石膏礦礦柱穩定性分析及試驗研究

彭 斌，陳才賢，楊軍偉

(六盤水師范學院， 貴州六盤水市 553004)

石膏礦礦柱穩定性分析及試驗研究

彭 斌，陳才賢，楊軍偉

(六盤水師范學院， 貴州六盤水市 553004)

通過巖石力學試驗，運用Hoek－Brown準則及Roclab軟件得出石膏礦巖體的力學參數。基于礦柱上的荷載、礦柱中的應力分布和礦柱自身強度的計算方法，得出某石膏礦山條形礦柱的安全系數為1．5～2．0。根據Bieniawski的面積承載理論和強度計算公式，采用反分析法對礦柱進行穩定性分析。結果表明，在開采深度為130 m時推薦的采場結構參數為:條形礦柱寬度≥6 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m。整個分析過程簡單可靠，可以為石膏礦礦柱穩定性分析提供參考。

巖石力學試驗;Hoek－Brown準則;礦柱設計;穩定性分析

目前，我國石膏礦山多采用房式采礦法開采，留設礦柱維護井下采空區的穩定［1～4］。礦柱尺寸留設的過小，會造成頂板失穩［5］，導致冒頂甚至地表沉陷;反之，勢必造成資源的浪費。因此，合理的礦柱尺寸，是保證安全生產、資源回收的前提。本文結合湖南某石膏礦的實際，運用巖石力學的研究方法探討石膏礦礦柱的留設及其穩定性。

1 礦山概況

湖南某石膏礦山生產為5萬t/a，礦山服務年限為10 a，采用斜井開拓。采礦方法為房式采礦法，水平分層開采。

采區內礦體(礦層)產于下第三系古新統第二段上部紫紅色泥質粉砂巖中。礦體呈層狀產出，層位穩定，產狀平緩，礦體總體走向為北東、南西向，傾向北西。礦層傾角10°～15°，與巖層產狀一致。開采深度為+3．0～ －34．0 m，地表高度約為100 m，則平均采深為110 m左右，礦層厚為13．39 m，品位63．07%。

2 巖石力學試驗

試樣為完整性較好的石膏礦巖塊，直徑為Ф50 mm左右，高徑比約為2∶1。在全數字型液壓伺服剛性巖石力學試驗系統(MTS－815型)上進行單軸抗壓、抗拉試驗。

2．1 單軸抗壓試驗

圖1～圖5為單軸壓縮的應力－應變曲線，圖6為經整理后的試樣單軸壓縮條件下的載荷－位移曲線。單軸抗壓試驗數據結果見表1。

圖1 石膏礦應力－應變曲線(HY1－1)

圖2 石膏礦應力－應變曲線(HY1－2)

圖3 石膏礦應力－應變曲線(HY1－3)

圖4 石膏礦應力－應變曲線(HY1－4)

圖5 石膏礦應力－應變曲線(HY1－5)

圖6 石膏礦載荷—位移曲線

表1 單軸抗壓強度試驗結果

2．2 單軸抗拉試驗

各試樣的抗拉強度結果見表2。

表2 圍巖劈裂抗拉參數設定值

3 礦巖力學參數的確定

(1)試驗結果的統計處理。采用Hoek－Brown導出巖石破壞時的主應力之間的關系式:

式中，σ1——破壞時的最大主應力;

σ3——作用在巖石試樣上的最小主應力;σc——試樣中完整巖石的單軸抗壓強度;

mi——巖塊經驗參數，反映巖石的軟硬程度;si——巖體經驗參數，反映巖體破碎程度。mi、si值可由以下方法確定:

(2)巖體力學參數的確定。根據廣義Hoek－Brown(2002)［6］提出的巖體破壞經驗準則:

式中，σ'1——巖體破壞時的最大主應力;

σ'3——巖體破壞時最小主應力;mb——巖塊材料參數mi折減值;

