第六章矿柱支护采矿法的岩体控制山科

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1、矿柱支护采矿法的岩体控制10/25/2022Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制目目 录录6.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成6.2 矿柱支护能力分析矿柱支护能力分析 6.2.1 矿柱平均应力的从属面积分析法矿柱平均应力的从属面积分析法 6.2.2 矿柱强度分析矿柱强度分析6.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 6.3.1 矿房矿房矿柱参数计算矿柱参数计算 6.3.2 采矿尺寸与矿石采出量采矿尺寸与矿石采出量6.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析矿柱支护条件下顶底

2、板稳定性分析Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 矿柱支护采矿法是根据矿体倾角的大小，将井田划分成矿块矿柱支护采矿法是根据矿体倾角的大小，将井田划分成矿块或盘区，在矿块或盘区内交替布置矿房和矿柱，回采矿房时，留或盘区，在矿块或盘区内交替布置矿房和矿柱，回采矿房时，留下规则的连续或间断矿柱支撑顶板，这就是矿柱支护采矿法的基下规则的连续或间断矿柱支撑顶板，这就是矿柱支护采矿法的基本特征。由于矿柱支护采矿法属于部分回采，能够有效地控制覆本特征。由于矿柱支护采矿法属于部分回采，

3、能够有效地控制覆岩移动，减少地表移动和变形，特别适合于在不能搬迁又不便加岩移动，减少地表移动和变形，特别适合于在不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下采矿。固维修的密集建筑物下采矿。矿柱支护采矿法主要用于开采矿石和围岩都稳固的水平和缓矿柱支护采矿法主要用于开采矿石和围岩都稳固的水平和缓倾斜矿体。如果矿房顶板为中等稳固，还可以辅助采用锚杆支护，倾斜矿体。如果矿房顶板为中等稳固，还可以辅助采用锚杆支护，配合矿柱加强对顶板的支护效果。矿体支护法既可以用于薄矿体，配合矿柱加强对顶板的支护效果。矿体支护法既可以用于薄矿体，也可以用来开采厚矿体和极厚矿体。也可以用来开采厚矿体和极厚矿体。Strata Con

4、trol of Pillars Support Mining Method10/25/20226.1 矿柱支护结构组成矿柱支护结构组成矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护单元矿体近场岩体-其工作 性状由矿柱设计控制 采场围岩-其工作性状由采场设计控制 在采矿过程中，要控制在采矿过程中，要控制整整个采矿影响区域个采矿影响区域内的岩体位移，内的岩体位移，需要维持需要维持单个采场围岩单个采场围岩的局部的局部稳定性和对矿井近场区域内位稳定性和对矿井近场区域内位移进行控制。移进行控制。采场的局部稳定性、近采场的局部稳定性、近场地层的控制可以作为独立场地层的控制可以作为独立的设计问题来

5、考虑。的设计问题来考虑。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制矿体边界采场1采场2剖面图图6.3 6.3 开采倾斜矿体的矿柱布置开采倾斜矿体的矿柱布置图图6.2 6.2 房柱法开采布置示意图房柱法开采布置示意图 图图6.2中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图中所示的每个矿柱都是垂直矿柱。在图6.3中，标号为中，标号为A的矿块是的矿块是水平的横向矿柱，而水平的横向矿柱，而B则为水平的纵向矿柱。矿柱则为水平的纵向矿柱。矿柱B也可称作采场也可称作采场“1”的底的底柱或采场柱或采场

6、“2”的顶柱。的顶柱。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 一个矿体若在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个一个矿体若在二维方向上很大，则通过设置间隔矿柱把矿体划分为几个采矿区或盘区采矿区或盘区，就可以排除矿体整体垮落的可能性。，就可以排除矿体整体垮落的可能性。采场或采空区盘区矿柱间隔矿柱图图6.4 6.4 向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置向两侧延伸的矿体间隔矿柱和盘区的布置 每个盘区可以看作是一个独立采矿区域。这样，任何垮落的最大范围也只每个盘区可以

7、看作是一个独立采矿区域。这样，任何垮落的最大范围也只限于在盘区内。限于在盘区内。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.2 矿柱支护能力矿柱支护能力 6.2.1 平均应力从属面积平均应力从属面积(c)(b)(a)WpW0PzWpW0+WpWpW0+WpzzppppWWW)(0（6-1）图图6.5 矿柱稳定性的从属面积分析法矿柱稳定性的从属面积分析法Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采

