大理岩矿体房柱式采场稳定性分析_孙万明.pdf

大理岩矿体房柱式采场稳定性分析 孙万明1， 2 1. 煤炭科学研究总院 开采设计分院，北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］根据某大理岩矿体房柱式采场工程技术条件，结合矿柱、顶板失稳机理，分别采用 极限强度理论和分载面积法、厚跨比法和结构力学法等理论计算方法对矿柱和顶板的稳定性进行分 析。结果表明，该大理岩矿体及顶板强度高、完整性好，采用采 10m、留 8m 的采留尺寸能够保证采 场的长期稳定。 ［ 关键词］大理岩矿; 房柱式; 采场稳定性; 矿柱; 顶板 ［ 中图分类号］ TD823. 5［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201803- 0083- 04 Stability Analysis of Room and Pillar Stope of Marber Ore Body SUN Wan- ming1， 2 1. Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract According engineering technology of room and pillar stope of one marber ore body，with pillar and roof instability mecha- nism，and then the stability of pillar and roof were analyzed by some theoretical calculation，which include ultimate strength theory， partial load area ，thickness span ratio and structural mechanics and so on. The results showed that the marber ore body was fully integrity and with highly strength，so the size that mining 10m and remain 8m could ensured secular stability. Key words marber ore body; room and pillar; stope stability; pillar; roof ［ 收稿日期］ 2018－03－16［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 021 ［ 作者简介］ 孙万明 1985－ ，男，山东聊城人，助理研究员，硕士，研究方向为建筑物下采煤与充填开采技术。 ［ 引用格式］ 孙万明 . 大理岩矿体房柱式采场稳定性分析 ［ J］ ． 煤矿开采，2018，23 3 83－86. 某大理岩矿山采用房柱法开采，矿房回采后， 依靠矿柱支承上覆顶板岩层，为了保证矿区地表建 构筑物的安全，需对采场矿柱及顶板能否保持 长期稳定进行分析。房柱式采矿法是以保留的矿柱 支撑顶板，其采场稳定性由矿柱和矿房顶板两个要 素共同决定，若两者均能保持长期稳定，则采场整 体即可保持稳定，若矿柱失稳，则可能引起采空区 大面积冒落等灾害，若矿房顶板失稳，则将加剧覆 岩及地表移动变形。 当矿体被采出后，矿柱及顶板的受力状态发生 变化，主要的影响因素有矿体采深、覆岩结构及岩 性、矿房及矿柱尺寸、构造等 ［1－4 ］。结合大理岩矿 的开采技术条件，从房柱式采场失稳机理出发，采 用合理的理论计算方法，对该大理岩矿房柱式采场 矿柱及顶板稳定性进行分析。 1采场工程技术条件 开采矿体为纯大理岩矿体，厚度 54～64m，平 均 59m。地表有第四系黏土、亚黏土、粉砂层、砂 砾层，厚 0～16m;顶板为灰黑色厚层灰岩及大理 岩，厚度 49～79m，平均 62m; 底板为石英质大理 岩，完整性好，抗压强度约 50MPa。 