矿柱支护采矿法的岩体控制7/23/2024Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制目目 录录6.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成6.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 6.2.1 矿柱平均应力的从属面积分析法矿柱平均应力的从属面积分析法 6.2.2 矿柱强度分析矿柱强度分析6.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 6.3.1 矿房矿房矿柱参数计算矿柱参数计算 6.3.2 采矿尺寸与矿石采出量采矿尺寸与矿石采出量6.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析矿柱支护条件下顶底板稳定性分析Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法是是根根据据矿矿体体倾倾角角的的大大小小，将将井井田田划划分分成成矿矿块块或或盘盘区区，在在矿矿块块或或盘盘区区内内交交替替布布置置矿矿房房和和矿矿柱柱，回回采采矿矿房房时时，留留下下规规则则的的连连续续或或间间断断矿矿柱柱支支撑撑顶顶板板，这这就就是是矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法的的基基本本特特征征。由由于于矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法属属于于部部分分回回采采，能能够够有有效效地地控控制制覆覆岩岩移移动动，减减少少地地表表移移动动和和变变形形，特特别别适适合合于于在在不不能能搬搬迁迁又又不不便便加加固维修的密集建筑物下采矿。固维修的密集建筑物下采矿。 矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法主主要要用用于于开开采采矿矿石石和和围围岩岩都都稳稳固固的的水水平平和和缓缓倾倾斜斜矿矿体体。如如果果矿矿房房顶顶板板为为中中等等稳稳固固，还还可可以以辅辅助助采采用用锚锚杆杆支支护护，配配合合矿矿柱柱加加强强对对顶顶板板的的支支护护效效果果。矿矿体体支支护护法法既既可可以以用用于于薄薄矿矿体体，也可以用来开采厚矿体和极厚矿体。也可以用来开采厚矿体和极厚矿体。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/20246.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 在采矿过程中，要控制在采矿过程中，要控制整整个采矿影响区域个采矿影响区域内的岩体位移，内的岩体位移，需要维持需要维持单个采场围岩单个采场围岩的局部的局部稳定性和对矿井近场区域内位稳定性和对矿井近场区域内位移进行控制。移进行控制。 采场的局部稳定性、近采场的局部稳定性、近场地层的控制可以作为独立场地层的控制可以作为独立的设计问题来考虑。的设计问题来考虑。 Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制图图6.3 6.3 开采倾斜矿体的矿柱布置开采倾斜矿体的矿柱布置图图6.2 6.2 房柱法开采布置示意图房柱法开采布置示意图 图图6.2中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图6.3中，标号为中，标号为A的矿块是的矿块是水平的横向矿柱，而水平的横向矿柱，而B则为水平的纵向矿柱。矿柱则为水平的纵向矿柱。矿柱B也可称作采场也可称作采场“1”的底柱的底柱或采场或采场“2”的顶柱。的顶柱。 Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 一个矿体若在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个一个矿体若在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个采矿区或盘区采矿区或盘区，就可以排除矿体整体垮落的可能性。