普通房柱法采矿对矿柱稳定性分析

普通房柱法采矿对矿柱稳定性分析

摘要：本文通过对锡矿山闪星锑业有限责任公司南矿的开采历史、现状及地压岩移活动分析，对该矿普通房柱法采矿矿柱稳定性进行了分析。

Abstract：Through analysis of the history，current situation and ground pressure rock movement activities of south ore of Hsikwang Shan Twinkling Star Co.，Ltd.，this article analyzes the pillar stability in common home-and-pillar mining method.

关键词：南矿；房柱法；地压；矿柱变形性；平均应力；临界尺寸；矿柱强度

Key words：south ore；room-and-pillar method；ground pressure；pillar deformation；average stress；critical dimension；pillar strength

中图分类号：TD851 文献标识码：A 文章编号：

1006-4311（2014）18-0054-02

0 引言

对于锡矿山南矿来说，主要是对飞水岩矿床进行开采。自1897年开采飞水岩矿床以来，至今已117年，受各种因素的影响，解放前的开采方式为采富弃贫，乱采滥挖，造成

大规模的空区，并且采完后没有进行任何的处理，因此频繁发生冒顶事故，矿工的生命财产安全受到严重威胁。解放以后，采用房柱采矿法对锡矿山进行开采，使得采空区的面积逐渐增大，甚至许多采空区连成一体，引发急剧地压活动，大面积的地压活动先后层发生过三次，严重影响正常生产；因此怎样合理确定矿房与矿柱的尺寸和方式也是保证矿山安全生产的关键。

1 房柱法矿柱稳定性分析

受矿体开采的影响，将会导致应力重新分布、增加矿柱荷载，如图1所示。与原岩强度相比，如果矿柱应力状态较高，当矿柱发生破裂时，矿柱峰值承载能力成为采矿关注的重点。

矿柱的绝对或相对大小直接影响矿柱对采矿所引起荷载的整体响应。矿柱岩体的地质构造和围岩对矿柱所施加的表面约束特性，如图2所示。

需要指出，在外载荷达极限值时，矿柱可能出现破裂，其全部的承载能力不会立即丧失，其发展结果有：①破坏不再发展，矿柱继续保持稳定：随其下沉变形，如果顶板载荷迅速降低，那么矿柱依然可以借助残余强度支承地压。②矿柱的破坏继续发展直至丧失稳定：随顶板的下沉，如果顶板载荷变化很小，那么顶板残余强度不足以支承地压，故矿柱一旦屈服或破裂，必然一直发展至完全坍塌为止。

2 影响矿柱稳定性因素

①矿柱受载大小。②矿柱宽高比：宽高比大的矿柱稳定性好。③矿房尺寸与矿柱尺寸。④构造因素：对空场及矿柱中的结构面调查分析。⑤矿柱自身的强度。

3 计算矿柱稳定性方法

研究矿柱的力学性能，正确进行矿柱设计，需解决作用于矿柱上的荷载、矿柱中的应力分布和矿柱自身强度等问题。

3.1 矿柱的平均应力岩柱的底面积S即是按岩柱分摊

的开采面积与矿柱自身面积之和，由此计算矿柱的平均应力。如图3所示，矿柱平均应力为：

σp=pz（1+wo/wp）2=rz（1+wo/wp）2

式中：r―岩石容重；z―埋藏深度；wo，wp―分别为矿房和矿柱的宽度。图4列出了两种不同的矿柱布置方式中平均应力的计算公式。在所有情况下，σp值均用一个单独矿柱上岩柱的重量与该矿柱的平面图面积之比来表示。

3.2 矿柱强度①Bunting公式（1911年）。煤岩的单轴抗压强度是早期岩石力学研究首先探讨的问题之一。Bunting

最早提出了计算煤柱强度的经验公式：SP=SL[0.7+0.3

（Wp/h）]，式中：Sp―矿柱的强度，MPa；SL―矿岩强度参数，MPa；Wp―矿柱的宽度，m；h―矿柱的高度，m。②Bieniawski公式（1968年）。Bieniawski（1968年，1975年）

与Van Heerden（1975年）通过对南非Witbank煤柱宽高比为0.5～34的66个煤柱试件的大规模原位测试求出的煤柱强度计算公式如下：SP=SL?[0.64+0.36（Wp/h）]，上式中用了“临界尺寸（Critical size）”的概念，即：当试块的尺寸超过“临界尺寸”以后，试块的强度将不再随尺寸的增加而减小。

③1981年，Bieniawski再次推荐的煤柱强度设计公式为：SP=SL?[0.64+0.36（Wp/h）]α。式中：α―常数；进行的试验研究表明：当煤柱的宽高比大于5时，α=1.4；而当煤柱的宽高比小于5时，α=1.0。

3.3 矿柱安全系数的选取

房柱式开采（不回收矿柱）：安全系数ks=1.5；主要巷道矿柱以及回收矿柱：安全系数ks=2.0；边界矿柱：安全系数ks=2.5。南矿采用普通房柱式开采时，采场开采结束后，采用废石及尾砂进行充填，采场矿柱仅需保持开采期间稳定，因此，取矿柱安全系数ks=1.5。

4 锡矿山南矿普通房柱法?场设计

①锡矿山南矿采用的普通房柱法适用条件为：一般在顶板比较稳固，中厚以上矿体中使用。顶板为矽化灰岩或灰岩，比较稳固，倾角一般为10～20°，个别不大于30°。②矿块构成要素为：矿块垂直走向布置，每隔4～6个矿块划为一个采（盘）区，采区之间一般留连续式矿柱（即矿壁）。矿块之间留规则的长方形矿柱，矿柱尺寸为5m×7m，矿柱

的间距为6m。矿房宽度视矿体顶板的稳固性而定，一般为8～15m，矿房沿倾斜长度一般为60m左右。③矿柱回采及采空区处理：普通房柱法采矿不能及时回收矿柱，规则矿柱很多都是作为永久矿柱而留下来了，条件允许的情况下连续矿柱可以进行适当回采，采空区主要采用矸石及尾砂充填处理。

5 南矿矿柱稳定性分析

根据锡矿山南矿普通房柱法采场结构参数和矿岩室内

力学参数试验，采用Bieniawski公式进行矿柱稳定性安全系数计算，计算取矿柱宽度为5m，长度为7m，矿柱间距6m，矿房宽度为8～15m，高度为3～8m，根据现场工程地质调查和室内岩石力学试验成果，矿岩的体积裂隙数为5～10条/m3，岩体完整性指数Kv为0.55～0.75，岩体准抗压强度可用岩体完整性系数Kv与岩石单轴饱和抗压强度Rc的乘积表示，因此，可取矿柱的抗压强度为100MPa，上覆岩层容重26.7kN/m3，埋深自200m～600m。

计算结果如表1～表3。

根据上述矿柱安全系数计算结果分析得出：

目前，锡矿山采用的普通房柱法时，一般用于缓倾斜矿体，矿体厚度小于8m，在采场顶板留1～2m护顶矿层，矿块之间留规则的长方形矿柱，矿柱尺寸为5m×7m，矿柱的间距为6m，矿房宽度为8～15m。当埋深小于400m时，矿