开采矿体设置有 1 号、2 号、3 号、4 号共 4 个生产中段，中段高度为 20m，中段间采用自上而 下的开采顺序，中段划分见图 1，本文研究区域为 最上部 1 号中段。 图 1开采矿体中段划分 中段采准和回采以盘区划分单元，盘区内布置 矿块，如图 2 所示。盘区沿倾向布置，共划分为 6 个盘区，长度 73～241m，宽度 67～99m，盘区间柱 宽 12m;盘区内矿块沿走向布置，矿块宽度为 18m，长度为盘区宽度;矿块内设矿房和规则矿 柱，如图 3 所示。每个中段总高 20m，上部留顶柱 8m，采高 12m，矿房宽 10m，房间矿柱宽 8m，矿 房分二层回采，上层切顶，高 4m，用浅孔落矿， 38 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 下层矿房高 8m，用中深孔落矿。 图 2中段巷道及矿房、矿柱布置 图 3矿块内房柱尺寸 2房柱式采场失稳机理 2. 1矿柱破坏机理 矿柱在顶板荷载的作用下，由于矿柱自身变形 特性、顶底板与矿柱间的作用关系不同，大致有如 下 3 种破坏形式 ［2 ］，如图 4 所示。 图 4矿柱破坏形式 图 4 a是由于顶底板与矿柱之间存在较大 摩擦力而形成的顶底宽、中间窄的剪切破坏形式。 图 4 b是由于底板与矿柱之间摩擦力小，矿柱 在顶板压力作用下产生严重的脆性剪切破坏的形 式。图 4 c是由于矿柱两侧塑性破坏区较大， 在顶板处联通而破坏的形式。 影响矿柱稳定性的因素主要有 自身强度、顶 板荷载大小、矿柱宽高比、矿房尺寸与矿柱尺寸关 系、矿柱的分布均一性、岩石构造等。 2. 2大面积顶板冒落机理 采空区顶板大面积冒落类型一般有两种 切冒 型和拱冒型，如图 5 所示。切冒型即当采空区面积 达到一定范围时，顶板沿采空区边缘冒落直达地 表; 拱冒型即顶板由下向上逐层冒落直至形成拱形 空间。 图 5采空区顶板破坏模式 2. 2. 1顶板切冒型冒落失稳机理 房柱式采矿法以保留的矿柱支撑顶板，当矿体 埋深较小时，随着采场范围的逐步扩大，个别矿柱 由于承载较大或强度较低，首先发生破坏，进而导 致周边矿柱承载增大并相继发生破坏，如图 6 a 所示; 失去矿柱支撑的顶板成为四周固支的悬空顶 板，在自身重力作用下发生拉裂破断，如图 6 b 所示; 随着破断的发生顶板两端受剪截面积逐步减 小，在重力作用下采场顶板最终发生突发性的剪切 冒落，如图 6 c所示。顶板发生切冒型冒落的 特点是冒落面积大，冒顶速度快，持续时间短，地 表发生台阶式的下沉和裂缝。 图 6切冒型顶板冒落过程示意 2. 2. 2拱冒型冒落失稳机理 当矿体埋深较大、上覆岩层强度相对较低、层 间结合差、矿柱间顶板跨度较大时，顶板岩层在自 重以及构造应力的作用下，自下而上逐层发生弯曲 变形和垮落，直至在上部岩层形成平衡拱后而停止 垮落。顶板发生拱冒型冒落的特点是顶板分层冒 落，持续时间长，地表下沉缓慢，多形成连续性下 沉盆地。 3采场稳定性分析 3. 1矿柱稳定性分析 3. 1. 1矿柱稳定性判定依据 矿柱破坏的极限强度理论认为，如果矿柱内部 应力达到其允许的极限强度，矿柱的承载能力将降 低为零，矿柱就会破坏。考虑一定的安全系数，矿 柱稳定性的判定条件为 kσ ≤ σc 式中，σ 为矿柱内部应力，MPa; σc为矿柱抗压强 度，MPa; k 为安全系数，一般取 2。 48 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing 矿柱由于受内部节理裂隙、流变、风化等因素 影响，其强度相对原岩抗压强度会有所降低，矿柱 抗压强度 σc由下式确定 σcδσm 式中，δ 为折减系数，一般取 0. 5～0. 85;σm为岩 石抗压强度，MPa。 3. 1. 2矿柱受力状态分析 矿房采出后，保留矿柱的受力状态分单向受力 状态和三向受力状态两种。在采用充填法或顶板垮 落后能充满采空区的条件下，矿柱呈三向受力状 态; 在顶板为坚硬岩层的条件下，采空区不能被垮 落的岩石充填或少量充填时，矿柱呈单向受力状 态。中段顶板主要为坚硬的石灰岩，因此矿房开采 后保留矿柱呈单向受力状态。 