某礦山采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析研究

梁勝增

【摘 要】為防止礦山礦石在回采過程中采空區(qū)破壞帶來的巨大威脅，必須對(duì)采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性作出合理準(zhǔn)確的分析，為處理方案提供理論支持。采空區(qū)頂板穩(wěn)定性是通過其最小安全厚度來判定的。本文分別利用傳統(tǒng)方法、極限分析法和彈性力學(xué)小變形薄板理論方法對(duì)某礦山4#和30#礦采場(chǎng)頂板最小安全厚度進(jìn)行計(jì)算，并考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性得出合理的建議值。

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)；頂板；穩(wěn)定性；最小安全厚度

0 引言

地下采礦過程中的巖石力學(xué)問題是影響礦山發(fā)展的技術(shù)難題，開采較深的礦山遇到這一問題更為突出。大部分有色金屬礦山面臨資源減少或枯竭的局面，許多礦山將逐漸轉(zhuǎn)入深部礦床的開采。隨著開采深度的增加，地壓活動(dòng)加劇，巖石力學(xué)問題也越來越突出，某些礦山已被日益加劇的地壓活動(dòng)所困擾，安全事故頻繁，采礦效率低，甚至造成大量資源的損失。

某礦山地處安徽省池州市境內(nèi)，于1959年投產(chǎn)，曾采用露天開采和露天—坑下聯(lián)合開采的方式開采?？酉乱验_采的中段有：0m、-40m、-80m、-120m、-170m、-214m和-257m，目前正在開采-301m、-345m和-388m中段，主要開采前山南4#礦體和30#礦體。主要礦石類型為含銅磁鐵礦、含銅含銅黃鐵礦、含銅燧石礦及含銅矽卡巖等。4#礦體頂板為大理巖，底板為閃長巖；30#礦體頂板為矽卡巖，底板為閃長巖、五通石英巖。

礦山采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采至今已有30余年，分二步驟回采，先采礦柱后采礦房，礦柱回采后采用尾砂膠結(jié)充填，礦房則用分級(jí)尾砂充填。隨著開采中段的下降，地壓增大，地壓活動(dòng)顯現(xiàn)明顯。2009年1月8日在-345m中段4#礦體1#柱發(fā)生了大面積冒頂事故，給礦山安全生產(chǎn)造成了重大損失。嚴(yán)重的地壓活動(dòng)已成為制約礦山安全、高效開采的首要問題，為此，需盡快開展全礦區(qū)地壓控制措施及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，為礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

為了保證回采時(shí)的安全，減少礦石的損失貧化，必須在礦體頂板上預(yù)留一定厚度的頂柱，科學(xué)合理地確定采場(chǎng)頂柱巖層安全厚度是采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

評(píng)價(jià)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性必須分析兩個(gè)因素：一是內(nèi)在因素，包括頂板的厚度、跨度、形態(tài)及巖體的工程特性指標(biāo)等；二是外在因素。綜合來說，影響采空區(qū)頂板的穩(wěn)定因素主要有4個(gè)方面，即頂板的完整程度、頂板形態(tài)（水平或拱形）、頂板的厚度及跨度。在實(shí)踐中，先將上述諸因素加以概化，把頂板區(qū)分為完整頂板和非完整頂板，然后采用近似的辦法計(jì)算。

1 采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

1.1 傳統(tǒng)的采空區(qū)頂板安全厚度分析方法計(jì)算結(jié)果

該礦中段高度為44m，采場(chǎng)上盤暴露面長度約35m，采場(chǎng)長度隨礦體厚度變化。為合理分析不同跨度下采場(chǎng)頂板的安全厚度，分別取采場(chǎng)長度20m、30m、40m、50m，采場(chǎng)寬度（跨度）8m、10m、12m進(jìn)行計(jì)算。分析過程只考慮頂板承擔(dān)的最大載荷為頂板的自身重力，對(duì)采場(chǎng)頂柱安全厚度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1。

1.2 基于極限分析法的頂板安全厚度計(jì)算分析

在只考慮頂板自身重力的情況下，取安全系數(shù)為1.5，采用極限分析法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)按四周固支約束形式進(jìn)行，計(jì)算頂板巖層安全厚度所需的參數(shù)如表2所示。

進(jìn)行采空區(qū)頂板安全厚度計(jì)算時(shí)，考慮保安層上覆均布載荷為q=γh（頂板自重）。不同的采場(chǎng)跨度（礦體厚度）情況下，采空區(qū)頂板安全厚度與采場(chǎng)跨度的關(guān)系如表3所示。

1.3 基于彈性力學(xué)小變形薄板理論的頂板安全厚度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算得出，不同跨度條件下，采空區(qū)頂板安全厚度如表4。

1.4 采空區(qū)頂板安全厚度計(jì)算結(jié)果綜合分析

根據(jù)極限分析法和彈性力學(xué)小變形薄板理論分析法的計(jì)算結(jié)果可以看出，采場(chǎng)跨度是影響頂板安全厚度的最主要因素。取采場(chǎng)平均長度40m，采用上述幾種不同方法對(duì)采空區(qū)頂板安全厚度的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如圖1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合分析，采用按破裂拱概念估算法計(jì)算得到的頂板安全厚度最小，而采用荷載傳遞交匯法計(jì)算得到的頂板安全厚度最大。綜合考慮工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，可取上述幾種方法的平均值，采場(chǎng)頂板安全厚度在跨度8m處可取4.5m，跨度10m處可取5.5m，跨度12m處可取6.6m。

2 結(jié)論

大量礦山采空區(qū)，致使礦山開采條件惡化，引起礦柱變形、相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難，并造成環(huán)境惡化和礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，更有可能造成人員的傷亡。因此，對(duì)礦山采場(chǎng)頂板穩(wěn)定分析、從而留出合理的安全厚度就顯得尤為重要。本文采用幾種不同的方法對(duì)礦山采場(chǎng)的頂板穩(wěn)定進(jìn)行了詳細(xì)地計(jì)算，并考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性得出比較合理的數(shù)值，為礦山的安全生產(chǎn)提供了保障。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]