σci——完整巖石試件的單軸抗壓強度;

s，α——巖體材料參數。

巖體的mb、s和α可由Bieniawski的巖體分類RMR值和以上計算的mi值來確定。式中，D——應力釋放對巖體擾動程度的系數;

GSI—地質強度指標。

根據巖體的mb、s和α值，應用下列公式估算受礦山采動影響下巖體的單軸抗壓強度和抗拉強度:

根據Hoek－Brown準則估計巖體磨擦角φ和內聚力c:

根據現場工程地質調查，取GSI=90，根據室內巖石力學參數試驗結果，采用Roclab軟件進行計算，計算結果見圖7，選取的力學參數見表3。

表3 礦巖體介質的力學參數

圖7 石膏力學參數計算分析

4 礦柱穩定性分析

4．1 安全系數的確定

(1)礦柱載荷計算。根據我國大多數石膏礦的生產實踐，一般應留設條形礦柱。根據Bieniawski的面積承載理論，計算條帶式礦柱的平均應力:

式中:γ——巖石容重;

z——埋藏深度;

Wo，Wp——分別為礦房和礦柱的寬度。

(2)礦柱強度計算。Bieniawski與Van Heerden通過對南非Witbank煤柱試件的大規模原位測試求出的煤柱強度計算公式如下:

式中:Sp——礦柱的強度，MPa;

SL——礦柱平均抗壓強度，MPa;

Wp——礦柱的寬度，m;

h——礦柱的高度，m;

α——常數。

取開采深度為130 m，通過上述公式進行計算，得出安全系數為 1．5 ～2．0。

4．2 礦柱穩定性分析

該礦的采場尺寸為:條形礦柱寬度為6～8 m，礦房跨度8～10 m，礦房高度8～10 m。本次穩定性計算采用反分析方法。根據Bieniawski推薦的煤柱強度設計公式及礦柱載荷計算公式(17)計算礦柱結構的安全系數。

目前的開采深度為130 m左右，條形礦柱寬度6 m，礦房跨度10 m，礦房高度10 m，礦柱的安全系數為:

所得安全系數＞1．5，滿足長期穩定性的要求。

采用同樣的計算分析方法，當開采深度為160 m時，推薦的采場結構參數為:條形礦柱寬度≥8 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m，礦柱的安全系數為1．6。當開采深度為190 m時，推薦的采場結構參數為:條形礦柱寬度≥10 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m，礦柱的安全系數為1．64。

5 結論

通過巖石力學實驗，運用Hoek－Brown準則及Roclab軟件得出石膏礦巖體的力學參數。根據Bieniawski的面積承載理論和強度計算公式，采用反分析法對礦柱進行穩定性現狀分析。該石膏礦目前的開采深度為130 m，條形礦柱寬度為6～8 m，礦房跨度8～10 m，礦房高度8～10 m，穩定性分析表明，目前礦柱的安全系數大于1．5，能滿足長期穩定性的要求。整個分析過程簡單可靠，可以為石膏礦礦柱穩定性分析提供參考。

［1］ 李 明，鄭懷昌，王洛強．厚大石膏礦體回采工藝研究與設計［J］．非金屬礦，2007，30(5):51 －53．

［2］ 李 明，鄭懷昌，劉志河，等．石膏長期強度對采空區穩定性的影響分析［J］．化工礦物與加工，2010，(2):21 －23．

［3］ 廖汶景．石膏礦采空區積水對礦柱穩定性的影響分析［J］．采礦技術，2009，9(3):52 －53．

［4］ 王宏巖．遼陽石膏礦礦柱穩定性分析［D］．阜新:遼寧工程技術大學，2008．

［5］ 柴 煒，饒運章，黃奔文．地下大面積采空區失穩研究［J］．中國礦山工程，2008，37(3):27 －30．

［6］ 黃高峰．Hoek－Brown強度準則在巖體工程中的應用研究［D］．楊凌:西北農林科技大學，2008．

2010－06－29)

彭 斌(1983－)，男，湖南株洲人，碩士，主要從事巖石力學和礦井通風研究工作。