单向受力状态下，矿体实际承受的载荷可按 “分载面积法”确定 ［5－7 ］，如图 7 所示，图中 “ a b ”阴影部分为矿柱分载的面积，即采出矿房 上方岩体的自重全部转移到矿柱上，因此矿柱内部 平均应力可按下式计算 σ γH a b a 式中，γ 为上覆岩体的平均容重，MN/m3; H 为开 采深度，m; a 为保留矿柱的宽度，m; b 为采出矿 房宽度，m。 图 7分载面积法计算示意 3. 1. 3矿柱稳定性分析 根据中段的地质开采条件，矿体埋藏深度中部 最小，北部其次，南部最大。中部地表无第四系覆 盖，地表标高较低，矿柱上方的石灰岩层厚 28 ～ 37m; 北部地表有第四系表土层覆盖，层厚 10 ～ 12m，上部石灰岩层厚 56～72m;南部无第四系覆 盖，矿柱以上石灰岩厚 125～194m。 表土 层 密 度 为 1700kg/m3，石 灰 岩 密 度 取 2930kg/m3，大理岩密度为 2700kg/m3，大理岩单 轴抗压强度 50MPa。 由上述数据及房柱尺寸可计算得到矿房开采后 各区域矿柱的平均应力，并与矿柱极限强度对比判 定其稳定性，具体见表 1。 表 1矿柱最大应力及其稳定性 盘区 矿柱 宽/m 矿房 宽/m 矿柱应 力/MPa 矿柱抗压 强度/MPa 安全 系数 稳定性 18157. 3405. 5稳定 28105. 7407. 0稳定 38102. 94013. 7稳定 48108. 9404. 5稳定 581012. 7403. 1稳定 681013. 3403. 0稳定 注 矿柱抗压强度折减系数取 0. 8。 由表 1 数据可知，未来中段回采后，各盘区保 留的矿柱实际所承受的压力远小于矿柱自身的抗压 强度，安全系数较大，其足以支撑上部顶板荷载。 矿柱宽高比也是影响矿柱稳定性的主要因素， 矿柱稳定性随宽高比的增加而增大。研究中段矿柱 宽高比为 0. 67，相比于常规的煤矿条带煤柱宽高 比 2～5 偏小 ［7 ］。大理石矿柱自身强度较高、完整 性好，比一般煤柱抗压能力较强，因此其宽高比可 适当降低。 虽然矿柱宽高比偏小，但由极限强度理论分析 结果可知矿柱安全系数较高，因此可认为保留矿柱 是稳定的。 3. 2采空区顶板稳定性分析 采空区顶板是采空区结构中相当薄弱的部分， 当采空区的暴露面积、体积、跨度、承载状况及工 程扰动发生变化时，都可能影响应力的重新分布， 造成应力集中及岩体破坏，诱发地压活动，导致大 范围的采空区失稳和贯通。对于如何科学评价采空 区顶板稳定性，许多矿山偏向于采用经验类比法， 而不少学者则通过数学和力学理论建立了相应的计 算及研究方法，具有代表性的理论及计算方法有 普氏拱法、厚跨比法、结构力学法、长宽比梁板 法、鲁佩涅依理论估算法、荷载传递线交汇法 等 ［8 ］。 本文选用适用于坚硬完整顶板条件的厚跨比法 和结构力学法，对中段采场顶板稳定性进行分析。 3. 2. 1厚跨比法 该方法认为，当采空区顶板为完整顶板时，其 顶板的厚度 H 与其跨越采空区的宽度 W 之比 H/W ≥ 0. 5 时，则认为顶板是安全的。 已知中段中部顶板最薄处的石灰岩厚 28m，顶 柱 8m，顶板跨越采空区的宽度为 10m，厚跨比为 H W 28 8 10 3. 6 ＞ 0. 5 因此可认为矿房顶板是稳定的。 3. 2. 2结构力学法 矿房顶板由两侧矿柱支撑，将顶板看作两端固 58 孙万明 大理岩矿体房柱式采场稳定性分析2018 年第 3 期 ChaoXing 定的梁，因此将其简化为平面弹性力学问题，取单 位宽度进行计算，梁的计算简图如图 8 所示。 图 8结构力学法分析示意 图 8 中板梁承受自重及上部岩层的均布荷载的 作用，按照结构力学分析得到板梁承受的最大拉应 力为 σmax ∑ρghb q l2 2bH2 式中，ρ 为顶板各岩层容重，kg/m3;h 为顶板各 岩层厚度，m; g 为重力系数，N/kg;q 为顶板上 部荷载，N/m; l 为顶板跨越采空区长度，m; b 为 顶板计算宽度，一般为单位宽度 1m;H 为顶板总 厚度，一般为单位宽度 1m。 以中段顶板最薄处的条件进行计算，则计算参 数取值为 l10m，b1m 单位宽度 ，q0，石 灰岩厚 h128m，顶柱大理岩厚 h28m。