孫萬明

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

某大理巖礦山采用房柱法開采，礦房回采后，依靠礦柱支承上覆頂板巖層，為了保證礦區(qū)地表建(構(gòu))筑物的安全，需對(duì)采場(chǎng)礦柱及頂板能否保持長期穩(wěn)定進(jìn)行分析。房柱式采礦法是以保留的礦柱支撐頂板，其采場(chǎng)穩(wěn)定性由礦柱和礦房頂板兩個(gè)要素共同決定，若兩者均能保持長期穩(wěn)定，則采場(chǎng)整體即可保持穩(wěn)定，若礦柱失穩(wěn)，則可能引起采空區(qū)大面積冒落等災(zāi)害，若礦房頂板失穩(wěn)，則將加劇覆巖及地表移動(dòng)變形。

當(dāng)?shù)V體被采出后，礦柱及頂板的受力狀態(tài)發(fā)生變化，主要的影響因素有礦體采深、覆巖結(jié)構(gòu)及巖性、礦房及礦柱尺寸、構(gòu)造等[1-4]。結(jié)合大理巖礦的開采技術(shù)條件，從房柱式采場(chǎng)失穩(wěn)機(jī)理出發(fā)，采用合理的理論計(jì)算方法，對(duì)該大理巖礦房柱式采場(chǎng)礦柱及頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 采場(chǎng)工程技術(shù)條件

開采礦體為純大理巖礦體，厚度54～64m，平均59m。地表有第四系黏土、亞黏土、粉砂層、砂礫層，厚0～16m；頂板為灰黑色厚層灰?guī)r及大理巖，厚度49～79m，平均62m；底板為石英質(zhì)大理巖，完整性好，抗壓強(qiáng)度約50MPa。

開采礦體設(shè)置有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)共4個(gè)生產(chǎn)中段，中段高度為20m，中段間采用自上而下的開采順序，中段劃分見圖1，本文研究區(qū)域?yàn)樽钌喜?號(hào)中段。

圖1 開采礦體中段劃分

中段采準(zhǔn)和回采以盤區(qū)劃分單元，盤區(qū)內(nèi)布置礦塊，如圖2所示。盤區(qū)沿傾向布置，共劃分為6個(gè)盤區(qū)，長度73～241m，寬度67～99m，盤區(qū)間柱寬12m；盤區(qū)內(nèi)礦塊沿走向布置，礦塊寬度為18m，長度為盤區(qū)寬度；礦塊內(nèi)設(shè)礦房和規(guī)則礦柱，如圖3所示。每個(gè)中段總高20m，上部留頂柱8m，采高12m，礦房寬10m，房間礦柱寬8m，礦房分二層回采，上層切頂，高4m，用淺孔落礦，下層礦房高8m，用中深孔落礦。

圖2 中段巷道及礦房、礦柱布置

圖3 礦塊內(nèi)房柱尺寸

2 房柱式采場(chǎng)失穩(wěn)機(jī)理

2.1 礦柱破壞機(jī)理

礦柱在頂板荷載的作用下，由于礦柱自身變形特性、頂?shù)装迮c礦柱間的作用關(guān)系不同，大致有如下3種破壞形式[2]，如圖4所示。

圖4 礦柱破壞形式

圖4(a)是由于頂?shù)装迮c礦柱之間存在較大摩擦力而形成的頂?shù)讓挕⒅虚g窄的剪切破壞形式。圖4(b)是由于底板與礦柱之間摩擦力小，礦柱在頂板壓力作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的脆性剪切破壞的形式。圖4(c)是由于礦柱兩側(cè)塑性破壞區(qū)較大，在頂板處聯(lián)通而破壞的形式。

影響礦柱穩(wěn)定性的因素主要有：自身強(qiáng)度、頂板荷載大小、礦柱寬高比、礦房尺寸與礦柱尺寸關(guān)系、礦柱的分布均一性、巖石構(gòu)造等。

2.2 大面積頂板冒落機(jī)理

采空區(qū)頂板大面積冒落類型一般有兩種：切冒型和拱冒型，如圖5所示。切冒型即當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定范圍時(shí)，頂板沿采空區(qū)邊緣冒落直達(dá)地表；拱冒型即頂板由下向上逐層冒落直至形成拱形空間。

圖5 采空區(qū)頂板破壞模式

2.2.1 頂板切冒型冒落失穩(wěn)機(jī)理

房柱式采礦法以保留的礦柱支撐頂板，當(dāng)?shù)V體埋深較小時(shí)，隨著采場(chǎng)范圍的逐步擴(kuò)大，個(gè)別礦柱由于承載較大或強(qiáng)度較低，首先發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致周邊礦柱承載增大并相繼發(fā)生破壞，如圖6(a)所示；失去礦柱支撐的頂板成為四周固支的懸空頂板，在自身重力作用下發(fā)生拉裂破斷，如圖6(b)所示；隨著破斷的發(fā)生頂板兩端受剪截面積逐步減小，在重力作用下采場(chǎng)頂板最終發(fā)生突發(fā)性的剪切冒落，如圖6(c)所示。頂板發(fā)生切冒型冒落的特點(diǎn)是冒落面積大，冒頂速度快，持續(xù)時(shí)間短，地表發(fā)生臺(tái)階式的下沉和裂縫。