8、矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制=开采面积开采面积/矿体总面积。矿体总面积。)(00pWWW（6-2）)11(zzpp由（由（6.1）、（）、（6.2）式可得到：）式可得到：考虑有代表性的部分矿体，如图考虑有代表性的部分矿体，如图6.5c6.5c所示，面积采出比也可表示为：所示，面积采出比也可表示为：因此（6-3）（6-4）Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 采矿平面布置采矿平面布置（涉及到的矿柱平面尺寸（涉及到的矿柱平面尺寸a a、b b、矿房跨度为、矿房跨度

9、为c c）也可用）也可用类似的方式处理。类似的方式处理。(b+c)cbac矿柱A的从属面积（a+c)(cbcapabzzp满足垂直方向上的静力平衡条件：满足垂直方向上的静力平衡条件：面积采出比为：面积采出比为：)()(cbcaabcbca（6-5）（6-6）对式（对式（6-56-5）作某些简单的处理，得）作某些简单的处理，得)11(zzpp（6-7）式（式（6-7）与式（）与式（6-4）完全一样）完全一样。图图6-6 6-6 矿柱从属面积分析法的几何要素矿柱从属面积分析法的几何要素Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022

10、矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 对于平面尺寸为对于平面尺寸为 的方形矿柱的情况，矿柱被尺寸为的方形矿柱的情况，矿柱被尺寸为 的矿房分开，式（的矿房分开，式（6-56-5）可写为）可写为当然，矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关（式当然，矿柱平均轴向应力仍与面积采出比相关（式6-46-4）。）。（6-8）式（式（6-16-1）、（）、（6-56-5）和式（）和式（6-86-8）表明，在可能的矿柱布置方式中）表明，在可能的矿柱布置方式中矿柱的平均轴向应力状态可以由矿房和矿柱的尺寸及采矿前的法向正应矿柱的平均轴向应力状态可以由矿房和矿柱的尺寸及采矿前的法向正应力分量直接算出。力分量直

11、接算出。对于任何几何规则的采矿布置来说，矿柱平均轴向应对于任何几何规则的采矿布置来说，矿柱平均轴向应力直接由面积开采比确定力直接由面积开采比确定。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱的应力水平与面积采出比的关系如图矿柱的应力水平与面积采出比的关系如图6.76.7所示。所示。图图6.7 矿柱应力集中系数与面积采出比关系矿柱应力集中系数与面积采出比关系 从图中可以看到，当面积采出比很大时，即使面积采出比有很小的从图中可以看到，当面积采出比很大时，即使面积采出比有很小的增

12、加，也将引起矿柱中应力的极大增加。如增加，也将引起矿柱中应力的极大增加。如r r从从0.90.9增加到增加到0.910.91时，矿柱时，矿柱的应力集中系数将从的应力集中系数将从1010增加到增加到11.111.1。很明显，矿柱中集中应力的这个很明显，矿柱中集中应力的这个特点在矿柱设计和采矿工程中具有重特点在矿柱设计和采矿工程中具有重要意义。它解释了当采用天然矿柱支要意义。它解释了当采用天然矿柱支护采矿法时，常采用面积采出比小于护采矿法时，常采用面积采出比小于0.750.75的原因。当面积采出的原因。当面积采出 比低于比低于0.750.75时，时，的增加缓慢；当面积的增加缓慢；当面积采出比高于采

13、出比高于0.750.75时，时，迅速增加。迅速增加。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.2.2 矿柱强度分析矿柱强度分析 从属面积法为矿柱需要承担的轴向平均应力确定提供了一个简单的计从属面积法为矿柱需要承担的轴向平均应力确定提供了一个简单的计算方法。理论和实验均表明，矿柱的强度与其大小和几何形状有关。由于算方法。理论和实验均表明，矿柱的强度与其大小和几何形状有关。由于岩体中分散着大量孔隙裂隙、软弱夹层和其他缺陷，矿柱大小对其强度的岩体中分散着大量孔隙裂隙、软弱夹层和

