崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.04.004 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr,2013 崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 徐文彬12)，宋卫东12，杜建华12)，王文潇3) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 3)马钢集团姑山矿业有限责任公司，马鞍山243000 心通信作者.E-mail:songwd@ustb.edu.cn 摘要借助修正后的RMR方法对和睦山铁矿工程岩体进行了分级.分别采用厚跨比法、结构力学梁理论以及普氏 拱理论对矿柱进行了研究，获得了嗣后采场破坏模型以及采场失稳演化过程.分析了采场尺寸、矿岩坚固性系数、抗拉 强度以及内摩擦角对崩落法转阶段丽后充填法采场稳定性的影响.通过极限平衡法建立了阶段嗣后充填法矿柱安全系数 方程.研究结果表明：矿岩的坚固性系数和抗拉强度对顶板临界厚度影响明显：矿岩的内聚力对矿柱的安全系数影响最 为显著.最后将上述结果应用到和睦山铁矿嗣后采场稳定性分析中，得到了块矿地带的采场顶板临界厚度和矿柱安全系 数，并从理论角度分析19#矿房跨塌的原因. 关键词采矿：嗣后充填：采场：失稳模式：稳定性 分类号TD853.34+3 Stability analysis of a backfill stope due to transforming from block caving to stage backfill XU Wen-bin!2),SONG Wei-dong 1.2),DU Jian-hual.2),WANG Wen-riao3) 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Mla Steel Gronp Gushan Mine Co.Ltd.,Maanshan 243000,China Corresponding author.E-mail:songwd ustb.edu.cn ABSTRACT Resorting to the modified rock mass rating system,the rock mass classification was performed for Hemushan Iron Mine in east China.Ore pillars in the mine were researched based on the thickness-span ratio method,the structural mechanics beam theory and Pu's arch theory.The failure mode and the evolutionary process of destabilization were gained for the backfill stope.The influences of stope size and the consistent coefficient,tensile strength and the internal friction angle of ore rock on the stability of the backfill stope were analyzed due to transforming from block caving to stage backfill.A safety factor equation of the ore pillars was established on the basis of the limit equilibrium method.Results show that the effects of the consistent coefficient and tensile strength of ore rock on the roof critical thickness of the backfill stope are obvious,and the cohesion exerts a tremendous influence on the safety factor