圖6 切冒型頂板冒落過程示意

2.2.2 拱冒型冒落失穩(wěn)機(jī)理

當(dāng)?shù)V體埋深較大、上覆巖層強(qiáng)度相對(duì)較低、層間結(jié)合差、礦柱間頂板跨度較大時(shí)，頂板巖層在自重以及構(gòu)造應(yīng)力的作用下，自下而上逐層發(fā)生彎曲變形和垮落，直至在上部巖層形成平衡拱后而停止垮落。頂板發(fā)生拱冒型冒落的特點(diǎn)是頂板分層冒落，持續(xù)時(shí)間長，地表下沉緩慢，多形成連續(xù)性下沉盆地。

3 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 礦柱穩(wěn)定性分析

3.1.1 礦柱穩(wěn)定性判定依據(jù)

礦柱破壞的極限強(qiáng)度理論認(rèn)為，如果礦柱內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到其允許的極限強(qiáng)度，礦柱的承載能力將降低為零，礦柱就會(huì)破壞?？紤]一定的安全系數(shù)，礦柱穩(wěn)定性的判定條件為：

k·σ≤σc

式中，σ為礦柱內(nèi)部應(yīng)力，MPa；σc為礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；k為安全系數(shù)，一般取2。

礦柱由于受內(nèi)部節(jié)理裂隙、流變、風(fēng)化等因素影響，其強(qiáng)度相對(duì)原巖抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低，礦柱抗壓強(qiáng)度σc由下式確定：

σc=δ·σm

式中，δ為折減系數(shù)，一般取0.5～0.85；σm為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

3.1.2 礦柱受力狀態(tài)分析

礦房采出后，保留礦柱的受力狀態(tài)分單向受力狀態(tài)和三向受力狀態(tài)兩種。在采用充填法或頂板垮落后能充滿采空區(qū)的條件下，礦柱呈三向受力狀態(tài)；在頂板為堅(jiān)硬巖層的條件下，采空區(qū)不能被垮落的巖石充填或少量充填時(shí)，礦柱呈單向受力狀態(tài)。中段頂板主要為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，因此礦房開采后保留礦柱呈單向受力狀態(tài)。

單向受力狀態(tài)下，礦體實(shí)際承受的載荷可按“分載面積法”確定[5-7]，如圖7所示，圖中“(a+b)”陰影部分為礦柱分載的面積，即采出礦房上方巖體的自重全部轉(zhuǎn)移到礦柱上，因此礦柱內(nèi)部平均應(yīng)力可按下式計(jì)算：

式中，γ為上覆巖體的平均容重，MN/m3；H為開采深度，m；a為保留礦柱的寬度，m；b為采出礦房寬度，m。

圖7 分載面積法計(jì)算示意

3.1.3 礦柱穩(wěn)定性分析

根據(jù)中段的地質(zhì)開采條件，礦體埋藏深度中部最小，北部其次，南部最大。中部地表無第四系覆蓋，地表標(biāo)高較低，礦柱上方的石灰?guī)r層厚28～37m；北部地表有第四系表土層覆蓋，層厚10～12m，上部石灰?guī)r層厚56～72m；南部無第四系覆蓋，礦柱以上石灰?guī)r厚125～194m。

表土層密度為1700kg/m3，石灰?guī)r密度取2930kg/m3，大理巖密度為2700kg/m3，大理巖單軸抗壓強(qiáng)度50MPa。

由上述數(shù)據(jù)及房柱尺寸可計(jì)算得到礦房開采后各區(qū)域礦柱的平均應(yīng)力，并與礦柱極限強(qiáng)度對(duì)比判定其穩(wěn)定性，具體見表1。

表1 礦柱最大應(yīng)力及其穩(wěn)定性

注：礦柱抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)取0.8。

由表1數(shù)據(jù)可知，未來中段回采后，各盤區(qū)保留的礦柱實(shí)際所承受的壓力遠(yuǎn)小于礦柱自身的抗壓強(qiáng)度，安全系數(shù)較大，其足以支撐上部頂板荷載。

礦柱寬高比也是影響礦柱穩(wěn)定性的主要因素，礦柱穩(wěn)定性隨寬高比的增加而增大。研究中段礦柱寬高比為0.67，相比于常規(guī)的煤礦條帶煤柱寬高比2～5偏小[7]。大理石礦柱自身強(qiáng)度較高、完整性好，比一般煤柱抗壓能力較強(qiáng)，因此其寬高比可適當(dāng)降低。