将各参数 取值代入上式，可得到矿房顶板岩层的最大拉应力 为 1顶板石灰岩层最大拉应力 σ1max0. 05MPa 2大理岩顶柱最大拉应力 σ2max0. 81MPa 石灰岩抗拉强度一般为 2. 9 ～ 24. 0MPa，大理 岩抗拉强度一般为 5. 0～24. 5MPa。分析得到的顶 板岩层所承受的最大拉应力均远小于其自身的抗拉 强度，因此矿房顶板是稳定的。 4结束语 1房柱式采场稳定性由矿柱和顶板两个因 素决定， 影响矿柱稳定性的因素主要有 自身强 度、顶板荷载大小、矿柱宽高比、矿房尺寸与矿柱 尺寸关系、矿柱的分布均一性、构造等，顶板稳定 性及其破坏形式与顶板自身强度、岩层结构等有 关。 2按 “分载面积法”分析认为，大理岩矿 房开采后矿柱所受荷载引起的内部应力远小于其抗 压强度，矿柱安全系数较大，足以支撑上部顶板荷 载，保留矿柱是稳定的。厚跨比法和结构力学法分 析认为，大理岩矿房开采后顶板岩层的承载状态良 好，采动引起的附加应力较小，上方顶板及保留的 顶柱均是稳定的。 3中段矿体整体埋深较浅，矿柱及顶板承 压较小，而且顶板、矿柱均属坚硬岩层，抗拉及抗 压强度较高，房柱采留尺寸合理，分析认为矿柱及 顶板的稳定性均较好，该房柱式采场是稳定的。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 翟德元，刘学增 . 房柱式开采覆岩移动机理研究 ［J］． 非金 属矿，1999，22 2 36－37，19. ［ 2］ 黄英华，徐必根，唐绍辉 . 房柱法开采矿山采空区失稳模式 及机理 ［J］ ． 矿业研究与开发，2009，29 4 24－26. ［ 3］ 张俊英，李文，杨俊哲，等 . 神东矿区房采采空区安全隐 患评估与治理技术 ［J］ ． 煤炭科学技术，2014，42 10 14－19. ［ 4］ 刘长友，万志军，卫建清，等 . 房柱式开采煤柱的承载变形 规律及其稳定性分析 ［ A］． 21 世纪高效集约化矿井学术研讨 会 ［ C］ . 2001. ［ 5］ 解兴智 . 浅埋煤层房柱式采空区顶板－煤柱稳定性研究 ［J］． 煤炭科学技术，2014，42 7 1－4，9. ［ 6］ 杨逾，郑志明 . 石膏矿房柱式开采矿柱稳定性分析 ［J］． 硅酸盐通报，2017，36 10 3566－3570. ［ 7］ 刘义新 . 房柱式采空区遗留煤柱稳定性综合评价研究 ［J］． 煤矿开采，2013，18 3 78－80. ［ 8］ 邹平，李爱兵，刘正宇，等 . 某石灰石矿隔离矿柱厚度的 确定 ［ J］ ． 有色金属，2011，63 2 64－68. ［ 9］ 刘明荣 . 采空区顶板破坏模式判别方法及应用 ［D］ . 赣州 江西理工大学，2012.［责任编辑 施红霞］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 109 页 挖输送机研制 ［J］ ． 煤炭科学技术，2010，38 11 103－ 107. ［ 2］ 朱兴民，刘传令，季益义 . 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School of Mine，Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2. Guizhou Province Key Laboratory of Nonmetallic Mineral Resources Comprehensive Utilization，Guiyang 550025，China; 3. Guizhou Province Complex Geology Mining Safety Technology Engineering Center，Guiyang 550025，China Abstract In order to study mining pressure of steeply inclined and short- interval coal seam，and sufficiently realized surrounding