，就可以排除矿体整体垮落的可能性。 图图6.4 6.4 向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置 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盘区内。限于在盘区内。 Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.2 矿柱支护能力矿柱支护能力 6.2.1 平均应力从属面积平均应力从属面积 （6-1）图图6.5 矿柱稳定性的从属面积分析法矿柱稳定性的从属面积分析法Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制=开采面积开采面积/矿体总面积。矿体总面积。（6-2）由（由（6.1）、（）、（6.2）式可得到：）式可得到：考虑有代表性的部分矿体，如图考虑有代表性的部分矿体，如图6.5c6.5c所示，面积采出比也可表示为：所示，面积采出比也可表示为：因此（6-3）（6-4）Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 采矿平面布置采矿平面布置（涉及到的矿柱平面尺寸（涉及到的矿柱平面尺寸a a、b b、矿房跨度为、矿房跨度为c c）也可用）也可用类似的方式处理。类似的方式处理。 满足垂直方向上的静力平衡条件：满足垂直方向上的静力平衡条件： 面积采出比为：面积采出比为： （6-5）（6-6）对式（对式（6-56-5）作某些简单的处理，得）作某些简单的处理，得（6-7）式（式（6-7）与式（）与式（6-4）完全一样）完全一样。图图6-6 6-6 矿柱从属面积分析法的几何要素矿柱从属面积分析法的几何要素Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 对于平面尺寸为对于平面尺寸为 的方形矿柱的情况，矿柱被尺寸为的方形矿柱的情况，矿柱被尺寸为 的矿房分开，式（的矿房分开，式（6-56-5）可写为）可写为当然，矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关（式当然，矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关（式6-46-4）。）。（6-8） 式式（6-16-1）、（6-56-5）和和式式（6-86-8）表表明明，在在可可能能的的矿矿柱柱布布置置方方式式中中矿矿柱柱的的平平均均轴轴向向应应力力状状态态可可以以由由矿矿房房和和矿矿柱柱的的尺尺寸寸及及采采矿矿前前的的法法向向正正应应力力分分量量直直接接算算出出。对对于于任任何何几几何何规规则则的的采采矿矿布布置置来来说说，矿矿柱柱平平均均轴轴向向应应力直接由面积开采比确定力直接由面积开采比确定。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱的应力水平与面积采出比的关系如图矿柱的应力水平与面积采出比的关系如图6.76.7所示。所示。 图图6.7 矿柱应力集中系数与面积采出比关系矿柱应力集中系数与面积采出比关系 从从图图中中可可以以看看到到，当当面面积积采采出出比比很很大大时时，即即使使面面积积采采出出比比有有很很小小的的增增加加，也也将将引引起起矿矿柱柱中中应应力力的的极极大大增增加加。如如r r从从0.90.9增增加加到到0.910.91时时，矿矿柱柱的应力集中系数将从的应力集中系数将从1010增加到增加到11.111.1。 很很明明显显，矿矿柱柱中中集集中中应应力力的的这这个个特特点点在在矿矿柱柱设设计计和和采采矿矿工工程程中中具具有有重重要要意意义义。它它解解释释了了当当采采用用天天然然矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法时时，常常采采用用面面积积采采出出比比小小于于0.750.75的的原原因因。当当面面积积采采出出 比比低低于于0.750.75时时， 的的增增加加缓缓慢慢；当当面面积积采出比高于采出比高于0.750.75时，时， 迅速增加。迅速增加。 Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.2.2 矿柱强度分析矿柱强度分析 从从属属面面积积法法为为矿矿柱柱需需要要承承担担的的轴轴向向平平均均应应力力确确定定提提供供了了一一个个简简单单的的计计算算方方法法。理理论论和和实实验验均均表表明明，矿矿柱柱的的强强度度与与其其大大小小和和几几何何形形状状有有关关。由由于于岩岩体体中中分分散散着着大大量量孔孔隙隙裂裂隙隙、软软弱弱夹夹层层和和其其他他缺缺陷陷，矿矿柱柱大大小小对对其其强强度度的的影影响响是是容容易易理理解解的的。形形状状的的影影响响主主要要从从三三个个方方面面加加以以考考虑虑：相相邻邻围围岩岩的的制制约约，它它是是由由于于对对矿矿柱柱侧侧向向膨膨胀胀的的约约束束而而在在矿矿柱柱中中产产生生的的；矿矿柱柱体体中中应应力力场场各各分分量量不不仅仅是是垂垂直直于于其其轴轴线线方方向向的的分分量量；矿矿柱柱的的破破坏坏方方式式随随纵纵横横比比（即即宽宽/ /高高比比）的的改改变变而而改改变变。事事实实上上，上上述述第第二二个个原原因因暴暴露露了了从从属属面面积积法法本本身身的的不足。不足。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 HardyHardy等（等（19771977年）指出，矿柱大小和几何形状对其强度年）指出，矿柱大小和几何形状对其强度S S的影响的影响通常可由一个经验指数关系表达，即通常可由一个经验指数关系表达，即式中式中（6-9） 由由式式（6-96-9）可可知知，如如果果对对一一个个矿矿体体的的单单位位立立方方体体试试块块进进行行强强度度试试验验，则则强强度度参参数数值值S=SS=S1 1。事事实实上上，这这种种解解释释是是不不正正确确的的。因因为为式式（6-96-9）两两边边的的量量纲纲不不统统一一。正正确确的的方方法法是是在在特特定定的的力力学学环环境境下下，对对一一组组观观察察到到的的矿矿柱柱破破坏坏情情况况进进行行详详细细分分析析后后得得出出，或或者者是是对对典典型型矿矿柱柱进进行行仔仔细细设设计计后后，进进行行现现场加载试验而得。场加载试验而得。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 通通过过把把式式（6-96-9）改改写写成成如如下下形形式式，可可以以得得到到矿矿柱柱大大小小和和形形状状对对矿矿柱柱强度影响的另一表达式，即强度影响的另一表达式，即（6-10） 式（式（6-96-9）和式（）和式（6-106-10）中，基本强度参数）中，基本强度参数S S1 1和和S S2 2是不相等的，这是是不相等的，这是由于这两个表达式中量纲不同所致。对于横剖面为方形的矿柱，指数由于这两个表达式中量纲不同所致。对于横剖面为方形的矿柱，指数，a a，b b是线性相关的。它们之间有的相关性如下：是线性相关的。它们之间有的相关性如下：（6-11） Salamon Salamon 和和 Munro Munro（19671967年）总结了各种渠道获得的方形截面矿柱年）总结了各种渠道获得的方形截面矿柱强度指数的一些经验取值，见表强度指数的一些经验取值，见表6-16-1。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制来源来源ab备注备注Salamon Salamon 和和 MunroMunro(1967(1967年年) )0.460.46南非煤层，现南非煤层，现场破坏场破坏Greenwald Greenwald 等等(1939(1939年年) )-0.83-0.830.500.50-0.111-0.1110.720.72匹兹堡煤层，匹兹堡煤层，模型试验模型试验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西弗吉尼亚西弗吉尼亚实验室试验实验室试验Skinner (1959Skinner (1959年年) )-0.079-0.079硬石膏实验室硬石膏实验室试验试验表表 6-1 基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 Hardy Hardy 等（等（19771977年）对西科罗拉多油页岩矿柱工作性状的研究中推年）对西科罗拉多油页岩矿柱工作性状的研究中推出的出的矿柱强度为矿柱强度为（6-12） 应用式（应用式（6-126-12）时，简便的方法是取一个比例关系，）时，简便的方法是取一个比例关系，即通过试验确定一即通过试验确定一个已知形状和大小试样的单轴压缩强度个已知形状和大小试样的单轴压缩强度S SS S, ,再估算矿柱强度再估算矿柱强度SPSP，其表达式为，其表达式为（6-13）式中，下标式中，下标p p和和s s分别代表矿柱和试样分别代表矿柱和试样。