of the ore pillars.Finally.the results above were applied to analyze the stability of the backfill stope in Hemushan Iron Mine,the roof critical thickness of the backfill stope and the safety factor of ore pillars at the lump ore belt were obtained,and causes for the failure of the 19th room were understood from these theories. KEY WORDS mining:backfill:stopes;failure modes;stability 近年来随着人们对资源充分利用和环境保护一些千万吨级金属类可矿山的建立，使得阶段嗣后充 意识的提高、国外大型无轨设备的引进以及国内填法成为矿山充填开采的首选方法，国内一些原先 收稿日期：20111208 基金项目：中央高校基本科研业务费专项(FRF.SD-12-003A):长江学者和创新团队发展计划资助项目(RT0950)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 徐 文彬 ', , 宋卫 东 `妙门, 杜建华 喇, 王文潇 “ 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 , 北京 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 马钢集团姑山矿业有限责任公司, 马鞍山 匕 通信作者 一 瞩 、, 刀 摘 要 借助修正后的 方法对和睦山铁矿工程岩体进行了分级 分别采用厚跨比法 、 结构力学梁理论 以及普氏 拱理论对矿柱进行了研究, 获得了嗣后采场破坏模型 以及采场失稳演化过程 分析了采场尺寸 、矿岩坚固性系数 、 抗拉 强度以及内摩擦角对崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性的影响 通过极限平衡法建立了阶段嗣后充填法矿柱安全系数 方程 研究结果表明 矿岩的坚固性系数和抗拉强度对顶板临界厚度影响明显 矿岩的内聚力对矿柱的安全系数影响最 为显著 最后将上述结果应用到和睦山铁矿嗣后采场稳定性分析中, 得到了块矿地带的采场顶板临界厚度和矿柱安全系 数 , 并从理论角度分析 矿房跨塌的原因 关键词 采矿 嗣后充填 采场 失稳模式 稳定性 分类号 无` 。,卜乙 ·, 万` 叭 一己 夕 认刀 ,几 一人、 , , 洲 万` 队 一乞 丈〔、 。。。 、 〕 , 一 入 , , 、 尸几 、 。 又 , , , 日 卜 、 〔 , , , 小 , , 玉 入 。。 宁`、 飞, 、 , 入, 二 二 〔'〔 、、 、 ,, 一 回 、 七 ￡ 、 , 一飞一、 一 、 一 入 一 · 一 , “ 一 、 、 飞。 一' , 。、 、 , 谁 「 ℃ 、 · 、 、 一。·, 一 一 士 , 、 一、 ℃一 入 , ,丫 一诬 〔、 、 、 正 企 , 、八一, 尸 〕, · 一 一 ·〔、 近年来 随着人们对 资源充分利用 和环境 保护 意 识的提 高 、 国外大型无轨 设备 的引进 以及 国 内 一些千万吨级金属类矿山的建立 , 使得阶段嗣后充 填法成为矿山充填开采的首选方法, 国内一些原先 收稿 日期 〔 基金项目 中央高校基本科研业务费专项 一 一 一 长江学者和创新团队发展计划资助项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.04.004

