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基于應(yīng)力增量理論的礦柱回采安全性評價

文檔作者：陶磊文檔來源：長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月27日
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第67卷第1期 有 色 金 屬(礦山部分) 2015年1月
基于應(yīng)力增量理論的礦柱回采安全性評價
陶磊
(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，長沙410011)
摘要：礦柱是支撐空區(qū)穩(wěn)定性的主要單元，礦柱的回收必然會造成空區(qū)應(yīng)力的重新分布，從而對其穩(wěn)定性造
成影響?；趹?yīng)力增量理論，對某礦山礦柱回采過程中的安全性進(jìn)行了理論分析，并根據(jù)礦柱的回收順序建立了
數(shù)值分析模型，計算得到了各礦柱開采前后的應(yīng)力變化情況。計算結(jié)果表明，該礦山二、三采區(qū)一中段的間柱安全
系數(shù)都大于1，即所有間柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：礦柱回收；應(yīng)力增量；安全系數(shù)；穩(wěn)定性
中圖分類號：TD853．391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671—4172(2015)01-0028—04
Pillar recovery safety evaluation based on stress increment theory
TAO Lei
(Changsha Engineering&amp;amp; Research Institute Ltd．of Nonferrous Metallurgy，Changsha 410011，China)
Abstract：Pillars are main support units of goal stability．The recovery of the pillars will cause stress redistri—
bution and stability of the goa1．The pillaring process security is analyzed based on stresses incremental theory．The
numerical model is established according to the order of pillar recovery．The stress of each pillar before and after
mining are calculated，the results show that all factors of pillars safety are greater than 1，that is，all the pillars are
in a safe state．
Key words：pillar recovery；stress increment；safety factor；stability
礦產(chǎn)資源是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的基本條件，
對殘留礦柱的回收是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的一條基
本途徑。近年來，我國也探索出了多種回采殘留礦
柱和難采礦體的方法，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐和推廣應(yīng)
用 33。由于礦柱回收要根據(jù)礦山的實(shí)際情況而
定，在保證安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，合理采用回采方案，
同時也可參考其他相似礦山的成功經(jīng)驗_4 ]，采用
靈活多變的回收方法。我國在礦柱回收方面已有很
多成功案例，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗[7 ]。
哈密博倫礦業(yè)有限責(zé)任公司于2004注冊成立，
由青海西寧特殊鋼股份公司與哈密長城實(shí)業(yè)公司共
同出資組成。白山泉鐵礦是哈密博倫礦業(yè)有限責(zé)任
公司旗下的生產(chǎn)單位之一，自2006年建成開始投
產(chǎn)，目前生產(chǎn)能力為¨O萬t／a。礦山設(shè)計采用分區(qū)
開采、分區(qū)通風(fēng)，開拓方式為豎井開拓。礦山二、三
采區(qū)一中段礦塊沿礦體走向布置，礦塊長50 1TI，寬
基金項目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目
(20loCB732004)
作者簡介：陶磊(1983一)，男，工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從
事礦山設(shè)計與災(zāi)害防治等方面的研究工作。
為礦體厚度，高40 iTI，頂柱5 m，間柱7．5 1TI，底柱6
～ 8 m，采用電耙道出礦底部結(jié)構(gòu)。