14、其他缺陷，矿柱大小对其强度的影响是容易理解的。形状的影响主要从三个方面加以考虑：相邻围岩的制影响是容易理解的。形状的影响主要从三个方面加以考虑：相邻围岩的制约，它是由于对矿柱侧向膨胀的约束而在矿柱中产生的；矿柱体中应力场约，它是由于对矿柱侧向膨胀的约束而在矿柱中产生的；矿柱体中应力场各分量不仅是垂直于其轴线方向的分量；矿柱的破坏方式随纵横比（即宽各分量不仅是垂直于其轴线方向的分量；矿柱的破坏方式随纵横比（即宽/高比）的改变而改变。事实上，上述第二个原因暴露了从属面积法本身高比）的改变而改变。事实上，上述第二个原因暴露了从属面积法本身的不足。的不足。Strata Control of Pilla

15、rs Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制bpahWvSS)(1 HardyHardy等（等（19771977年）指出，矿柱大小和几何形状对其强度年）指出，矿柱大小和几何形状对其强度S S的影响的影响通常可由一个经验指数关系表达，即通常可由一个经验指数关系表达，即式中式中（6-9）由式（由式（6-96-9）可知，如果对一个矿体的单位立方体试块进行强度试验）可知，如果对一个矿体的单位立方体试块进行强度试验，则强度参数值，则强度参数值S=SS=S1 1。事实上，这种解释是不正确的。因为式（。事实上，这种解释是不正确的。因为式

16、（6-96-9）两边）两边的量纲不统一。正确的方法是在特定的力学环境下，对一组观察到的矿柱的量纲不统一。正确的方法是在特定的力学环境下，对一组观察到的矿柱破坏情况进行详细分析后得出，或者是对典型矿柱进行仔细设计后，进行破坏情况进行详细分析后得出，或者是对典型矿柱进行仔细设计后，进行现场加载试验而得。现场加载试验而得。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 通过把式（通过把式（6-96-9）改写成如下形式，可以得到矿柱大小和形状对矿柱）改写成如下形式，可以得到矿柱大小和形状

17、对矿柱强度影响的另一表达式，即强度影响的另一表达式，即（6-10）式（式（6-96-9）和式（）和式（6-106-10）中，基本强度参数）中，基本强度参数S S1 1和和S S2 2是不相等的，这是不相等的，这是由于这两个表达式中量纲不同所致。对于横剖面为方形的矿柱，指数是由于这两个表达式中量纲不同所致。对于横剖面为方形的矿柱，指数，a a，b b是线性相关的。它们之间有的相关性如下：是线性相关的。它们之间有的相关性如下：（6-11）Salamon Salamon 和和 Munro Munro（19671967年）总结了各种渠道获得的方形截面矿柱年）总结了各种渠道获得的方形截面矿柱强度指数的一

18、些经验取值，见表强度指数的一些经验取值，见表6-16-1。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制来源来源ab备注备注Salamon Salamon 和和 MunroMunro(1967(1967年年)0.460.46南非煤层，现南非煤层，现场破坏场破坏Greenwald Greenwald 等等(1939(1939年年)-0.83-0.830.500.50-0.111-0.1110.720.72匹兹堡煤层，匹兹堡煤层，模型试验模型试验Steart(1954Steart(1

19、954年年)，Holland Holland 和和 GaddyGaddy(1957(1957年年)-1.00-1.000.500.50-0.167-0.1670.830.83西弗吉尼亚西弗吉尼亚实验室试验实验室试验Skinner(1959Skinner(1959年年)-0.079-0.079硬石膏实验室硬石膏实验室试验试验16.066.0048.0067.014.059.0表表 6-1 基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值基于矿柱尺寸和形状的矿柱强度指标经验取值Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的

20、岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 Hardy Hardy 等（等（19771977年）对西科罗拉多油页岩矿柱工作性状的研究中推年）对西科罗拉多油页岩矿柱工作性状的研究中推出的出的矿柱强度为矿柱强度为833.0118.01hWVSSP（6-12）应用式（应用式（6-126-12）时，简便的方法是取一个比例关系，）时，简便的方法是取一个比例关系，即通过试验确定一即通过试验确定一个已知形状和大小试样的单轴压缩强度个已知形状和大小试样的单轴压缩强度S SS S,再估算矿柱强度再估算矿柱强度SPSP，其表达式为，其表达式为833.0118.0SSPPSPSPhWhWVVSS（6-13）式中，下标式中，下

21、标p p和和s s分别代表矿柱和试样分别代表矿柱和试样。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3 矿房矿房矿柱布置设计矿柱布置设计 矿柱支护采矿法布置设计应寻求获得资源最大可能的采出比，同时又能保证矿房跨度内的围岩稳定性和对近场岩体的总体控制。在设计不规则的矿房-矿柱几何布置的设计实践中，人们通常采用岩石力学有关计算方法如数值模拟等，这些方法可以用来确定各种采矿方案、各种几何形状的矿房-矿柱和不同开采顺序的围岩位移分布，但利用从属面积分析法来研究矿房-矿柱设计和采矿布