,416 北京科技大学学报 第35卷 采用崩落法开采的矿山也正逐步向充填法转变凹 崩落法由充填法转变的过渡层厚度方面.因此，展 嗣后充填法具有生产效率高、资源回采强度大等优 开阶段嗣后充填采场矿柱破坏模式和稳定性研究具 点，但其阶段矿柱高，对矿岩自稳性要求高：特别是 有十分重要的意义 当临近的矿房开采完时，矿柱受载荷集中加剧，有 些矿柱在矿房空区未进行充填前就已发生失效，直 1岩体稳定性分级 接影响着其他矿房甚至整个采场的稳定性，因此矿 RMR法(Rock Mass Rating)是一种普通应用 柱的稳固性等级直接决定着嗣后采场的整体安全 于众多岩体工程质量评价的方法，其综合考虑了岩 对于采场矿柱稳定性和设计强度要求，国内外学者 石强度、节理间距及特征、岩芯质量、地下水条件等 皆做了不少的研究工作.刘学增和翟德元②克服 诸多地质因素的影响.为了分析嗣后采场的稳定性， 传统矿柱安全验证忽略岩体的节理、裂隙等因素影 采用RMR法对和睦山铁矿各岩组进行了各种评价 响的弱点，将可靠度分析方法应用到矿柱尺寸设计 指标评分，参照岩体质量分类表（如表1所示），得 中；李俊平等③]应用材料力学和梁的假说理论，推 出岩体质量RMR评价分类：同时考虑节理方向、 导了矿柱间距公式，为矿山设计提供了参考：尹光 风化程度以及爆破影响，以修正后的岩体分级方 志、高明仕、王连国等4-)借助突变理论研究了 法3]得到的分值来确定和睦山铁矿岩体的综合质 矿柱的突变模型和失稳机制：李江腾和曹平⑦)应 量(MRMR法)，最终得到了该矿的工程岩体质量 用断裂力理论探讨了硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层 等级，结果如表2所示.从表2可以看出，灰岩质 作用下贯通形成层状结构的机理.同时声波测试技 量稍好，砂页岩、闪长岩稳定性一般，铁矿石质量 术[8-9、概率分析o、数值模拟【以及现场监 比蚀变闪长岩稍好，蚀变闪长岩质量差.通过岩石 测]也成功运用到矿柱稳定性分析中，极大地丰 力学试验，得到了不同岩石力学参数，结果如表3 富了矿柱稳定性分析手段和准确性 所示 一些采用阶段嗣后充填法采矿和崩落向转充 表1RMR法下的岩体质量评价分类[I4 填法转型的矿山，在未及时充填采空区之前，阶段 Table 1 Classification of rock mass quality evaluation 嗣后充填采场的矿柱群不仅支撑着本阶段采场的稳 determined by RMR method 定性，同时影响着上阶段采矿作业的安全；顶板一 RMR值 等级 性质 旦发生垮冒，很可能会导致与崩落法松散覆盖岩层 81~100 很好 贯通而引起重大灾害事故，如冲击气压、井下泥石 6180 ) 好 4160 111 一般 流，因此上下两阶段过渡层的厚度至关重要.目前 2140 IV 差 对于嗣后充填采场的稳定性研究工作较少，特别在 <20 V 很差 表2MRMR法下的岩体分类指标及其评分值 Table 2 Classification index and individual values of rock mass determined by MRMR method 岩石名称 单轴抗压强度岩芯质量节理间距 节理条件 地下水条件 修正因素修正RMR值分级性质 灰岩岩组 12 15 13 25 10 12 63 安 砂页岩岩组 12 13 10 20 10 12 53 11 -般 闪长岩岩组 11 13 12 25 10 12 59 …般 铁矿石岩组 12 10 10 20 9 18 43 一般 蚀变闪长岩 6 8 8 20 9 12 39 差 表3岩石的力学参数 Table 3 Mechanic parameters of rocks 岩性 弹性模量/GPa 泊松比 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa摩擦角/()容重/(kNm-3)内聚力/MPa 砂页岩岩组 6.37.9 0.230.25 97.7119.0 1.87 3659 分 2.34 铁矿石 10.813.9 0.170.34 50.281.1 2.00 3437 32 3.67 闪长岩 12.124.3 0.140.27 83.0127.3 2.50 4248 39 5.44 2采场失稳演化模式 及岩体稳固性等是决定阶段嗣后采场稳定性的关键 条件.为了减少回采作业对阶段嗣后充填采场稳定 图1(a)为阶段嗣后充填法采场布置图，图1(b) 性的影响，笔者5-16分别对阶段嗣后充填采场回 为矿柱屈服破坏图.采场的回采顺序、结构参数以

