构简单，整个回采过程—凿岩、崩矿、出矿都在同一条回采巷道（进路）中完成。

为了维护回采巷道（进路）的稳定性必须了解进路周围岩体中应力分布，以及回采顺序对它的影响，以便采取相应维护措施。

从图11-3看出，在进路两侧矿柱中形成应力升高区，而在巷道顶板上方形成应力降低区。

11-3 进路周围岩体中应力分布图

第二节边坡稳定分析与控制

一、露天矿边坡工程特点

露天矿边坡是开采矿石后遗留下来的开采边界，从经济开采角度讲，露天矿边坡的角度越大（越陡）开采效益越好，可以少剥离岩石，降低开采成本。但过大的边坡角必然导致边坡滑坡等破坏的风险增大。

见图11-4所示，露天矿边坡是指由露天采场四周的台阶等构成的倾向采场的岩体。露天矿边坡分为工作帮边坡和非工作帮边坡。工作帮边坡是指正在进行采矿或剥岩作业的边坡，如图11－4中的GCD。非工作帮边坡是指由露天矿境界台阶（永久台阶）组成的不进行采矿或剥岩作业的边坡，如图11－4中的FG和BD两部分。非工作帮边坡上有许多台阶，这些台阶是采矿作业和维持边坡稳定所必须的。边坡稳定研究对象是指非工作帮边坡。

随着露天开采的进行，露天矿场必然逐渐延深，最终达到露天矿的设计境界FEAB。FEAB 也称露天矿最终境界，FE和BA称为露天矿最终边坡，其边坡角称为露天矿最终边坡角，见图11－4中的和。

γ

β