李胜权



复杂地质条件下铝土矿矿柱稳定性分析

李胜权

（中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

为了最优矿石回收率和保证矿井的稳定性，需要对矿柱尺寸和形状进行最优设计。通过矿柱的荷载、尺寸、地质等因素分析了影响矿柱稳定性的敏感性和破坏机制，建立耦合6因素的复杂地质条件下铝土矿稳定性评价方法，为复杂地质条件下矿区稳定性评价提供经验和理论指导。

矿井；矿柱；敏感性；破坏机制

矿柱类型和尺寸是采矿稳定性的关键因素，也影响着矿石的回收率。因此，为了确保贵铝一矿银厂坡矿段安全开采，不仅需要研究矿柱间距与极限跨度的关系，还需研究矿柱断面尺寸与矿柱强度的关系，从而进一步对矿柱的稳定性及其影响因素的敏感性从理论上进行计算分析。

1 矿区稳定性分析方法

国内外对矿柱稳定性的研究始于对煤矿矿柱强度的研究，随着生产经验的积累和研究的发展，表明需要通过矿柱的荷载及应力分布、强度等问题研究矿柱破坏机制，从而分析矿柱的稳定性。

1.1 矿柱荷载理论

矿柱的荷载与上覆区域围岩的物理力学性质密切相关，在国内外的研究成果中，应用最广泛的是矿柱的面积承载理论。该理论认为，矿柱承受的载荷是矿柱所支撑的开采空间范围内直达地表的上覆岩柱的重力，此岩柱支撑的面积为分摊的开采面积与矿柱自身面积之和，从而假设计算矿柱的平均应力。

对于均匀厚度的平伏状矿体的横剖面，用长矿房和留房间矿柱的方法开采，矿房和矿柱的跨度为o和p.当足够多的房、柱中具有代表性的一部分数据时，考虑在内力作用下结构物的平衡，并在垂直于该剖面的方向上取单位厚度，则隔离体的平衡方程为：

式（1）中：p为矿柱轴向平均应力；o和p分别为矿房和矿柱的宽度；ZZ为采矿前应力场的垂直向正应力分量。

1.2 矿柱强度理论

国内外通过室内实验和现场原位测试以及实例分析，结合理论计算分析，提出了10多种矿柱强度计算方法，然而，这些理论计算主要是研究煤矿矿柱。铝土矿属于金属矿山，其地层多为石灰岩，属于硬质岩，国内外对其矿柱的稳定性研究较少。

1.2.1 Bunting计算公式

Bunting在1911年从煤岩的单轴抗压强度角度出发，提出了计算煤柱强度的经验公式：

式（2）中：p为矿柱强度，MPa；l为围岩强度参数，MPa；p为矿柱宽度，m；为矿柱高度，m。

1.2.2 Zern计算公式

Zern在1928年编写的《煤矿工人手册》中计算了煤柱的强度，公式为：

1.2.3 Salamon-Munro计算公式

其中，zi和zi′分别为像素i和i′的光谱测度；‖zi-zi′‖用以计算zi与zi′间的欧氏距离；σi为像素i的尺度参数.令zi={‖zi-zi″‖,i″Ni}且‖zi-zi″‖按增序排列，取σi=zi(#Ni / M)，为取整操作符，#为计算集合所含元素总数操作符，M[2,6]为指定整数[22]，控制σi的取值，可根据待分割影像选取不同的M值.

Salamon在1967年通过对南非失稳和稳定的煤柱进行全面调查，计算和分析得出方形煤柱的计算经验公式：

式（4）中：，，为常数。

2 矿柱破坏机制研究

采矿过程中，引起矿柱和采空区围岩的应力重新分布，增加了矿柱的荷载，因此，矿柱的形状、尺寸、物理力学形状、地质构造及矿柱表面约束等影响了矿柱荷载力学响应。矿柱变形破坏模式主要有压剪破坏、压张破坏、剪致破坏、岩爆和沿弱面剪切破坏。然而，影响矿柱破坏模式的主要因素有矿柱的形状、尺寸、荷载大小、矿柱岩体的质量（包括矿柱岩性、岩体结构类型、岩石强度、节理裂隙密度、分布及强度）、矿柱地质构造（是否存在软弱夹层或有断裂结构面切割矿柱）。

3 矿柱稳定性因素敏感性分析

在此研究基础上，贵铝一矿银厂坡选择矩形矿柱进行设计，通过对采深（）、矿房跨度（o）、矿柱宽度（p）、矿柱高度（）、矿体的单轴抗压强度（c）、上覆岩层的容重（）、矿柱长度（p）、矿柱长度方向的间距（0）对矿柱稳定性影响因素进行敏感性分析。

矩形矿柱安全系数的计算公式如下：

当矿柱的形式为方形时，矿柱长度（p）与矿柱宽度（p）相同，矿柱长度方向的间距（0）与矿房跨度（o）相同，上述8项因素简化为6项（第7、8项省去），因此，计算方形矿柱安全系数的公式简化为：

4 矿区优化设计结果分析

通过试验和理论分析，贵铝一矿银厂坡矿段矿柱稳定性影响因素的主次顺序为：矿房宽o＞矿柱宽p＞采深＞矿体强度c＞矿柱高＞上覆岩层容重，而矿柱宽度值变化范围为2～6 m，相应的矿柱安全系数值为0.842 96～6.434 7，当矿柱宽度值为3 m时，安全系数为1.645 5，满足矿柱稳定性要求；矿柱宽度为2 m时，安全系数为0.829 6，不满足要求。因此，要求矿柱的最小宽度值必须大于2 m，建议取最小矿柱宽度值为2.5 m。

表1 矿柱稳定性计算方案与结果分析表

试验号因素 1（H）2（h）3（W0）4（Wp）5（σc）6（γ）稳定性系数（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 极差R5.531 33.710 28.381 85.605 14.4212.936 2 因素主次Wo＞Wp＞H＞σc＞h＞γ

5 结论

通过理论分析建立贵铝一矿银厂坡矿区稳定性评价方法，并通过计算获得矿房宽度、矿柱宽度对矿柱稳定性的影响最为显著，采深、矿体的强度其次，矿柱高度和上覆岩层容重对矿柱稳定性的影响不明显；矿柱最小宽度为2.5m。

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2095－6835（2018）24－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.064

〔编辑：张思楠〕