· 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 采用崩落法开采的矿 山也正逐步 向充填法转变 嗣后充填法具有生产效率高 、资源回采强度大等优 点, 但其阶段矿柱高, 对矿岩 自稳 胜要求高 特别是 当临近的矿房开采完时 , 矿柱受载荷集 中加剧 , 有 些矿柱在矿房空区未进行充填前就 已发生失效, 直 接影响着其他矿房甚至整个采场的稳定性, 因此矿 柱 的稳 固性等级直接决定着嗣后采场的整体 安全 对于采场矿柱稳定性和设计强度要求 , 国内外学者 皆做 了不少的研究工作 刘 学增和翟德元 克服 传统矿柱安全验证忽略岩体的节理 、裂隙等因素影 响的弱点, 将可靠度分析方法应用到矿柱尺寸设计 中 李俊平等 应用材料力学和梁的假说理论 , 推 导了矿柱间距公式, 为矿 山设计提供 了参考 尹光 志 、 高明仕 、 王连 国等 一 借助突变理论研究了 矿柱 的突变模 型和失稳机制 李江腾和曹平 川 应 用断裂力理论探讨了硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层 作用下贯通形成层状结构的机理 同时声波测试技 术 一 、 概率分析 、 数值模拟 ' 以及现场监 测 也成功运用到矿柱稳定性分析 中, 极大地丰 富了矿柱稳定性分析手段和准确性 一些 采用阶段嗣后充填法采矿和崩落 向转充 填法转型的矿 山, 在 未及时充填采空区之前, 阶段 嗣后充填采场 的矿柱群不仅支撑着本阶段采场的稳 定性, 同时影 响着上阶段采矿作业的安全 顶板一 旦发生垮 冒, 很可能会导致与崩落法松散覆盖岩层 贯通而引起重大灾害事故, 如冲击气压 、井下泥石 流 , 因此上下两阶段过渡层 的厚度至关重要 目前 对于嗣后充填采场的稳定性研究工作较少, 特别在 崩落法 由充填法转变的过渡层厚度方面 因此, 展 开阶段嗣后充填采场矿柱破坏模式和稳定性研究具 有十分重要 的意义 岩体稳定性分级 法 是一种普通应用 于众多岩体工程质量评价的方法 , 其综合考虑了岩 石强度 、节理间距及特征 、岩芯质量 、地下水条件等 诸多地质因素的影响 为了分析嗣后采场的稳定性, 采用 法对和睦山铁矿各岩组进行 了各种评价 指标评分 , 参照岩体质量分类表 如表 所示 , 得 出岩体质量 评价分类 同时考虑节理方向 、 风化程度 以及爆破 影响, 以修正后 的岩体分级方 法 得到的分值来确定和睦山铁矿岩体的综合质 量 法 , 最终得到了该矿的工程岩体质量 等级, 结果如表 所示 从表 可以看 出, 灰岩质 量稍好 , 砂页岩 、 闪长岩稳定性 一般 , 铁矿石质量 比蚀变 闪长岩稍好 , 蚀变闪长岩质量差 通过岩石 力学试验, 得到了不同岩石力学参数, 结果如表 所示 表 法下的岩体质量评价分类 ` 妞 饰 值 等级 性质 、 很好 、 好 、 一般 、 差 很差 表 法下的岩体分类指标及其评分值 场 岩石名称 单轴抗压强度 岩芯质量 节理间距 节理条件 地下水条件 修正因素 修正 值 分级 性 质 灰岩岩组 好 砂页岩岩组 一 川 一般 闪长岩岩组 一般 铁矿石岩组 一般 蚀变闪长岩 差 表 岩石的力学参数 岩性 弹性模量 泊松比 抗压强度 抗拉强度 摩擦角 。 容重 一 内聚力 入 砂页 岩岩 组 , 、 , 卫 、 , 、 , 、 召 铁 矿石 名、 、 、 石 闪长 岩 、 召 、 忍 , 、 , 、 滩 采场失稳演化模式 图 为阶段嗣后充填法采场布置图, 图 为矿柱屈服破坏图 采场 的回采顺序 、结构参数 以 及岩体稳固性等是决定阶段嗣后采场稳定性的关键 条件 为了减少回采作业对阶段 嗣后充填采场稳定 吐的影响, 笔者 一` 分别对阶段嗣后充填采场回

第4期 徐文彬等：崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 417. 采顺序进行了研究并提出了控制其稳定性的相对措 生矿柱破坏的连锁反应，因而可将阶段嗣后充填采 施，同时还得到了阶段嗣后充填采场围岩破坏规律 场破坏分为如下四个阶段 基于笔者前期的研究成果得到结论：单一矿柱失效 (1)矿柱稳定阶段.矿房间卸压区未叠加时采 是阶段嗣后充填法采场破坏的主导因素，它的失效 矿区示意图如图2()所示.