復雜地質條件下鋁土礦礦柱穩定性分析

李勝權

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復雜地質條件下鋁土礦礦柱穩定性分析

李勝權

（中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

為了最優礦石回收率和保證礦井的穩定性，需要對礦柱尺寸和形狀進行最優設計。通過礦柱的荷載、尺寸、地質等因素分析了影響礦柱穩定性的敏感性和破壞機制，建立耦合6因素的復雜地質條件下鋁土礦穩定性評價方法，為復雜地質條件下礦區穩定性評價提供經驗和理論指導。

礦井；礦柱；敏感性；破壞機制

礦柱類型和尺寸是采礦穩定性的關鍵因素，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系，還需研究礦柱斷面尺寸與礦柱強度的關系，從而進一步對礦柱的穩定性及其影響因素的敏感性從理論上進行計算分析。

1 礦區穩定性分析方法

國內外對礦柱穩定性的研究始于對煤礦礦柱強度的研究，隨著生產經驗的積累和研究的發展，表明需要通過礦柱的荷載及應力分布、強度等問題研究礦柱破壞機制，從而分析礦柱的穩定性。

1.1 礦柱荷載理論

礦柱的荷載與上覆區域圍巖的物理力學性質密切相關，在國內外的研究成果中，應用最廣泛的是礦柱的面積承載理論。該理論認為，礦柱承受的載荷是礦柱所支撐的開采空間范圍內直達地表的上覆巖柱的重力，此巖柱支撐的面積為分攤的開采面積與礦柱自身面積之和，從而假設計算礦柱的平均應力。

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.當足夠多的房、柱中具有代表性的一部分數據時，考慮在內力作用下結構物的平衡，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為礦柱軸向平均應力；o和p分別為礦房和礦柱的寬度；ZZ為采礦前應力場的垂直向正應力分量。

1.2 礦柱強度理論

國內外通過室內實驗和現場原位測試以及實例分析，結合理論計算分析，提出了10多種礦柱強度計算方法，然而，這些理論計算主要是研究煤礦礦柱。鋁土礦屬于金屬礦山，其地層多為石灰巖，屬于硬質巖，國內外對其礦柱的穩定性研究較少。

1.2.1 Bunting計算公式

Bunting在1911年從煤巖的單軸抗壓強度角度出發，提出了計算煤柱強度的經驗公式：

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

1.2.2 Zern計算公式

Zern在1928年編寫的《煤礦工人手冊》中計算了煤柱的強度，公式為：

1.2.3 Salamon-Munro計算公式

其中，zi和zi′分別為像素i和i′的光譜測度；‖zi-zi′‖用以計算zi與zi′間的歐氏距離；σi為像素i的尺度參數.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，#為計算集合所含元素總數操作符，M[2,6]為指定整數[22]，控制σi的取值，可根據待分割影像選取不同的M值.

Salamon在1967年通過對南非失穩和穩定的煤柱進行全面調查，計算和分析得出方形煤柱的計算經驗公式：

式（4）中：，，為常數。

2 礦柱破壞機制研究

采礦過程中，引起礦柱和采空區圍巖的應力重新分布，增加了礦柱的荷載，因此，礦柱的形狀、尺寸、物理力學形狀、地質構造及礦柱表面約束等影響了礦柱荷載力學響應。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、礦柱巖體的質量（包括礦柱巖性、巖體結構類型、巖石強度、節理裂隙密度、分布及強度）、礦柱地質構造（是否存在軟弱夾層或有斷裂結構面切割礦柱）。

3 礦柱穩定性因素敏感性分析

在此研究基礎上，貴鋁一礦銀廠坡選擇矩形礦柱進行設計，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）對礦柱穩定性影響因素進行敏感性分析。

矩形礦柱安全系數的計算公式如下：

當礦柱的形式為方形時，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項因素簡化為6項（第7、8項省去），因此，計算方形礦柱安全系數的公式簡化為：

4 礦區優化設計結果分析

通過試驗和理論分析，貴鋁一礦銀廠坡礦段礦柱穩定性影響因素的主次順序為：礦房寬o＞礦柱寬p＞采深＞礦體強度c＞礦柱高＞上覆巖層容重，而礦柱寬度值變化范圍為2～6 m，相應的礦柱安全系數值為0.842 96～6.434 7，當礦柱寬度值為3 m時，安全系數為1.645 5，滿足礦柱穩定性要求；礦柱寬度為2 m時，安全系數為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 礦柱穩定性計算方案與結果分析表

試驗號因素 1（H）2（h）3（W0）4（Wp）5（σc）6（γ）穩定性系數（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＞Wp＞H＞σc＞h＞γ

5 結論

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

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2095－6835（2018）24－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.064

〔編輯：張思楠〕