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 矿柱支护采矿法布置设计应寻求获得资源最大可能的采出比，同时又能保证矿房跨度内的围岩稳定性和对近场岩体的总体控制。在设计不规则的矿房-矿柱几何布置的设计实践中，人们通常采用岩石力学有关计算方法如数值模拟等，这些方法可以用来确定各种采矿方案、各种几何形状的矿房-矿柱和不同开采顺序的围岩位移分布，但利用从属面积分析法来研究矿房-矿柱设计和采矿布置对于规则形状的矿房-矿柱还是比较有效的。 在应力分析的从属面积分析法用于水平层状矿体的开采设计时，牵扯到5个参数：即作用于垂直于矿柱平面方向上的场应力分量、矿柱高度h h、矿房跨度W WO O、矿柱跨度W WP P和防止矿柱破坏的安全系数F F。这里仅考虑边长为W WP P的方形矿柱，但同样适用于长形的矿柱。6.3.1 矿房矿房矿柱参数设计矿柱参数设计 Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3.1.1 6.3.1.1 安全系数的选取安全系数的选取图图6.8 南非矿柱完整和破坏频率直方图南非矿柱完整和破坏频率直方图 能能保保证证矿矿柱柱安安全全的的合合适适的的安安全全系系数数的的选选择择需需要要基基于于工工程程经经验验。对对南非矿柱进行分析时，得到了如图南非矿柱进行分析时，得到了如图6.86.8所示的所示的统计统计数据数据。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 这个直方图表明了矿柱破坏的频率分布和保持稳定的频率分布，特别是完整这个直方图表明了矿柱破坏的频率分布和保持稳定的频率分布，特别是完整矿柱性状分布集中在安全系数矿柱性状分布集中在安全系数F F从从1.31.31.91.9的范围内。在这种情况下，建议的范围内。在这种情况下，建议F F的合的合理设计值为理设计值为1.61.6。在其它采矿条件下，可以使用类似的方法来确定安全系数。在其它采矿条件下，可以使用类似的方法来确定安全系数。6.3.1.2 6.3.1.2 矿房矿房矿柱尺寸确定矿柱尺寸确定 上述工程经验表明，在设计阶段剩下的待定参数是矿柱大小上述工程经验表明，在设计阶段剩下的待定参数是矿柱大小W WP P，开采高，开采高度度h h。下面以具体实例来说明矿房矿柱尺寸确定的过程。下面以具体实例来说明矿房矿柱尺寸确定的过程。 例如，一个厚例如，一个厚2.5m2.5m的水平矿体位于地表下的水平矿体位于地表下80m80m深处，上覆岩体重力密度深处，上覆岩体重力密度为为25 25 。初始采矿布置设计中矿房跨度为。初始采矿布置设计中矿房跨度为6m6m，矿柱边长为，矿柱边长为5m5m的方形，的方形，全厚度开采，其矿柱强度的经验公式为全厚度开采，其矿柱强度的经验公式为（6-12）这个布置方案的从属面积法分析如下所述。这个布置方案的从属面积法分析如下所述。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制（1）采矿前的应力为）采矿前的应力为（2）矿柱平均轴向应力为）矿柱平均轴向应力为（3）矿柱强度为）矿柱强度为（4）安全系数为）安全系数为=8025kPa=2.0 MPaStrata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 为为了了达达到到F F=1.6=1.6的的基基本本要要求求，重重新新设设计计可可选选方方案案是是：方方案案一一，减减少少矿矿房房跨跨度度以以降降低低矿矿柱柱应应力力水水平平；方方案案二二，增增加加矿矿柱柱宽宽度度以以提提高高矿矿柱柱的的强强度度；方方案案三三，降降低低矿矿柱柱（或或采采高高）高高度度。方方案案二二、方方案案三三的的目目的的都都是是要要提提高高矿矿柱柱的的强强度度。