如图所示，矿房开采完 不仅会导致矿柱顶部围岩局部破坏，甚至还可能产 后形成的空区未及时充填，空区顶部岩体将形成应 弹性区 采场顶板 现在剪切破坏区 围岩 矿 矿 围岩 柱 房 柱 房 柱 柱 采场底板 (a) 图1嗣后采场布置图(a)与矿柱破坏图(b) Fig.1 Layout of the backfill stope (a)and failure of ore pillars (b) ⊕卸压区 ⊕卸压区 ⊙承压去 白承压去 顶部 顶部 分别为矿 顶部 顶部 ④2#、3#矿房 围岩 围岩 房、矿柱宽度 围岩 ④ 围岩 卸压叠加区 ③1#、2#可矿房 ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ 卸压叠加区 ©整体卸压区 a、b分别为矿 A 房、矿柱宽度 矿柱 矿柱 可矿柱2 矿柱 矿柱 矿柱 柱 乡矿柱 单位：m 单位：m 矿房间卸压区未叠加 矿房间卸压区叠加 (a) (b) ⊕卸压区 ④卸压区 顶部 ⊕ 顶部 ⊙承压去 顺部 顶部 白承压去 围岩 围岩a、b分别为矿 围岩 围岩 ⊕ 房、矿柱宽度 田 冒落带 冒落带 ⑦ 矿柱 矿柱 矿柱 西 矿柱 单位：m 单位：m 部分矿柱失效 矿柱整体失效 (c) (d) 图2采场失稳演化模式.()矿柱稳定阶段：(b)矿柱大变形阶段：(c)部分矿柱失效：(d)矿柱整体失效 Fig.2 Failure evolution mode of the stope:(a)pillar stability phase;(b)pillar deformation phase;(c)failure of parts of pillars; (d)failure of overall pillars

第 期 徐文彬等 崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 · 采顺序进行 了研究并提 出了控制其稳定性的相对措 施, 同时还得到了阶段嗣后充填采场围岩破坏规律 基于笔者前期的研究成果得到结论 单一矿柱失效 是阶段嗣后充填法采场破坏的主导因素, 它的失效 不仅会导致矿柱顶部围岩局部破坏, 甚至还可能产 生矿柱破坏的连锁反应 , 因而可将阶段嗣后充填采 场破坏分为如下四个阶段 矿柱稳 定阶段 矿房间卸压区未叠加时采 矿区示意图如 图 所示 如 图所示 , 矿房开采完 后形成 的空区未及时充填 , 空区顶部岩体将形成应 、 弹性区 、 现在剪切破坏区 爷 丫汰火 卿料洲一︺︸改即欢公又州办。、 采场顶板 围岩 矿 矿 矿 矿 矿 矿 矿 围岩 柱 房 柱 房 柱 房 柱 采场底板 圣夕罕芬东 图 嗣后采场布置图 与矿柱破坏图 即 主 ①卸压区 承压去 、 盼 别为矿 房 、矿柱宽度 ①卸压区 承压去 ④ 、 矿房 卸压叠加区 ⑥ 、 弃矿房 卸压叠加区 ⑥整体卸压区 、 另于另 为矿 房 、 矿柱宽度 单位 口口日日日日日日日日日日习日门门 日 顶部 顶部 围岩 围岩 厂两、丫丽`丫青、,'南`、,省、了雨`丫两一 薰。黝 纂 摹 肚鬓征枉协鸯哥薰矿柱书淤龚羹妻蘸 日日日日日口口口日日口口日日日日日日口 顶部 一 万 一 、 耍部 翌八一' ⑧一人一西`一二砚己、 ,一 “了用 丫补 、、' 用 、, 月两 、了印 丫 自 、 蒙份鸯黔黝暴苦矿柱引也份份费 兼 凶 翼鬓昆矿柱炙逛协兼 口勺 纂单位 飞所么称丝一顶吐次共从门汾扮努围洲月阴渊漪勿翻一部岩户泌汾沼炊效州价所份﹂︸月︸护 矿房间卸压区未叠加 日 日口日 口口口口日日日日 矿房间卸压区叠加 ①卸压区 承压去 、 另于另为矿 房 、 矿柱宽度 仪 围 部 岩又 ①卸压区 承压去 ① 冒落带 列 管 多 迎场兼的 费丁 单位 单位 部分矿柱失效 矿柱整体失效 图 采场失稳演化模式 矿柱稳定阶段 矿柱大变形阶段 部分矿柱失效 矿柱整体失效

418 北京科技大学学报 第35卷 力拱；应力拱内岩体受拉，同时将其自身岩体重量 范围内上覆岩柱的重量，矿柱支撑的面积为分摊的 转载至相邻矿柱上，导致矿柱顶部围岩应力集中， 开采面积与矿柱自身面积总和②].因此可计算得出 形成承压区；随着开采的进行，采场顶部围岩将形 矿柱的平均载荷量： 成多个卸压区和承压区组成的应力拱群：在采矿空 v=H(1+a/b). (1) 区形成的初期，由于矿岩自身强度因素，顶部岩体 应力拱的范围未扩大，各矿房间卸压区未叠加，采 式中：ov为矿柱平均载荷量，MPa:Y为上覆岩容 场处于稳定阶段 重，kNm-3:H为开采深度，m;a为矿房宽度，m:b (2)矿柱大变形阶段.依据普氏拱理论可知，应 为矿柱宽度，m. 力拱的范围主要由矿岩的强度和矿房宽度决定.受 3.2矿柱安全系数 自身条件、外部载荷以及支承时间等因素影响，当 建立单一矿柱微单元力学分析模型，如图3所 空区顶部的岩体发生破坏时，矿柱的承载能力开始 示.首先假设矿柱将沿某一倾斜面发生剪切破坏， 发生变化，稳定性变差，使空区顶部原应力拱的范 根据应力分布在滑面的力或力矩平衡条件，在整个 围增加，相继加剧刊矿柱载荷量.