22、置对于规则形状的矿房-矿柱还是比较有效的。在应力分析的从属面积分析法用于水平层状矿体的开采设计时，牵扯到5个参数：即作用于垂直于矿柱平面方向上的场应力分量 、矿柱高度h h、矿房跨度WWO O、矿柱跨度WWP P和防止矿柱破坏的安全系数F F。这里仅考虑边长为 WWP P的方形矿柱，但同样适用于长形的矿柱。6.3.1 矿房矿房矿柱参数设计矿柱参数设计 Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3.1.1 6.3.1.1 安全系数的选取安全系数的选取图图6.8 南非矿柱完整

23、和破坏频率直方图南非矿柱完整和破坏频率直方图 能保证矿柱安全的合适的安全系数的选择需要基于工程经验。对能保证矿柱安全的合适的安全系数的选择需要基于工程经验。对南非矿柱进行分析时，得到了如图南非矿柱进行分析时，得到了如图6.86.8所示的所示的统计统计数据数据。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 这个直方图表明了矿柱破坏的频率分布和保持稳定的频率分布，特别是完整这个直方图表明了矿柱破坏的频率分布和保持稳定的频率分布，特别是完整矿柱性状分布集中在安全系数矿柱性状分布集中在

24、安全系数F F从从1.31.31.91.9的范围内。在这种情况下，建议的范围内。在这种情况下，建议F F的合的合理设计值为理设计值为1.61.6。在其它采矿条件下，可以使用类似的方法来确定安全系数。在其它采矿条件下，可以使用类似的方法来确定安全系数。6.3.1.2 6.3.1.2 矿房矿房矿柱尺寸确定矿柱尺寸确定 上述工程经验表明，在设计阶段剩下的待定参数是矿柱大小上述工程经验表明，在设计阶段剩下的待定参数是矿柱大小W WP P，开采高，开采高度度h h。下面以具体实例来说明矿房矿柱尺寸确定的过程。下面以具体实例来说明矿房矿柱尺寸确定的过程。例如，一个厚例如，一个厚2.5m2.5m的水平矿体位

25、于地表下的水平矿体位于地表下80m80m深处，上覆岩体重力密度深处，上覆岩体重力密度为为25 25 。初始采矿布置设计中矿房跨度为。初始采矿布置设计中矿房跨度为6m6m，矿柱边长为，矿柱边长为5m5m的方形，的方形，全厚度开采，其矿柱强度的经验公式为全厚度开采，其矿柱强度的经验公式为（6-12）这个布置方案的从属面积法分析如下所述。这个布置方案的从属面积法分析如下所述。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制（1）采矿前的应力为）采矿前的应力为（2）矿柱平均轴向应力为）矿柱

26、平均轴向应力为（3）矿柱强度为）矿柱强度为（4）安全系数为）安全系数为=8025kPa=2.0 MPaStrata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 为了达到为了达到F F=1.6=1.6的基本要求，重新设计可选方案是：方案一，减少矿房的基本要求，重新设计可选方案是：方案一，减少矿房跨度以降低矿柱应力水平；方案二，增加矿柱宽度以提高矿柱的强度；方案跨度以降低矿柱应力水平；方案二，增加矿柱宽度以提高矿柱的强度；方案三，降低矿柱（或采高）高度。方案二、方案三的目的都是要提高矿柱的强三

27、，降低矿柱（或采高）高度。方案二、方案三的目的都是要提高矿柱的强度。修改这些方案，重新计算采矿几何参数，都是达到矿柱安全系数为度。修改这些方案，重新计算采矿几何参数，都是达到矿柱安全系数为1.61.6的途径。对于方案一、方案三，修改后的矿房跨度和高度可以直接得到；而的途径。对于方案一、方案三，修改后的矿房跨度和高度可以直接得到；而对于方案二，则得到一个关于对于方案二，则得到一个关于 的非线性方程，它可用牛顿的非线性方程，它可用牛顿拉夫森迭代法拉夫森迭代法求解，可得到如下结果。求解，可得到如下结果。方案三：方案三：=3.0=5.0=6.0h=2.5h=2.5=7.75=5.0h=0.96=6.0