目前，白山泉鐵礦一中段采礦已經(jīng)接近尾聲，而
二中段的基建工程又還未完成，礦方考慮回收礦柱，
一是補(bǔ)充礦山下年度產(chǎn)量，充分回收礦產(chǎn)資源，二是
可及時處理采空區(qū)，消除安全隱患，保證礦山健康發(fā)
展。但礦柱的回采不同于礦山正常開采，存在較大
的風(fēng)險，安全問題成為首要考慮因素。礦山二、三采
區(qū)一中段存在大量的采空區(qū)，并且大部分采空區(qū)都
具有形態(tài)無規(guī)則、頂板暴露面積、空區(qū)體積大的特
點(diǎn)，在這種環(huán)境之下如何保障礦柱安全回采是最關(guān)
鍵的問題。
1 基于應(yīng)力增量的礦柱安全性分析
1．1 礦柱強(qiáng)度
影響礦柱強(qiáng)度的因素較多，受到其幾何尺寸、地
質(zhì)構(gòu)造、礦區(qū)應(yīng)力分布等因素的影響，國內(nèi)外研究學(xué)
者針對不同的情況提出了許多礦柱強(qiáng)度的計算公
式，其中最具代表性的礦柱強(qiáng)度公式類型見式(1)。
第1期 陶磊：基于應(yīng)力增量理論的礦柱回采安全性評價 2()
o'p — O'pl『A+B( )] ㈩
式[}1： ?礦柱的強(qiáng)度，MPa； 寬高比為
1時的礦柱強(qiáng)度，MPa； 、^ 礦柱的寬度、高度，m；
A、B、a 由具體的礦(巖)體確定的系數(shù)，不同的系
數(shù)對應(yīng)不同的礦柱強(qiáng)度計算公式。
在這類公式中應(yīng)用較廣的是Bieniawski提出
的強(qiáng)度公式，具體表達(dá)式如下：
O'pl f0·64+0·36 ) (2)
考慮巖體節(jié)理對其強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，結(jié)合礦山
的實(shí)際情況，采用Hoek Brown計算完整和節(jié)理
巖體強(qiáng)度的方法計算節(jié)理裂隙對礦柱強(qiáng)度的影響，
即：
O'pl 一√ (3)
式中： 完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；
巖體完整性的一個常數(shù)。一般情況下， 的取值
范圍為(1／4～1／3)口 。
對于含有多組 理且沒有明顯的各向異性的巖
體 值由式(4)確定。
一
(RM R
一
- 100)
一 exP (4) 一
L
式中：RMR 巖體地質(zhì)分類指標(biāo)。
1．2 礦柱平均應(yīng)力
礦柱平均應(yīng)力 具體計算方法為：
一 十 1 (5)
式中：走 礦柱應(yīng)力集中系數(shù)，一般為2～3，取
2．5； 相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力，MPa； 。 礦
柱二次[Ⅱ1采相鄰礦柱應(yīng)力增量，MPa。
1．3 安全系數(shù)計算
通過上述對礦柱強(qiáng)度、礦柱平均應(yīng)力的計算，然
后將礦柱強(qiáng)度與礦柱平均應(yīng)力進(jìn)行比較，就能作為
衡量礦柱安全性大小的一個系數(shù)，稱為安全系數(shù)s，
具體公式見式(6)。
s 一 !( ㈣
足 _l—十-
2 礦柱回收過程中的安全系數(shù)計算
2．1 間柱的回采順序
二采區(qū)一中段主要問柱有5個，其中預(yù)留3號
問柱作為永久性間柱不進(jìn)行回收，其目的是將本區(qū)
域的大空區(qū)分割成兩獨(dú)立的小空區(qū)，其余四個間柱
全部進(jìn)行回收?？紤]到礦石提升運(yùn)輸，設(shè)計首先回
收5弓間柱，其次回收4號間柱，再次回收2號間
柱，最后回收1號間柱，圖1為二采區(qū)一中段的礦柱
模型。
三采區(qū)一中段56～6O線區(qū)域共有10個問柱，
其中5號間柱為保安礦柱礦量最大，由于三號主片
布置在礦體上盤是本區(qū)域的主提升井，同時也是所
有礦柱回收后出礦的咽喉，因此必須預(yù)留5號間柱
在本中段的通道，同時考慮礦量的因素，5號間柱應(yīng)
該回收但必須是安排在后期進(jìn)行回收。因此結(jié)合礦
山生產(chǎn)實(shí)際以及最大限度的回收礦產(chǎn)資源的原則。
本區(qū)域預(yù)留1號、3號、4號和6號問柱作為永久性
問柱不進(jìn)行回收，其余間柱的回收順序為：尚‘先回收
8號問柱，其次回收9號間柱，最后依次回收lo號、
7號、5號及2號間柱。圖2為三采區(qū)一中段的礦柱
模型。
圖l 二采區(qū)一中段礦房與間柱模型
Fig．1 The stop and pillar model of the second
m ined zone
圖2 三采區(qū)一中段礦房與間柱模型
Fig．2 The stop and pillar model of the third mined zone
2．2 計算參數(shù)的選取及確定
2．2．1 礦柱幾何尺寸
礦柱的形狀參數(shù)包括礦柱的長度 、寬度叫以
及高度h，結(jié)合前期現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)據(jù)以及礦方提供
3O 有 色 金 屬(礦山部分) 第67卷
的數(shù)據(jù)，得到二、三采區(qū)一中段間柱長度、間柱寬度
以及間柱高度等數(shù)據(jù)見表1、2。
表1 二采區(qū)一中段各間柱基本參數(shù)