矿房间卸压区叠加 滑动区域上搜索确定最危险的滑动面和安全系数 时采矿区示意图如图2(b)所示.如图所示，随着空 矿柱沿某一平面发生剪切滑动的极限平衡条件为 区顶部应力拱的范围扩散，相邻的应力拱两两相互 T=c+(ov+02)tand. (2) 叠加，产生如文献[17]中所叙述的“复合应力拱”； 扩大的应力拱又反过来加剧矿柱应力集中程度，产 N=u(av +a:)cosp. (3) 生恶性循环，直到最终形成更高的应力平衡拱 F=(av +a:)sin, (4) (3)部分矿柱失效.部分矿柱失效后采矿区示 0:=Y(h-2) (5) 意图如图2(c)所示.如图所示，由于顶部荷载的增 加，矿柱起初由于泊松效应，产生体积扩容，矿柱局 式中：T为剪切力，N;c为内聚力，N;oz表示 部发生劈裂：致使相邻两边的矿房卸压区贯通，加 垂直方向受力，MPa;0为内摩擦角：N为沿滑 大了应力拱的范围，最终使矿柱发生剪切滑移.矿 面阻力，N:F为滑动力，N:中为滑面角，P= 柱发生失效方式和特征如图1(b)所示，其中1表 45°+：u为静摩擦因数，一般取0,20~035：h为 示主应力方向，3表示次应力方向.矿柱失效后，顶 矿柱高度，m;之为滑面中心到矿柱底部高度，m. 部形成冒落带，冒落带拱顶矿岩受拉，两旁的拱角 处矿岩受压，此时支撑压力拱的矿柱受载荷集中度 更高，稳定性更差、 (4)矿柱整体失效.矿柱整体失效后采矿区示 意图如图2(d)所示，如图所示，部分矿柱失效后， 邻近矿柱载荷加剧，进而可能导致相近矿柱的也发 生破裂，导致失效矿柱增多，同时加剧顶部岩体垮 A 冒，最终出现矿柱失效连锁反应，致使采场整体失 效：矿柱相继失效后，顶部冒落带相互合并，叠加 后冒落带范围加剧，直到新的平衡应力拱形成，或 dy 引起顶部围岩整体破坏，延伸到地表. 3采场稳定性计算方法 图3矿柱受力分析模型 Fig.3 Force analysis model of a pillar 3.1矿柱承载计算 矿房被开采完后，维持采场围岩稳定的承载体 将滑面上的抗滑力与滑动力的比值定义为矿 主要为矿柱.为了分析支承矿柱稳固与否，首先需 柱的安全系数F,因而可得矿柱安全系数条件： 确定采场围岩转移到矿柱上的载荷量.针对如何正 确计算矿柱所受载荷量，国内外学者提出了一些假 -+W F (6) 设和理论，其中矿柱面积承载理论应用最广，该理 通过上述分析可知，对于采用嗣后充填法开采 论认为：矿柱所承受的载荷等于其所支撑的采空区 的矿山，其地质条件与矿岩参数一定时，为了满足

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 力拱 应力拱 内岩体受拉, 同时将其 自身岩 体重量 转载至相邻矿柱上 , 导致矿柱顶部 围岩应力集中, 形成承压区 随着开采的进行 , 采场顶部围岩将形 成多个卸压区和承压区组成的应力拱群 在采矿空 区形成 的初期 , 由于矿岩 自身强度因素 , 顶部岩体 应力拱的范围未扩大 , 各矿房间卸压区未叠加 , 采 场处于稳定阶段 矿柱大变形阶段 依据普 氏拱理论可知, 应 力拱的范围主要 由矿岩的强度和矿房 宽度决定 受 自身条件 、外部载荷 以及支承时间等因素影响, 当 空区顶部的岩体发生破坏时, 矿柱的承载能力开始 发生变化 , 稳定性变差 , 使空区顶部原应力拱的范 围增加, 相继加剧矿柱载荷量 矿房间卸压区叠加 时采矿 区示意 图如图 所示 如图所示 , 随着空 区顶部应力拱的范 围扩散 , 相邻的应力拱两两相互 叠加, 产生如文献 【」中所叙述的 “复合应力拱” 扩大的应力拱又反过来加剧矿柱应力集中程度 , 产 生恶性循环 , 直到最终形成更高的应力平衡拱 部分矿柱失效 部分矿柱失效后采矿区示 意图如图 所示 如图所示, 由于顶部荷载的增 加, 矿柱起初 由于泊松效应 , 产生体积扩容, 矿柱局 部发生劈裂 致使相邻两边的矿房卸压区贯通, 加 大了应力拱 的范围, 最终使矿柱发生剪切滑移 矿 柱发生失效方式和特征如 图 所示, 其中 表 示主应力方 向, 表示次应力方 向 矿柱失效后, 顶 部形成 冒落带, 冒落带拱顶矿岩受拉 , 两旁的拱角 处矿岩受压 , 此时支撑压力拱的矿 柱受载荷集 中度 更高, 稳定性更差 矿柱整体失效 矿柱整体失效后采矿 区示 意图如图 所示 如 图所示 , 部分矿柱失效后 , 邻近矿柱载荷加剧, 进而可能导致相近矿柱的也发 