28、方案一：方案一：方案二：方案二：由上述几何尺寸所确定的每个采矿布置都满足矿柱强度准则。然而，哪由上述几何尺寸所确定的每个采矿布置都满足矿柱强度准则。然而，哪种布置方案可以最大限度地开采矿体？很明显，能够保证安全并从矿体中开种布置方案可以最大限度地开采矿体？很明显，能够保证安全并从矿体中开采的矿石量最大的那个采矿布置是理想的矿井采的矿石量最大的那个采矿布置是理想的矿井回采工作回采工作面设计。面设计。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 基于充分利用资源的观点，方案三很明显

29、是不可取的，因为它意味着在基于充分利用资源的观点，方案三很明显是不可取的，因为它意味着在整个矿区内要么在矿体的顶板上，要么在矿体的底板上要留下一定厚度的整个矿区内要么在矿体的顶板上，要么在矿体的底板上要留下一定厚度的矿石不能开采，如图矿石不能开采，如图6.9c6.9c所示。从保证安全的观点来看，方案一，方案二所示。从保证安全的观点来看，方案一，方案二都是允许的，如图都是允许的，如图6.9a6.9a、图、图6.9b6.9b所示，基于开采资源的体积采出比所示，基于开采资源的体积采出比，可以，可以在这两个方案中作出选择在这两个方案中作出选择。当然，在随后的采矿阶。当然，在随后的采矿阶段中，如果矿柱要

30、回收和段中，如果矿柱要回收和在第一次采矿时不会出现在第一次采矿时不会出现严重问题的话，在这两个严重问题的话，在这两个方案中作出选择时，还要方案中作出选择时，还要考虑到施工和设计方面的考虑到施工和设计方面的其他问题。其他问题。图图6.9 2.5m厚矿体开采设计的选择厚矿体开采设计的选择Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.3.2 采矿尺寸与矿石采出量采矿尺寸与矿石采出量 对矿柱强度和轴向应力各个表达式的分析表明，矿柱的安全系数对矿柱强度和轴向应力各个表达式的分析表明，矿

31、柱的安全系数F F是是矿柱大小，矿房跨度和矿柱高度（或矿体回采厚度）的函数，即矿柱大小，矿房跨度和矿柱高度（或矿体回采厚度）的函数，即（6-13）其目的是要确定采矿尺寸的其目的是要确定采矿尺寸的 ，h h，所以在任何一步回采作，所以在任何一步回采作业中，都能保证矿柱支护力学上的完整性，并使体积采出比最大。下面业中，都能保证矿柱支护力学上的完整性，并使体积采出比最大。下面用作图方法来说明这个目的是如何实现的。用作图方法来说明这个目的是如何实现的。考虑矿井结构中的一个典型部分，如图考虑矿井结构中的一个典型部分，如图6.10a6.10a所示，从一个平面尺寸所示，从一个平面尺寸为为 、高度为、高度为h

32、 h的矿块中开采出来的矿石体积为的矿块中开采出来的矿石体积为（6-14）Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 当在这个矿块的整个面积上开采时，为当在这个矿块的整个面积上开采时，为了获得相同的开采体积，即在面积了获得相同的开采体积，即在面积 上，要开采一个称之为等价开采高度的采上，要开采一个称之为等价开采高度的采矿高度矿高度 ，如图，如图6.10b6.10b。等价开采高度的。等价开采高度的表达式为表达式为（6-15）图图6.10 部分开采和等效体积开采部分开采和等效体积开

33、采 根据等价开采高度根据等价开采高度 ，可以很方便，可以很方便地计算出天然支护采矿的产量。地计算出天然支护采矿的产量。回采工作面几何布置的任何改变如能使这个等价开采高度增加，就表示采矿产量回采工作面几何布置的任何改变如能使这个等价开采高度增加，就表示采矿产量将会增加。这样可以对回采工作面几何形状的改变效果进行评价，即考虑一个任何厚将会增加。这样可以对回采工作面几何形状的改变效果进行评价，即考虑一个任何厚度的矿体，选定一个特定的矿房跨度和开采高度，计算满足矿柱支护结构的安全系数度的矿体，选定一个特定的矿房跨度和开采高度，计算满足矿柱支护结构的安全系数要求矿柱大小。要求矿柱大小。或或Strata

