李勝權(quán)

?

復(fù)雜地質(zhì)條件下鋁土礦礦柱穩(wěn)定性分析

李勝權(quán)

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083）

為了最優(yōu)礦石回收率和保證礦井的穩(wěn)定性，需要對礦柱尺寸和形狀進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過礦柱的荷載、尺寸、地質(zhì)等因素分析了影響礦柱穩(wěn)定性的敏感性和破壞機(jī)制，建立耦合6因素的復(fù)雜地質(zhì)條件下鋁土礦穩(wěn)定性評價(jià)方法，為復(fù)雜地質(zhì)條件下礦區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)提供經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)。

礦井；礦柱；敏感性；破壞機(jī)制

礦柱類型和尺寸是采礦穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也影響著礦石的回收率。因此，為了確保貴鋁一礦銀廠坡礦段安全開采，不僅需要研究礦柱間距與極限跨度的關(guān)系，還需研究礦柱斷面尺寸與礦柱強(qiáng)度的關(guān)系，從而進(jìn)一步對礦柱的穩(wěn)定性及其影響因素的敏感性從理論上進(jìn)行計(jì)算分析。

1 礦區(qū)穩(wěn)定性分析方法

國內(nèi)外對礦柱穩(wěn)定性的研究始于對煤礦礦柱強(qiáng)度的研究，隨著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累和研究的發(fā)展，表明需要通過礦柱的荷載及應(yīng)力分布、強(qiáng)度等問題研究礦柱破壞機(jī)制，從而分析礦柱的穩(wěn)定性。

1.1 礦柱荷載理論

礦柱的荷載與上覆區(qū)域圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，在國內(nèi)外的研究成果中，應(yīng)用最廣泛的是礦柱的面積承載理論。該理論認(rèn)為，礦柱承受的載荷是礦柱所支撐的開采空間范圍內(nèi)直達(dá)地表的上覆巖柱的重力，此巖柱支撐的面積為分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和，從而假設(shè)計(jì)算礦柱的平均應(yīng)力。

對于均勻厚度的平伏狀礦體的橫剖面，用長礦房和留房間礦柱的方法開采，礦房和礦柱的跨度為o和p.當(dāng)足夠多的房、柱中具有代表性的一部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，考慮在內(nèi)力作用下結(jié)構(gòu)物的平衡，并在垂直于該剖面的方向上取單位厚度，則隔離體的平衡方程為：

式（1）中：p為礦柱軸向平均應(yīng)力；o和p分別為礦房和礦柱的寬度；ZZ為采礦前應(yīng)力場的垂直向正應(yīng)力分量。

1.2 礦柱強(qiáng)度理論

國內(nèi)外通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場原位測試以及實(shí)例分析，結(jié)合理論計(jì)算分析，提出了10多種礦柱強(qiáng)度計(jì)算方法，然而，這些理論計(jì)算主要是研究煤礦礦柱。鋁土礦屬于金屬礦山，其地層多為石灰?guī)r，屬于硬質(zhì)巖，國內(nèi)外對其礦柱的穩(wěn)定性研究較少。

1.2.1 Bunting計(jì)算公式

Bunting在1911年從煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度角度出發(fā)，提出了計(jì)算煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式：

式（2）中：p為礦柱強(qiáng)度，MPa；l為圍巖強(qiáng)度參數(shù)，MPa；p為礦柱寬度，m；為礦柱高度，m。

1.2.2 Zern計(jì)算公式

Zern在1928年編寫的《煤礦工人手冊》中計(jì)算了煤柱的強(qiáng)度，公式為：

1.2.3 Salamon-Munro計(jì)算公式

其中，zi和zi′分別為像素i和i′的光譜測度；‖zi-zi′‖用以計(jì)算zi與zi′間的歐氏距離；σi為像素i的尺度參數(shù).令zi={‖zi-zi″‖,i″Ni}且‖zi-zi″‖按增序排列，取σi=zi(#Ni / M)，為取整操作符，#為計(jì)算集合所含元素總數(shù)操作符，M[2,6]為指定整數(shù)[22]，控制σi的取值，可根據(jù)待分割影像選取不同的M值.