生破裂 , 导致失效矿柱增多, 同时加剧顶部岩体垮 冒, 最终出现矿柱 失效连锁反应 , 致使采场整体失 效 矿柱相继失效后 , 顶部 冒落带相互合并 , 叠加 后 冒落带范围加剧 , 直到新的平衡应力拱形成 , 或 引起顶部围岩整体破坏 , 延伸到地表 范围内上覆岩柱的重量 , 矿柱支撑的面积为分摊的 开采面积与矿柱 自身面积总和 因此可计算得 出 矿柱的平均载荷量 今 句 式中 二, 为矿柱平均载荷量 , 守为上覆岩容 重 , 一“ 为开采深度 , 为矿房 宽度 , 乙 为矿柱宽度 , 矿柱安全系数 建立单一矿柱微单元力学分析模型, 如图 所 示 首先假设矿柱将沿某一倾斜面发生剪切破坏 , 根据应力分布在滑面的力或力矩平衡条件 , 在整个 滑动区域上搜索确定最危 险的滑动面和 安全系数 矿柱沿某一平面发生剪切滑动 的极限平衡条件为 丁 口之 “ 。 甲, 二、 。 沪, 城 一幻 式中 二为剪切力, 。为 内聚力 , 表示 垂直方 向受力 , 为内摩擦角 为沿滑 面阻力 , 为滑动力 , 沪 为滑面角 , 沪 为 。为静摩擦因数, 一般取 、 一口 ︶卜 十 矿柱高度, 为滑面中心到矿柱底部高度 , 丁止二间沙 丁丈奋日尸山 采场稳定性计算方法 矿柱承载计算 矿房被开采完后 , 维持采场围岩稳定的承载体 主要为矿柱 为了分析支承矿柱稳固与否 , 首先需 确定采场 围岩转移到矿柱上的载荷量 针对如何正 确计算矿柱所受载荷量, 国内外学者提 出了一些假 设和理论, 其 中矿柱面积承载理论应用最广 该理 论认为 矿柱所承受的载荷等于其所支撑的采空区 匕一 。一 了 — 。一一二 图 矿柱受力分析模型 一 将滑面 上的抗 滑力与滑动 力的 比值 定义 为矿 柱 的安全系数 , 因而可得矿柱安全系数条件 丁 通过上述分析可知 , 对于采用嗣后充填法开采 的矿 山, 其地质条件与矿岩参数一定时, 为了满足

第4期 徐文彬等：崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 419- 安全条件，任一阶段采用的矿房、矿柱极限尺寸是 法与充填法间预留了12.5m的隔离矿柱，矿房、 一定的.因此对于一些采用经验类比法得到的矿 矿柱宽皆为12.5m,矿块长度为50m,矿段划分 房、矿柱尺寸参数可用上述公式进行检验 -162.5、-175.0和-187.0m三分段，阶段高度37 3.3顶板安全厚度计算方法 m.矿体赋存于闪长岩与周冲村组地层接触带和靠 对于一些采用崩落法转阶段嗣后充填法采矿 近接触带的灰岩中，通过现场调查发现，矿段节理 的矿山，当上下两个阶段同时进行作业时，顶板 裂隙发育程度高，属构造型节理，如图4所示：刊矿 的稳定与否严重影响上下阶段作业人员、设备的安 石以磁铁矿为主，矿体粉化、泥化严重，并有较强 全：并且顶板一旦发生垮冒，很可能会导致与崩落 的高岭土化：部分采场存在粉矿带与块矿夹杂带， 法松散覆盖岩层贯通而引起重大灾害事故，如冲击 稳定性极差：开采过程中曾出现19#矿房顶板发生 气压、井下泥石流.因此，上下两阶段过渡层的厚 自然跨冒，高度延伸到-150m阶段，导致部分巷 度至关重要.对隔离层厚度计算的方法多种，目前 道跨塌到采空区，如图5所示 主要采用如下几种18-20. (1)普氏理论计算.普氏拱理论认为，矿房开采 完后形成的空区，其顶部围岩将形成自然拱、压力 拱和破裂拱，嗣后采场由于自身的稳定性发生变形 破裂，其空区破裂拱拱高可用如下公式表示： +htan a 45°. hp= (7) f 式中：hp为破裂拱高度，m;a为矿房宽度，m:h为 矿柱高度，m:0为矿岩内摩擦角，()：∫为矿岩坚 固性系数 图4地质构造痕迹 (2)厚跨比法.厚跨比法认为当采空区顶板为 Fig.4 Traces of the geologic structure 完整顶板时，其顶板的厚度T与其宽度W之比满 足条件7≥0,5时(1一般取1.2.则认为顶板是 安全的. (3)结构力学梁理论.按照结构力学梁理论进行 计算，即假定采空区顶板岩体是一个两端固定的平 板结构，上部岩体自重及其附加载荷作为上覆岩层 载荷，按照梁受弯考虑，以岩层的抗弯抗拉强度作 为标准，根据材料力学与结构力学理论，推导出矿 房空区顶板安全厚度： 8=0.25a2a+V0a2+8bka (8) 图5巷道破坏图 Gid Fig.5 Diagram of the broken roadway 式中：s为矿房空区顶板安全厚度，m:a为矿房宽 4.1 度，：y为顶部矿岩容重，kNm3;为顶部岩体 顶板安全厚度影响因素分析 拉应力，kPa;为顶板单位计算宽度，m:k为附加 将表3中相关的参数分别代入上述隔离层厚度 荷载，kPa 计算公式，得到了三种不同方法计算的顶板临界高 度和矿柱安全系数，如表4所示.