Table 1 The basic parameters of pillars in the
second mined zone
表2 三采區(qū)一中段各間柱基本參數(shù)
Table 2 The basic parameters of pillars in the
third mined zone
2．2．2 巖石力學(xué)參數(shù)的確定
1)巖石單軸抗壓強(qiáng)度 ：對礦巖進(jìn)行了單軸抗壓
力學(xué)試驗，測得礦巖的平均抗壓強(qiáng)度為89．21 MPa。
2)巖體完整性無量綱試驗常數(shù)s：采用Hoek—
Brown計算完整和節(jié)理巖體強(qiáng)度的方法計算節(jié)理
裂隙對礦柱強(qiáng)度的影響，根據(jù)礦山的實(shí)際情況以及
大量的工程經(jīng)驗，確定巖體完整性無量綱試驗常數(shù)
5為1／16，間柱強(qiáng)度為22．3 MPa。
2．2．3 礦柱回采前后的應(yīng)力變化
1)相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力 。
采用數(shù)值模擬的方法確定礦柱的原巖應(yīng)力大
小，由于礦山二、三采區(qū)一中段的上覆巖層厚度不
大，在進(jìn)行數(shù)值模擬時只考慮自重應(yīng)力場的作用。
根據(jù)數(shù)值模擬計算的結(jié)果，得到二、三采區(qū)一中段礦
柱的原巖應(yīng)力見表3、表4。
表3 二采區(qū)一中段間柱原巖應(yīng)力以及相鄰礦柱
回采前間柱應(yīng)力
Table 3 The stress of pillar and adjacent pillar before
recovery of the second mined zone
表4 三采區(qū)一中段間柱原巖應(yīng)力以及相鄰礦柱
回采前間柱應(yīng)力
Table 4 The stress of pillar and adjacent pillar before
recovery of the third mined ZOne
2)礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量
根據(jù)確定的礦柱回采順序?qū)ΦV柱的回采進(jìn)行數(shù)
值模擬，通過模擬計算得N-、三采區(qū)一中段問柱在
礦柱回采過程中各階段應(yīng)力見表5、6。
表5 二采區(qū)一中段間柱在礦柱回采過程中礦柱的應(yīng)力變化
Table 5 Stress changes in the pillar of recovery process of the second mined zone
第1期 陶磊：基于應(yīng)力增量理論的礦柱回采安全性評價 31
2．3 礦柱的安全系數(shù)計算
將上述確定的礦柱寬度 、礦柱高度矗、巖石單
軸抗壓強(qiáng)度 、巖體完整性常數(shù)s等基本參數(shù)，代人
到公式(6)中就可以計算出相應(yīng)礦柱的安全系數(shù)，經(jīng)
過計算得到二、三采區(qū)一中段各間柱的安全系數(shù)見
表7、表8。
表7 二采區(qū)一中段間柱安全系數(shù)
Table 7 The safety factor of the second mined zone
表8 三采區(qū)一中段間柱安全系數(shù)
Table 8 The safety factor of the third mined zone
礦柱安全系數(shù)計算結(jié)果表明，該礦山二、三采區(qū)
一中段的間柱安全系數(shù)都大于1，即所有間柱在礦柱
回采的過程中都處于安全狀態(tài)。根據(jù)礦柱安全性等
級的劃分原則，得到該礦山二、三采區(qū)一中段的間柱
安全性程度主要是隸屬于穩(wěn)固等級，只有二采區(qū)一中
段的1號間柱和4號間柱是隸屬于中等穩(wěn)固等級。
對比礦山二、三采區(qū)一段的間柱安全系數(shù)，三采區(qū)一
中段的間柱安全性程度要高于二采區(qū)一中段間柱。
3 結(jié)論
1)基于應(yīng)力增量理論，對采空區(qū)礦柱回采過程
中的安全性進(jìn)行了理論分析，得到了礦柱安全系數(shù)
計算公式，通過空區(qū)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗，得到了礦
柱的幾何尺寸和巖石力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬
奠定了基礎(chǔ)。
2)根據(jù)礦柱的回采順序，建立了礦柱回采數(shù)值
分析模型，得到了礦柱回采前的原巖應(yīng)力和礦柱回
采過程中其他礦柱的應(yīng)力變化情況。
3)將礦柱的幾何參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)和數(shù)值模
擬計算結(jié)果帶入安全系數(shù)計算公式，計算得到了回
采過程中各礦柱的安全系數(shù)。計算結(jié)果表明，礦山
二、三采區(qū)一中段的間柱安全系數(shù)都大于1，即所有
間柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。
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