34、Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 SalamonSalamon曾对开采深度为曾对开采深度为152m152m的现场条件所要求的安全系数为的现场条件所要求的安全系数为1.61.6进行进行这种类型的工作，其结果如图这种类型的工作，其结果如图6.116.11所示。图所示。图6.116.11中对于所选定的矿房跨度中对于所选定的矿房跨度，把等价开采高度看做实际开采高度的一个函数。，把等价开采高度看做实际开采高度的一个函数。图图6.11 矿体产量、矿房跨度和实际开矿体产量、矿房跨度和实际开采高

35、度之间的关系采高度之间的关系 从图从图6.116.11可以看出，单独地增可以看出，单独地增加矿房跨度和实际开采高度都将导加矿房跨度和实际开采高度都将导致等价开采高度的增加，因而也就致等价开采高度的增加，因而也就导致了该矿体开采产量的增加。因导致了该矿体开采产量的增加。因此如果下面的条件能同时得到满足此如果下面的条件能同时得到满足，则从矿体中开采的矿石量最大，则从矿体中开采的矿石量最大，同时又能保证矿柱体积的完整性。同时又能保证矿柱体积的完整性。这些条件是：这些条件是：(1)(1)开采高度为矿体的最大厚度（即全厚）。开采高度为矿体的最大厚度（即全厚）。Strata Control of Pill

36、ars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制 (2)(2)以保证矿房帮壁局部稳定性的最大矿房跨度开采。以保证矿房帮壁局部稳定性的最大矿房跨度开采。前面已经说明，在矿柱支护采矿法中如何获得一个矿体的最大可能的开采前面已经说明，在矿柱支护采矿法中如何获得一个矿体的最大可能的开采量。从图量。从图6.10b6.10b可以看出，体积采出比可以看出，体积采出比R R是由等价开采高度是由等价开采高度 和矿体厚度和矿体厚度M M之比确之比确定的，将式（定的，将式（6-156-15）代入后，得）代入后，得(6-16)考虑假设的下列情况：一

37、组矿体厚为考虑假设的下列情况：一组矿体厚为M M，其范围为，其范围为1.51.56.0m6.0m，位于地表下的不，位于地表下的不同深度。假设矿房最大稳定跨度为同深度。假设矿房最大稳定跨度为6.0m6.0m，上覆岩体重力密度为，上覆岩体重力密度为2525 ，矿柱强，矿柱强度由式（度由式（6-126-12）确定。在每个矿体中，矿体的全厚度和矿房最大稳定跨度可用来决）确定。在每个矿体中，矿体的全厚度和矿房最大稳定跨度可用来决定矿柱的平面尺寸，这个尺寸可以产生定矿柱的平面尺寸，这个尺寸可以产生1.61.6的矿柱安全系数。如果任何几何布置都的矿柱安全系数。如果任何几何布置都将能得到最大的开采量，则最大体

38、积采出比将能得到最大的开采量，则最大体积采出比R R可以直接根据式（可以直接根据式（6-166-16）计算，图）计算，图6.126.12所示为一组这样的结果。所示为一组这样的结果。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制图图6.12 不同埋深和厚度矿体的最不同埋深和厚度矿体的最大体积开采比大体积开采比 从图从图6-126-12中可以看出两个特中可以看出两个特点，如下所述：点，如下所述：(1)(1)对于任何矿体厚度，从对于任何矿体厚度，从矿柱支护采矿法中所得到的最大矿柱支护采

39、矿法中所得到的最大安全开采量将随着矿体埋深的增安全开采量将随着矿体埋深的增加而大大下降。因此，如果正在加而大大下降。因此，如果正在开采一个缓倾斜的矿体，则随着开采一个缓倾斜的矿体，则随着采矿下行开采，矿柱所占用的矿采矿下行开采，矿柱所占用的矿石量将逐渐增加。石量将逐渐增加。(2)(2)用完整矿柱支护法和一步回采法开采厚煤层或矿体时，最大采出比用完整矿柱支护法和一步回采法开采厚煤层或矿体时，最大采出比可能较低，对于厚可能较低，对于厚6m6m、埋深、埋深244 m244 m的煤层，从一步回采法所得到的产量将低的煤层，从一步回采法所得到的产量将低于整个矿产资源的于整个矿产资源的25%25%。Stra