从表中可以看出， 4应用实例 无论采用何种计算方法，矿柱越宽，顶板临界高度 以和睦山铁矿后观音山嗣后充填采场为工程 越低：厚跨比法得到的顶临界高度受矿房宽度变化 背景，采用建立的极限平衡公式、普氏拱理论和 影响大；三种方法计算的结果与和睦山铁矿12.5m 厚跨比法分析各因素对矿柱与顶板围岩综合稳定性 的隔离层相比，其采场顶板稳定性相对来说比较稳 的影响规律.后观音山矿段-150m以上采用崩落 定.图6(a)表示内摩擦角和坚固性系数一定时，破 开采，下部采用阶段盘区嗣后充填法开采，崩落 裂拱的高度与矿柱高、矿房宽间三维关系.由图可

第 期 徐文彬等 崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析 安全条件, 任一阶段采用的矿房 、矿柱极限尺寸是 一定的 因此对于一些采用经验类 比法得到的矿 房 、矿柱尺寸参数可用上述 公式进行检验 顶板安全厚度计算方法 对于一些采用崩落法转阶段嗣后充填法采矿 的矿 山, 当上下两个阶段同时进行作业 时, 顶板 的稳定与否严重影响上下阶段作业人员 、设备 的安 全 并且顶板一旦发生垮 冒, 很可能会导致与崩落 法松散覆盖岩层贯通而引起重大灾害事故, 如冲击 气压 、井下泥石流 因此 , 上下两阶段过渡层的厚 度至关重要 对隔离层厚度计算的方法多种, 目前 主要采用如下几种 `一 普 氏理论计算 普氏拱理论认为, 矿房 开采 完后形成的空区, 其顶部围岩将形成 自然拱 、压力 拱和破裂拱 嗣后采场 由于 自身 的稳定性发生变形 破裂 , 其空区破裂拱拱高可用如下公式表示 法与充填法间预 留了 的隔离矿柱, 矿房 、 矿柱宽 皆为 , 矿块长度为 , 矿段划分 一 、一 和 一 三分段, 阶段高度 矿体赋存于闪长岩与周冲村组地层接触带和靠 近接触 带的灰岩 中, 通过现场调查发现, 矿段节理 裂隙发育程度高, 属构造型节理 , 如图 所示 矿 石以磁铁矿为主, 矿体粉化 、泥化严重, 并有较强 的高岭土化 部分采场存在粉矿带与块矿夹杂带, 稳定性极差 开采过程 中曾出现 矿房顶板发生 自然跨 冒, 高度延伸到 一 阶段, 导致部分巷 道跨塌到采空区, 如 图 所示 夕、 万 九 ·七 目一 二 九。 — 式 中 。为破裂拱高度 , 。为矿房宽度 , 为 矿柱高度 , 为矿岩 内摩擦角, 。 为矿岩坚 固性系数 厚跨 比法 厚跨 比法认为当采空区顶板为 完整顶板时 , 其顶板 的厚度 与其宽度 之比满 足条件, , 未 下 时 肠一般取 , 一 '一” 一' ` 守 一 ' 、 “ 一 `' 一 , , 则” `认” 为`' 顶`'板少一是'一 安全的 结构力学梁理论 按照结构力学梁理论进行 计算 , 即假定采空区顶板岩体是一个两端固定的平 板结构, 上部岩体 自重及其附加载荷作为上覆岩层 载荷, 按照梁受弯考虑 , 以岩层的抗弯抗拉强度作 为标准 , 根据材料力学与结构力学理论, 推导出矿 房空区顶板安全厚度 图 地质构造痕迹 · 胆 训祖 “十 战 占 图 巷 道破 坏 图 式中 、 为矿房空 区顶板安全厚度, 为矿房宽 度 , 守为顶部矿岩容重 , 一” 、为顶部岩体 拉应力, 占为顶板单位计算 宽度 , 为附加 荷载 , · 应用实例 以和 睦 山铁矿后观音 山嗣后充填采场为工程 背景 , 采用建立 的极 限平衡公式 、 普 氏拱理论和 厚跨 比法分析各因素对矿柱与顶板 围岩综合稳定性 的影响规律 后观音 山矿段 一 以上采用崩落 开采 , 下部采用阶段盘区嗣后充填法开采, 崩落 顶板安全厚度影响因素分析 将表 中相关的参数分别代入上述隔离层厚度 计算公式, 得到了三种不同方法计算 的顶板临界高 度和矿柱安全系数 , 如表 所示 从表中可 以看 出, 无论采用何种计算方法, 矿柱越宽 , 顶板临界高度 越低 厚跨比法得到的顶临界高度受矿房宽度变化 影响大 三种方法计算 的结果与和睦山铁矿 的隔离层相 比, 其采场顶板稳定性相对来说比较稳 定 图 表示 内摩擦角和坚固性系数一定时, 破 裂拱 的高度与矿柱高 、 矿房 宽间三维关系 由图可