雖然礦柱寬高比偏小，但由極限強(qiáng)度理論分析結(jié)果可知礦柱安全系數(shù)較高，因此可認(rèn)為保留礦柱是穩(wěn)定的。

3.2 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

采空區(qū)頂板是采空區(qū)結(jié)構(gòu)中相當(dāng)薄弱的部分，當(dāng)采空區(qū)的暴露面積、體積、跨度、承載狀況及工程擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，都可能影響應(yīng)力的重新分布，造成應(yīng)力集中及巖體破壞，誘發(fā)地壓活動(dòng)，導(dǎo)致大范圍的采空區(qū)失穩(wěn)和貫通。對(duì)于如何科學(xué)評(píng)價(jià)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性，許多礦山偏向于采用經(jīng)驗(yàn)類比法，而不少學(xué)者則通過數(shù)學(xué)和力學(xué)理論建立了相應(yīng)的計(jì)算及研究方法，具有代表性的理論及計(jì)算方法有：普氏拱法、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)法、長寬比梁板法、魯佩涅依理論估算法、荷載傳遞線交匯法等[8]。

本文選用適用于堅(jiān)硬完整頂板條件的厚跨比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)法，對(duì)中段采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2.1 厚跨比法

該方法認(rèn)為，當(dāng)采空區(qū)頂板為完整頂板時(shí)，其頂板的厚度H與其跨越采空區(qū)的寬度W之比H/W≥ 0.5時(shí)，則認(rèn)為頂板是安全的。

已知中段中部頂板最薄處的石灰?guī)r厚28m，頂柱8m，頂板跨越采空區(qū)的寬度為10m，厚跨比為：

因此可認(rèn)為礦房頂板是穩(wěn)定的。

3.2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)法

礦房頂板由兩側(cè)礦柱支撐，將頂板看作兩端固定的梁，因此將其簡(jiǎn)化為平面彈性力學(xué)問題，取單位寬度進(jìn)行計(jì)算，梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析示意

圖8中板梁承受自重及上部巖層的均布荷載的作用，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)分析得到板梁承受的最大拉應(yīng)力為：

式中，ρ為頂板各巖層容重，kg/m3；h為頂板各巖層厚度，m；g為重力系數(shù)，N/kg；q為頂板上部荷載，N/m；l為頂板跨越采空區(qū)長度，m；b為頂板計(jì)算寬度，一般為單位寬度1m；H為頂板總厚度，一般為單位寬度1m。

以中段頂板最薄處的條件進(jìn)行計(jì)算，則計(jì)算參數(shù)取值為：l=10m，b=1m(單位寬度)，q=0，石灰?guī)r厚h1=28m，頂柱大理巖厚h2=8m。將各參數(shù)取值代入上式，可得到礦房頂板巖層的最大拉應(yīng)力為：

(1)頂板石灰?guī)r層最大拉應(yīng)力：

σ1max=0.05MPa

(2)大理巖頂柱最大拉應(yīng)力：

σ2max=0.81MPa

石灰?guī)r抗拉強(qiáng)度一般為2.9～24.0MPa，大理巖抗拉強(qiáng)度一般為5.0～24.5MPa。分析得到的頂板巖層所承受的最大拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于其自身的抗拉強(qiáng)度，因此礦房頂板是穩(wěn)定的。

4 結(jié)束語

(1)房柱式采場(chǎng)穩(wěn)定性由礦柱和頂板兩個(gè)因素決定，影響礦柱穩(wěn)定性的因素主要有：自身強(qiáng)度、頂板荷載大小、礦柱寬高比、礦房尺寸與礦柱尺寸關(guān)系、礦柱的分布均一性、構(gòu)造等，頂板穩(wěn)定性及其破壞形式與頂板自身強(qiáng)度、巖層結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

(2)按“分載面積法”分析認(rèn)為，大理巖礦房開采后礦柱所受荷載引起的內(nèi)部應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，礦柱安全系數(shù)較大，足以支撐上部頂板荷載，保留礦柱是穩(wěn)定的。厚跨比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析認(rèn)為，大理巖礦房開采后頂板巖層的承載狀態(tài)良好，采動(dòng)引起的附加應(yīng)力較小，上方頂板及保留的頂柱均是穩(wěn)定的。

(3)中段礦體整體埋深較淺，礦柱及頂板承壓較小，而且頂板、礦柱均屬堅(jiān)硬巖層，抗拉及抗壓強(qiáng)度較高，房柱采留尺寸合理，分析認(rèn)為礦柱及頂板的穩(wěn)定性均較好，該房柱式采場(chǎng)是穩(wěn)定的。