Salamon在1967年通過對南非失穩(wěn)和穩(wěn)定的煤柱進(jìn)行全面調(diào)查，計(jì)算和分析得出方形煤柱的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式（4）中：，，為常數(shù)。

2 礦柱破壞機(jī)制研究

采礦過程中，引起礦柱和采空區(qū)圍巖的應(yīng)力重新分布，增加了礦柱的荷載，因此，礦柱的形狀、尺寸、物理力學(xué)形狀、地質(zhì)構(gòu)造及礦柱表面約束等影響了礦柱荷載力學(xué)響應(yīng)。礦柱變形破壞模式主要有壓剪破壞、壓張破壞、剪致破壞、巖爆和沿弱面剪切破壞。然而，影響礦柱破壞模式的主要因素有礦柱的形狀、尺寸、荷載大小、礦柱巖體的質(zhì)量（包括礦柱巖性、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙密度、分布及強(qiáng)度）、礦柱地質(zhì)構(gòu)造（是否存在軟弱夾層或有斷裂結(jié)構(gòu)面切割礦柱）。

3 礦柱穩(wěn)定性因素敏感性分析

在此研究基礎(chǔ)上，貴鋁一礦銀廠坡選擇矩形礦柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對采深（）、礦房跨度（o）、礦柱寬度（p）、礦柱高度（）、礦體的單軸抗壓強(qiáng)度（c）、上覆巖層的容重（）、礦柱長度（p）、礦柱長度方向的間距（0）對礦柱穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行敏感性分析。

矩形礦柱安全系數(shù)的計(jì)算公式如下：

當(dāng)?shù)V柱的形式為方形時(shí)，礦柱長度（p）與礦柱寬度（p）相同，礦柱長度方向的間距（0）與礦房跨度（o）相同，上述8項(xiàng)因素簡化為6項(xiàng)（第7、8項(xiàng)省去），因此，計(jì)算方形礦柱安全系數(shù)的公式簡化為：

4 礦區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)和理論分析，貴鋁一礦銀廠坡礦段礦柱穩(wěn)定性影響因素的主次順序?yàn)椋旱V房寬o＞礦柱寬p＞采深＞礦體強(qiáng)度c＞礦柱高＞上覆巖層容重，而礦柱寬度值變化范圍為2～6 m，相應(yīng)的礦柱安全系數(shù)值為0.842 96～6.434 7，當(dāng)?shù)V柱寬度值為3 m時(shí)，安全系數(shù)為1.645 5，滿足礦柱穩(wěn)定性要求；礦柱寬度為2 m時(shí)，安全系數(shù)為0.829 6，不滿足要求。因此，要求礦柱的最小寬度值必須大于2 m，建議取最小礦柱寬度值為2.5 m。

表1 礦柱穩(wěn)定性計(jì)算方案與結(jié)果分析表

試驗(yàn)號因素 1（H）2（h）3（W0）4（Wp）5（σc）6（γ）穩(wěn)定性系數(shù)（Kα） 11111119.413 3 21222221.303 7 313333323.192 3 41444441.390 0 515555512.437 1 62123450.657 5 K16.505 21.751 19.547 31.645 53.924 02.099 0T=79.600 3 K23.477 74.00751.685 40.829 61.989 54.706 0 K32.488 02.028 63.985 96.434 75.657 93.785 6 K42.475 32.671 61.165 54.215 11.236 91.769 8 K50.973 95.461 36.196 02.455 12.611 82.859 7 極差R5.531 33.710 28.381 85.605 14.4212.936 2 因素主次Wo＞W(wǎng)p＞H＞σc＞h＞γ

5 結(jié)論

通過理論分析建立貴鋁一礦銀廠坡礦區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)方法，并通過計(jì)算獲得礦房寬度、礦柱寬度對礦柱穩(wěn)定性的影響最為顯著，采深、礦體的強(qiáng)度其次，礦柱高度和上覆巖層容重對礦柱穩(wěn)定性的影響不明顯；礦柱最小寬度為2.5m。

［1］E Hoek.Rock Engineering［M］.出版社不詳，2001.

［2］王文星.巖體力學(xué)［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2004.

［3］《采礦手冊》編輯委員會(huì).采礦手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

［4］中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì).冶金礦山地質(zhì)技術(shù)管理手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［5］Li，J.Critical Strain of Intact Rock and Rock Masses［D］.Perth：Western Australian School of Mines，Curtin University of Technology，2004.

［6］李白英.開采損害與環(huán)境保護(hù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

2095－6835（2018）24－0064－02

TD323

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.064

〔編輯：張思楠〕