rock stress distribution characters during mining process，and prevent mining field roof falling，side sliding and hydraulic support pressu- ring and so on，it taking 14602 working face of one coal mine as engineering background，and surrounding rock stress distribution within roof and floor during mine was simulate by numerical simulation，and obtained front and back stress distribution characteristics of working face，during working face advancing，and abutment supporting pressure ed as‘analogy ellipse stress zone’. with practical mining background of 14602 working face，the conclusions that‘ triangle close’structure at the bottom of working face was strengthen than upside during working face mining，and then roadway surrounding stress and deation at the bottom of working face were all large，so supporting intensity of bottom roadway of working face should be improved in last mining field and roadway support- ing. Key words steeply inclined and short- interval coal seam ;‘analogy ellipse stress zone ’ ;‘ triangle close’structure; section area detection ［ 收稿日期］ 2018－03－22［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 022 ［ 基金项目］ 贵州省科技厅联合资金资助项目 黔科合 LH 字 ［ 2016］ 7464 号、黔科合 LH 字 ［ 2015］ 7662 号 ［ 作者简介］ 刘怀谦 1992－ ，男，山东枣庄人，硕士研究生，主要从事采矿工程研究工作。 ［ 通讯作者］ 刘萍 1973－ ，女，副教授，主要从事矿业系统工程研究工作。 ［ 引用格式］ 刘怀谦，刘萍，韩森，等 . 急倾斜近距离煤层开采矿压显现规律研究 ［ J］． 煤矿开采，2018，23 3 87－91. 我国煤炭资源分布广泛且储量丰富，据统计急 倾斜煤层储量占全国煤炭总储量的 15 ～20［1 ］， 急倾斜煤层煤炭储量占西部地区煤炭总储量的 50左右 ［2－5 ］，例如，贵州地区煤炭资源丰富，大 多矿区富含两层或者两层以上近距离可采煤层，科 学开采这部分煤层对于建设节约型社会和倡导科学 发展观具有重要意义。因此，研究对急倾斜近距离 煤层开采的矿压显现规律对贵州省的经济发展显得 尤为重要。 