修修改改这这些些方方案案，重重新新计计算算采采矿矿几几何何参参数数，都都是是达达到到矿矿柱柱安安全全系系数数为为1.61.6的的途途径径。对对于于方方案案一一、方方案案三三，修修改改后后的的矿矿房房跨跨度度和和高高度度可可以以直直接接得得到到；而而对对于于方方案案二二，则则得得到到一一个个关关于于 的的非非线线性性方方程程，它它可可用用牛牛顿顿拉拉夫夫森森迭迭代代法法求解，可得到如下结果。求解，可得到如下结果。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： 由由上上述述几几何何尺尺寸寸所所确确定定的的每每个个采采矿矿布布置置都都满满足足矿矿柱柱强强度度准准则则。然然而而，哪哪种种布布置置方方案案可可以以最最大大限限度度地地开开采采矿矿体体？很很明明显显，能能够够保保证证安安全全并并从从矿矿体体中中开开采的矿石量最大的那个采矿布置是理想的矿井采的矿石量最大的那个采矿布置是理想的矿井回采工作回采工作面设计。面设计。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 基基于于充充分分利利用用资资源源的的观观点点，方方案案三三很很明明显显是是不不可可取取的的，因因为为它它意意味味着着在在整整个个矿矿区区内内要要么么在在矿矿体体的的顶顶板板上上，要要么么在在矿矿体体的的底底板板上上要要留留下下一一定定厚厚度度的的矿矿石石不不能能开开采采，如如图图6.9c6.9c所所示示。从从保保证证安安全全的的观观点点来来看看，方方案案一一，方方案案二二都都是是允许的，如图允许的，如图6.9a6.9a、图、图6.9b6.9b所示，基于开采资源的体积采出比所示，基于开采资源的体积采出比，可以，可以在在这这两两个个方方案案中中作作出出选选择择。当当然然，在在随随后后的的采采矿矿阶阶段段中中，如如果果矿矿柱柱要要回回收收和和在在第第一一次次采采矿矿时时不不会会出出现现严严重重问问题题的的话话，在在这这两两个个方方案案中中作作出出选选择择时时，还还要要考考虑虑到到施施工工和和设设计计方方面面的的其其他问题。他问题。图图6.9 2.5m厚矿体开采设计的选择厚矿体开采设计的选择Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3.2 采矿尺寸与矿石采出量采矿尺寸与矿石采出量 对矿柱强度和轴向应力各个表达式的分析表明，矿柱的安全系数对矿柱强度和轴向应力各个表达式的分析表明，矿柱的安全系数F F是是矿柱大小，矿房跨度和矿柱高度（或矿体回采厚度）的函数，即矿柱大小，矿房跨度和矿柱高度（或矿体回采厚度）的函数，即（6-13） 其目的是要确定采矿尺寸的其目的是要确定采矿尺寸的 ， ，h h，所以在任何一步回采作业，所以在任何一步回采作业中，都能保证矿柱支护力学上的完整性，并使体积采出比最大。下面用中，都能保证矿柱支护力学上的完整性，并使体积采出比最大。下面用作图方法来说明这个目的是如何实现的。作图方法来说明这个目的是如何实现的。 考虑矿井结构中的一个典型部分，如图考虑矿井结构中的一个典型部分，如图6.10a6.10a所示，从一个平面尺寸所示，从一个平面尺寸为为 、高度为、高度为h h的矿块中开采出来的矿石体积为的矿块中开采出来的矿石体积为（6-14）Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 当在这个矿块的整个面积上开采时，为当在这个矿块的整个面积上开采时，为了获得相同的开采体积，即在面积了获得相同的开采体积，即在面积 上，要开采一个称之为等价开采高度的采上，要开采一个称之为等价开采高度的采矿高度矿高度 ，如图，如图6.10b6.10b。等价开采高度的。等价开采高度的表达式为表达式为（6-15）图图6.10 部分开采和等效体积开采部分开采和等效体积开采 根据等价开采高度根据等价开采高度 ，可以很方便，可以很方便地计算出天然支护采矿的产量。地计算出天然支护采矿的产量。 回回采采工工作作面面几几何何布布置置的的任任何何改改变变如如能能使使这这个个等等价价开开采采高高度度增增加加，就就表表示示采采矿矿产产量量将将会会增增加加。这这样样可可以以对对回回采采工工作作面面几几何何形形状状的的改改变变效效果果进进行行评评价价，即即考考虑虑一一个个任任何何厚厚度度的的矿矿体体，选选定定一一个个特特定定的的矿矿房房跨跨度度和和开开采采高高度度，计计算算满满足足矿矿柱柱支支护护结结构构的的安安全全系系数数要求矿柱大小。要求矿柱大小。或或Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 SalamonSalamon曾对开采深度为曾对开采深度为152m152m的现场条件所要求的安全系数为的现场条件所要求的安全系数为1.61.6进行这进行这种类型的工作，其结果如图种类型的工作，其结果如图6.116.11所示。图所示。图6.116.11中对于所选定的矿房跨度，把中对于所选定的矿房跨度，把等价开采高度看做实际开采高度的一个函数。等价开采高度看做实际开采高度的一个函数。图图6.11 矿体产量、矿房跨度和实际开矿体产量、矿房跨度和实际开采高度之间的关系采高度之间的关系 从从图图6.116.11可可以以看看出出，单单独独地地增增加加矿矿房房跨跨度度和和实实际际开开采采高高度度都都将将导导致致等等价价开开采采高高度度的的增增加加，因因而而也也就就导导致致了了该该矿矿体体开开采采产产量量的的增增加加。因因此此如如果果下下面面的的条条件件能能同同时时得得到到满满足足，则则从从矿矿体体中中开开采采的的矿矿石石量量最最大大，同同时时又又能能保保证证矿矿柱柱体体积积的的完完整整性性。这这些条件是：些条件是：(1) (1) 开采高度为矿体的最大厚度（即全厚）。开采高度为矿体的最大厚度（即全厚）。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 (2) (2) 以保证矿房帮壁局部稳定性的最大矿房跨度开采。以保证矿房帮壁局部稳定性的最大矿房跨度开采。 前面已经说明，在矿柱支护采矿法中如何获得一个矿体的最大可能的开采前面已经说明，在矿柱支护采矿法中如何获得一个矿体的最大可能的开采量。从图量。从图6.10b6.10b可以看出，体积采出比可以看出，体积采出比R R是由等价开采高度是由等价开采高度 和矿体厚度和矿体厚度M M之比确之比确定的，将式（定的，将式（6-156-15）代入后，得）代入后，得(6-16) 考考虑虑假假设设的的下下列列情情况况：一一组组矿矿体体厚厚为为M M，其其范范围围为为1.51.56.0m6.0m，位位于于地地表表下下的的不不同同深深度度。假假设设矿矿房房最最大大稳稳定定跨跨度度为为6.0m6.0m，上上覆覆岩岩体体重重力力密密度度为为2525 ，矿矿柱柱强强度度由由式式（6-126-12）确确定定。在在每每个个矿矿体体中中，矿矿体体的的全全厚厚度度和和矿矿房房最最大大稳稳定定跨跨度度可可用用来来决决定定矿矿柱柱的的平平面面尺尺寸寸，这这个个尺尺寸寸可可以以产产生生1.61.6的的矿矿柱柱安安全全系系数数。如如果果任任何何几几何何布布置置都都将将能能得得到到最最大大的的开开采采量量，则则最最大大体体积积采采出出比比R R可可以以直直接接根根据据式式（6-166-16）计计算算，图图6.126.12所所示为一组这样的结果。示为一组这样的结果。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制图图6.12 不同埋深和厚度矿体的最不同埋深和厚度矿体的最大体积开采比大体积开采比 从图从图6-126-12中可以看出两个特中可以看出两个特点，如下所述：点，如下所述： (1) (1)对于任何矿体厚度，从对于任何矿体厚度，从矿柱支护采矿法中所得到的最大矿柱支护采矿法中所得到的最大安全开采量将随着矿体埋深的增安全开采量将随着矿体埋深的增加而大大下降。因此，如果正在加而大大下降。因此，如果正在开采一个缓倾斜的矿体，则随着开采一个缓倾斜的矿体，则随着采矿下行开采，矿柱所占用的矿采矿下行开采，矿柱所占用的矿石量将逐渐增加。石量将逐渐增加。 (2)(2)用完整矿柱支护法和一步回采法开采厚煤层或矿体时，最大采出比用完整矿柱支护法和一步回采法开采厚煤层或矿体时，最大采出比可能较低，对于厚可能较低，对于厚6m6m、埋深、埋深244 m244 m的煤层，从一步回采法所得到的产量将低的煤层，从一步回采法所得到的产量将低于整个矿产资源的于整个矿产资源的25%25%。