40、ta Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制基于矿柱设计的从属面积法，得出一些关于矿柱支护采矿法的一般基于矿柱设计的从属面积法，得出一些关于矿柱支护采矿法的一般性结论。首先，如果不进行矿柱回收，则矿柱的布置必须是基于矿房的性结论。首先，如果不进行矿柱回收，则矿柱的布置必须是基于矿房的最大稳定性跨度，以确保矿产资源最大限度的回收；其次，使用完整、最大稳定性跨度，以确保矿产资源最大限度的回收；其次，使用完整、弹性矿柱的完全支护法，由于经济上的原因，仅限于低地应力的情况，弹性矿柱的完全支护法

41、，由于经济上的原因，仅限于低地应力的情况，或是高强度矿柱的情况。或是高强度矿柱的情况。在支护法采矿布置的初步设计中，选择恰当的矿柱强度公式、有关在支护法采矿布置的初步设计中，选择恰当的矿柱强度公式、有关的特征强度参数值和比例指数至关重要。合理的方法是利用式的特征强度参数值和比例指数至关重要。合理的方法是利用式(6-9)(6-9)来估来估算矿柱强度，算矿柱强度，S1S1可以用岩体单轴抗压强度可以用岩体单轴抗压强度 来代替，指数来代替，指数a a，b b可取表可取表6-6-1 1中给定值中给定值的平均值。的平均值。在实际采矿过程中，通过观察矿体中矿柱对于采矿在实际采矿过程中，通过观察矿体中矿柱对于

42、采矿的反应或大规模的现场试验可以得到这些参数的修正值。在这些大规模的反应或大规模的现场试验可以得到这些参数的修正值。在这些大规模的试验中，为使矿柱破坏，可以适当减小所选定的矿柱大小。的试验中，为使矿柱破坏，可以适当减小所选定的矿柱大小。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制6.4 矿柱支护条件下顶底板稳定性分析矿柱支护条件下顶底板稳定性分析 在利用从属面积法讨论矿柱的设计时，在利用从属面积法讨论矿柱的设计时，隐含地假设了矿柱对于围岩的支护能力取决于隐含地假设了矿柱对于围岩

43、的支护能力取决于矿柱强度，当上、下盘岩体相对于矿体来说较矿柱强度，当上、下盘岩体相对于矿体来说较弱时，矿柱支护体系也许会因矿柱挤入矿体围弱时，矿柱支护体系也许会因矿柱挤入矿体围岩中而失效。其破坏方式类似于基础承载力丧岩中而失效。其破坏方式类似于基础承载力丧失时的破坏方式。这种破坏方式表现为矿柱周失时的破坏方式。这种破坏方式表现为矿柱周边附近的底板岩体的隆起或顶板岩体的剥离和边附近的底板岩体的隆起或顶板岩体的剥离和破裂。破裂。在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩体所施在层状矿体中矿柱对上盘和下盘岩体所施加的荷载可以等价地看做是半空间体表面上作加的荷载可以等价地看做是半空间体表面上作用一分布荷载的情况，

44、如图用一分布荷载的情况，如图6.136.13所示。所示。图图6.13 矿柱对底板的作用矿柱对底板的作用Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制当矿柱顶底板岩层强度较低时，表现为矿柱周边附近的底板岩体的隆起或顶板岩体的剥离和破裂。因而会造成：一是因矿柱失去或降低了顶底板的约束作用，其强度会不同程度的降低；二是因矿柱不同程度地压入顶板或底板，其需要承担的上覆岩层的支撑力会“转嫁”到其它矿柱上，实际上降低了矿柱的整体支撑能力，因此，这种条件下，为保证矿柱支撑的有效性，应根据具体顶

45、底板条件适当加大安全系数。Strata Control of Pillars Support Mining Method10/25/2022矿柱支护采矿法的岩体控制矿柱支护采矿法的岩体控制复习思考题复习思考题 （1）什么是矿柱支护采矿法？）什么是矿柱支护采矿法？（2）如何分析确定矿柱的强度？）如何分析确定矿柱的强度？（3）矿房）矿房矿柱布置设计中的主要参数有哪些？矿柱布置设计中的主要参数有哪些？（4）一个厚）一个厚4m的水平矿体位于地表下的水平矿体位于地表下350m深处，上覆深处，上覆岩体重力密度为岩体重力密度为25 。初始采矿布置设计中矿房跨度为。初始采矿布置设计中矿房跨度为6m，矿柱为边长，矿柱为边长5m的方形，全厚开采，试分析是否对矿房的方形，全厚开采，试分析是否对矿房矿柱重新设计，如何设计。矿柱重新设计，如何设计。