目前，国内外相关专家及现场技术人员对急倾斜及 近距离煤层开采进行大量实验及研究，并取得了大 量的研究成果，如相关学者 ［2， 6 ］采用 FLAC3D对采煤 工作面回采过程中围岩力学特征进行数值模拟，揭 示了急倾斜近距离煤层在采煤工作面推进过程中顶 板垮落、底板破坏等矿压显现特征;张志康［7 ］采 用数值模拟软件模拟近距离煤层开采过程中，采煤 工作面走向和倾向矿压分布规律进行计算，为煤层 开采提供了理论依据; 余本胜等 ［8 ］对比分析平煤 78 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 集团十三矿煤层多个工作面矿山压力观测资料，揭 露了急倾斜软煤层条件下应采用分层开采方法; 王 路军 ［9 ］针对神东矿区石圪台矿某工作面矿压显现 程度较小和周期来压步距较大等问题，对该工作面 的矿压显现特征和周期来压规律进行了具体研究， 揭露了其原因是下煤层工作面的矿压显现受上覆主 关键层回转运动的影响;张伟［10 ］应用相似模拟试 验及数值分析的方法，研究采用急倾斜水平分层开 采条件下，3 号、5 号煤层矿压显现规律及围岩破 坏情况; 冯国瑞 ［11 ］通过理论分析、数值模拟以及 工业试验相结合的方法对上部煤层底板移动规律和 残采区上行开采矿山压力控制技术进行了系统的研 究，为残采区上行开采提供了理论指导与借鉴价 值。综合以上研究成果发现，目前针对急倾斜煤层 开采矿压显现规律的研究有待深入。鉴于此，本文 以贵州某矿 14602 采煤工作面为工程背景，运用 FLAC3D数值模拟软件建立煤岩层分析模型［12－13 ］并 结合工程实例，揭示煤层开采过程中矿山压力显现 规律、围岩应力分布以及应力峰值大小和位置。该 研究成果为同类矿井围岩控制措施与手段提供了有 力依据，对同等开采条件下矿山压力控制具有指导 意义。 1工程概况 贵州省某矿 14 采区含煤 10～20 层，其中主要 可采及局部可采煤层为 4 号煤、6 号煤和 9 号煤， 煤层层位关系如图 1 所示。煤层倾角为 54 ～62， 平均倾角 60，属于急倾斜近距离煤层开采，平均 埋深为 450m，4 号煤、6 号煤和 9 号煤层平均厚度 分别为 1. 7m，1. 4m 和 1. 2m，煤层平均间隔分别 为 10m 和 5m，煤层顶底板多为泥岩或砂质泥岩， 稳定性较差。经测定，4 号煤层为劣质煤层，9 号 煤层相对瓦斯涌出量较高，鉴定等级为煤与瓦斯突 出煤层。 图 1煤层层位关系简化模型 急倾斜近距离煤层开采特点 矿井地质构造复 杂，开采难度大; 回采巷道承受较大侧压，周期来 压不明显，初次来压步距较大; 回采工作面各工序 实施困难，增加机械化的难度; 煤及矸石沿底板滑 落，便于运输。 2煤层开采围岩应力分布规律 2. 1数值计算模型建立 为了更加直观表述采煤工作面顶底板围岩应 力、位移等参数的分布，根据煤岩层位置和顶底板 岩性特征 表 2 ，利用有限差分数值模拟软件 FLAC3D建立相应的数值计算模型，模型尺寸 XY Z 确定为75m 150m 200m，模型划分为 33108 个网格节点和 30150 网格单元，模型模拟煤 岩层倾角 60，模型底边垂直固定，左右边界水平 固定，上部边界施加约 9MPa 垂直应力模拟上覆岩 层的重力; 采用煤层走向长壁分层开采，6 号煤层 为首采层，采煤工作面两侧留 30m 保护煤柱，得 出采煤工作面推进过程中的围岩应力分布和矿压显 现特征。 2. 2采场应力分布规律 表 2顶底板岩体力学特性 序号名称层厚/m 密度/ kgm －3 体积模量/GPa剪切模量/GPa 摩擦角/ 黏聚力/MPa 抗拉强度 /MPa 1细砂岩－28733. 252. 52423. 21. 29 2泥岩3. 224616. 083. 47301. 30. 61 34 号煤层1. 714602. 120. 93240. 50. 35 4泥岩15. 027681. 721. 42401. 83. 36 56 号煤层1. 413902. 010. 88240. 40. 32 6泥岩5. 024384. 312. 80280. 71. 82 79 号煤层1. 214022. 080. 55201. 20. 64 8泥岩4. 325455. 803. 18280. 71. 68 9中细砂岩－29773. 892. 08375. 23. 67 随着煤层工作面推进过程中，急倾斜煤层开采沿煤层走向力学特性与一般埋藏煤层应力分布形态 88 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing