張培波，張 寶，李永輝

（1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆哈密 839000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410012）

·采 選·

礦柱強(qiáng)度理論在群采空區(qū)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

張培波1，張 寶2，李永輝2

（1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆哈密 839000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410012）

根據(jù)采空區(qū)三維激光精密探測(cè)結(jié)果和3DMine礦業(yè)軟件采空區(qū)建模數(shù)據(jù)，采用較為廣泛的礦柱強(qiáng)度公式以及面積承載理論計(jì)算礦柱強(qiáng)度和礦柱載荷，求得留存礦柱的安全系數(shù)，據(jù)此評(píng)價(jià)采空區(qū)內(nèi)留存礦柱的整體穩(wěn)定性，并判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性和安全隱患，對(duì)同類礦山采空區(qū)調(diào)查分析有借鑒意義。

采空區(qū)；激光探測(cè)；礦柱強(qiáng)度理論；安全隱患

某鐵礦為一座具有采選能力的私營(yíng)獨(dú)資礦山企業(yè)，于1991年建礦，留礦法為該礦的主體采礦方法，經(jīng)過(guò)11 a大規(guī)模開采，采空區(qū)規(guī)模不斷增加，采空區(qū)潛在安全隱患增大，已嚴(yán)重制約礦山生產(chǎn)效益。為了保證安全生產(chǎn)，井下預(yù)留了大量的頂?shù)字?、點(diǎn)柱作為安全礦柱，實(shí)際礦山貧損率近40%［1］。這些礦柱預(yù)留的合理與否，能否回收需要進(jìn)行計(jì)算分析。

同時(shí)，隨著生產(chǎn)水平的下移，礦山儲(chǔ)量的消耗，空區(qū)群內(nèi)礦柱回收提上了日程。加之礦山技術(shù)力量薄弱，施工技術(shù)水平和采礦工藝較落后，增加了礦山生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)性，降低了企業(yè)綜合效益。

因此，急需針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)中不斷增加的諸多問(wèn)題進(jìn)行專項(xiàng)研究，首當(dāng)其沖的是對(duì)礦山井下采空區(qū)分布現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究。

1 采空區(qū)分布情況

1.1 采空區(qū)激光探測(cè)

2011年對(duì)該礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，查看工程實(shí)測(cè)資料和采空區(qū)實(shí)測(cè)資料及圖紙。針對(duì)該礦采空區(qū)群的形成時(shí)間、規(guī)模、大小、賦存形態(tài)、所處的構(gòu)造和工程地質(zhì)條件以及礦山井下生產(chǎn)情況，經(jīng)過(guò)多方論證，最后確定采空區(qū)探測(cè)采用空區(qū)三維激光精密探測(cè)系統(tǒng)CMS（3D Cavity Monitoring System），采空區(qū)分布情況采用具有強(qiáng)大三維處理能力的礦業(yè)工程軟件3DMine來(lái)完成三維建模分析［2］。

采空區(qū)三維激光精密現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及空間分布情況調(diào)查分三步：首先，采用CMS和全站儀測(cè)量獲得的原始空區(qū)數(shù)據(jù)，用CMS自帶軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；隨后將該文件導(dǎo)入3DMine礦業(yè)軟件，生成原始空區(qū)三維實(shí)體模型；最后，根據(jù)礦山生產(chǎn)礦長(zhǎng)對(duì)空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的描述（在掃測(cè)空區(qū)時(shí)，激光常被存隆礦石、塌方廢石、生產(chǎn)設(shè)備、人員等阻擋，掃描空區(qū)會(huì)有所失真），用3DMine軟件進(jìn)行空區(qū)的一系列重生成處理，建立完整、符合實(shí)際空區(qū)三維仿真模型，并統(tǒng)計(jì)分析采空區(qū)空間分布情況。

1.2 采空區(qū)三維數(shù)字建模

區(qū)內(nèi)420、450、470中段礦體較緩，留有大量的圓形點(diǎn)柱，空區(qū)連通為一片（如圖1所示），采空區(qū)及礦柱空間尺寸見表1。

2 采空區(qū)群穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采空區(qū)、礦柱尺寸，采用應(yīng)用較為廣泛的Bieniawski于1981年推薦的礦柱強(qiáng)度公式以及面積承載理論計(jì)算礦柱強(qiáng)度和礦柱載荷，最后求得留存礦柱的安全系數(shù)，據(jù)此評(píng)價(jià)采空區(qū)內(nèi)留存礦柱的整體穩(wěn)定性，依此來(lái)判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性［3～8］。

2.1 礦柱強(qiáng)度理論

礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式：

表1 采空區(qū)及礦柱空間尺寸

式中：Sp為礦柱強(qiáng)度參數(shù)／MPa；σc為礦巖強(qiáng)度參數(shù)／MPa；Wp為礦柱的寬度／m；h為礦柱的高度／m；α為常數(shù)，當(dāng)?shù)V柱的寬高比大于5時(shí)，α＝1.4；當(dāng)?shù)V柱的寬高比小于5時(shí)，α＝1.0。

根據(jù)面積承載理論，礦柱所承受的載荷是其所支撐的頂板范圍內(nèi)直通地表的上覆巖柱的重力，該礦柱的底面積S即是按礦柱分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和，由此計(jì)算出礦柱的平均應(yīng)力，采用下式計(jì)算：

式中：σp為礦柱平均應(yīng)力／MPa；Ap為礦房面積／m2；As為礦柱面積／m2；γ為上覆巖層容重／kN·m－3；H為采深／m。

礦柱穩(wěn)定性分析采用安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

考慮到留設(shè)的永久礦柱需要長(zhǎng)期負(fù)載以保護(hù)空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，避免發(fā)生大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害，為安全起見，可確定其許用的安全系數(shù)取值為3.0。

2.2 采空區(qū)群穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)前期對(duì)采空區(qū)群現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及三維立體建模，將該區(qū)空區(qū)劃分為四個(gè)空區(qū)群計(jì)算對(duì)象（如圖1所示），結(jié)合礦柱強(qiáng)度理論進(jìn)行礦柱（采空區(qū)群）穩(wěn)定性分析，留存礦柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 A區(qū)空區(qū)群及留存礦柱分布

2.3 采空區(qū)群安全隱患辨識(shí)

從區(qū)內(nèi)采空區(qū)群內(nèi)留存礦柱的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，大部分大于許用安全系數(shù)3.0，不同采空區(qū)群安全隱患如下：

1.420中段：采空區(qū)整體穩(wěn)定性好。但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)頂板呈板狀構(gòu)造，由于高度大，極易發(fā)生小規(guī)模的頂板冒落，空區(qū)內(nèi)作業(yè)非常危險(xiǎn)。

2.450中段：采空區(qū)整體穩(wěn)定性好。采空區(qū)分布分散、規(guī)模小，且頂板比較完整，發(fā)生頂板冒落的可能性較小。

3.490中段：采空區(qū)整體穩(wěn)定性好。不易發(fā)生大面積頂板冒落。

4.520中段：采空區(qū)整體穩(wěn)定性不好。采空區(qū)高度大，分布集中，礦柱穩(wěn)定性整體很差，極易發(fā)生頂板冒落、礦柱壓裂、崩塌，容易發(fā)生大面積冒落。

表2 留存礦柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

根據(jù)采空區(qū)三維激光精密探測(cè)結(jié)果和3DMine礦業(yè)軟件采空區(qū)建模數(shù)據(jù)，采用較為廣泛的礦柱強(qiáng)度公式以及面積承載理論計(jì)算礦柱強(qiáng)度和礦柱載荷，評(píng)價(jià)采空區(qū)內(nèi)留存礦柱的整體穩(wěn)定性。

計(jì)算結(jié)果來(lái)看，大部分大于許用安全系數(shù)3.0。其中，420中段、450中段、490中段采空區(qū)整體穩(wěn)定性好，不易發(fā)生大面積頂板冒落；520中段采空區(qū)整體穩(wěn)定性不好，采空區(qū)高度大，分布集中，礦柱穩(wěn)定性整體很差，極易發(fā)生頂板冒落、礦柱壓裂、崩塌，容易發(fā)生大面積冒落。

［1］ 張寶，李向東.某礦山復(fù)雜空區(qū)群穩(wěn)定性分析及安全隱患辨識(shí)研究報(bào)告［R］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2012.

［2］ 張寶，李向東.某礦山空區(qū)精密探測(cè)及三維建模研究報(bào)告［R］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2012.

［3］ 羅周全，鹿浩，袁節(jié)平，等.CMS輔助金屬礦山采空區(qū)回采技術(shù)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2008，60（6）：16－18.

［4］ 張寶，李向東，周益龍，等.復(fù)雜采空區(qū)群處理及隱患資源回收綜合技術(shù)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2014，34（4）：16－20.

［5］ 李夕兵，李地元，趙國(guó)彥，等.金屬礦地下采空區(qū)探測(cè)、處理與安全評(píng)判［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23（1）：24－28.

［6］ 張寶，李永輝，文興，等.黃山銅鎳礦厚大礦床礦巖可崩性研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（7）：1－4.

［7］ 王啟明，徐必根，唐紹輝，等.我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（4）：63－68.

［8］ 徐必根，王春來(lái)，唐紹輝，等.特大采空區(qū)處理及監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17（12）：147－151.

Pillar Strength Theory in the Application of the Group of Goaf Stability Analysis

ZHANG Pei-bo1，ZHANG Bao2，LIYong-hui2
（1.Xinjiang Yakesi Resources Development Co.，Ltd.，Hami839000，China；2.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410012，China）

According to the result ofmined-out area of 3 d laser precision detection and 3dmine goafmodeling data mining software，with wider pillar strength formula and area and pillar load carrying theoretical pillar strength，get the safety factor of pillars，on the basis of evaluate the overall stability of the retained pillar in themined-out area，and to assess the stability of mined-out area and hidden danger，it is reference significance for similar mine goaf survey analysis.

mined-out area；laser detection；pillar strength theory；hidden danger

TD322＋.1

A

1003－5540（2017）01－0001－03

2016－12－07

張培波（1966－），男，工程師，主要從事礦山開采及安全管理工作。