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制基基于于矿矿柱柱设设计计的的从从属属面面积积法法，得得出出一一些些关关于于矿矿柱柱支支护护采采矿矿法法的的一一般般性性结结论论。首首先先，如如果果不不进进行行矿矿柱柱回回收收，则则矿矿柱柱的的布布置置必必须须是是基基于于矿矿房房的的最最大大稳稳定定性性跨跨度度，以以确确保保矿矿产产资资源源最最大大限限度度的的回回收收；其其次次，使使用用完完整整、弹弹性性矿矿柱柱的的完完全全支支护护法法，由由于于经经济济上上的的原原因因，仅仅限限于于低低地地应应力力的的情情况况，或或是高强度矿柱的情况。是高强度矿柱的情况。 在在支支护护法法采采矿矿布布置置的的初初步步设设计计中中，选选择择恰恰当当的的矿矿柱柱强强度度公公式式、有有关关的的特特征征强强度度参参数数值值和和比比例例指指数数至至关关重重要要。合合理理的的方方法法是是利利用用式式(6-9)(6-9)来来估估算算矿矿柱柱强强度度，S1S1可可以以用用岩岩体体单单轴轴抗抗压压强强度度 来来代代替替，指指数数a a，b b可可取取表表6-6-1 1中中给给定定值值的的平平均均值值。在在实实际际采采矿矿过过程程中中，通通过过观观察察矿矿体体中中矿矿柱柱对对于于采采矿矿的的反反应应或或大大规规模模的的现现场场试试验验可可以以得得到到这这些些参参数数的的修修正正值值。在在这这些些大大规规模模的试验中，为使矿柱破坏，可以适当减小所选定的矿柱大小。的试验中，为使矿柱破坏，可以适当减小所选定的矿柱大小。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析矿柱支护条件下顶底板稳定性分析 在在利利用用从从属属面面积积法法讨讨论论矿矿柱柱的的设设计计时时，隐隐含含地地假假设设了了矿矿柱柱对对于于围围岩岩的的支支护护能能力力取取决决于于矿矿柱柱强强度度，当当上上、下下盘盘岩岩体体相相对对于于矿矿体体来来说说较较弱弱时时，矿矿柱柱支支护护体体系系也也许许会会因因矿矿柱柱挤挤入入矿矿体体围围岩岩中中而而失失效效。其其破破坏坏方方式式类类似似于于基基础础承承载载力力丧丧失失时时的的破破坏坏方方式式。这这种种破破坏坏方方式式表表现现为为矿矿柱柱周周边边附附近近的的底底板板岩岩体体的的隆隆起起或或顶顶板板岩岩体体的的剥剥离离和和破裂。破裂。 在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩体所施在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩体所施加的荷载可以等价地看做是半空间体表面上作加的荷载可以等价地看做是半空间体表面上作用一分布荷载的情况，如图用一分布荷载的情况，如图6.136.13所示。所示。图图6.13 矿柱对底板的作用矿柱对底板的作用Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制当矿柱顶底板岩层强度较低时，表现为矿柱周边附近的底板岩体的隆起或顶板岩体的剥离和破裂。因而会造成：一是因矿柱失去或降低了顶底板的约束作用，其强度会不同程度的降低；二是因矿柱不同程度地压入顶板或底板，其需要承担的上覆岩层的支撑力会“转嫁”到其它矿柱上，实际上降低了矿柱的整体支撑能力，因此，这种条件下，为保证矿柱支撑的有效性，应根据具体顶底板条件适当加大安全系数。Strata Control of Pillars Support Mining Method7/23/2024矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制复习思考题复习思考题 （1）什么是矿柱支护采矿法？）什么是矿柱支护采矿法？ （2）如何分析确定矿柱的强度？）如何分析确定矿柱的强度？ （3）矿房）矿房矿柱布置设计中的主要参数有哪些？矿柱布置设计中的主要参数有哪些？ （4）一一个个厚厚4m的的水水平平矿矿体体位位于于地地表表下下350m深深处处，上上覆覆岩岩体体重重力力密密度度为为25 。初初始始采采矿矿布布置置设设计计中中矿矿房房跨跨度度为为6m，矿矿柱柱为为边边长长5m的的方方形形，全全厚厚开开采采，试试分分析析是是否否对对矿矿房房矿柱重新设计，如何设计。矿柱重新设计，如何设计。