[发明专利]一种多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法

说明书

技术领域

本发明属于矿物采掘技术领域，具体涉及一种失稳临界厚度判定方法简单、水平矿柱回收安全、回收率高的多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法。

背景技术

近年来，水平分层充填采矿法（上向/下向）多采用沿矿体水平全断面开挖，机械化大盘区、无矿柱连续布置以及双中段甚至多中段同时回采的模式得到广泛应用。在双中段或者多中段同时回采且进路充填无法接顶时，水平矿柱必然会动态形成。水平矿柱是矿柱中较典型的一种，起到承载采场及空区的作用，能够确保采场及空区的稳定性。过去几年中，部分矿山在开采过程中出现了水平矿柱，如金川二矿区、金川龙首矿、武山铜矿、凤凰山铜矿、安庆铜矿等。

金川二矿区采用多中段大面积连续开采工艺，其采矿方法为机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法，且盘区间不留矿柱。随着开采深度的增加，巷道变形问题突出，在回采1150m中段1198m分段最后两个分层和整个1178m分段时，分层联络道和进路内充填体出现大面积脱层，进路变形问题突出，进路底板矿石松散破裂，给二矿区带来了巨大的经济损失。2009年，中南大学对于金川二矿区多中段同时回采时采空区及地表的变形规律做了研究，主要针对连续回采模式和两步骤回采模式，研究了二矿区水平矿柱的变化规律，并从岩石突变理论的角度解释了地表变形的规律及其原因。但是，并未提出针对水平矿柱失稳临界厚度的判定技术。

安庆铜矿为确保高中段回采安全，在-385～-400m之间留设了15m厚的水平矿柱，随开挖和充填深度的增大，留设的矿柱量也越来越多，造成了严重的资源浪费，为了研究针对水平矿柱的回收方法，廖伟成结合工程实际情况，模拟分析了多种回采方法，主要从安全性和回收效率进行考虑，最终选择上向进路分层充填法进行回采。仅考虑了水平矿柱回收方法，并未分析预留的水平矿柱厚度是否合理。

此外，龙首矿岩体复杂破碎，为研究其贫矿体大面积开采过程中预留30m厚度的水平矿柱能否保证地表及井下采场结构的稳定，吴爱祥等采用尖点突变理论对龙首矿预留水平矿柱的稳定性进行了分析，并利用SURPAC、ANSYS以及FLAC 3D等三维数值模拟软件对矿柱的稳定性进行了研究。通过GPS地表监测，验证了理论计算与数值模拟结果的可靠度。提出及时充填且保证充填接顶率，水平保安矿柱厚度为30m时便不会出现突变失稳破坏。但研究结果只针对特定厚度水平矿柱稳定性进行判定，无法计算矿柱临界厚度。

另外，在分析水平矿柱回采过程最有可能失稳方式的基础上，李奇等基于小变形薄板理论将采场顶板简化成薄板结构，通过对水平矿柱的受力分析并结合其赋存条件，将单个水平矿柱采场回采后的状态简化为四边固支薄板，通过李兹法求解其挠度表达式，结合极限平衡强度理论，分析采场跨度和预留安全厚度的关系，其成果为安全回采水平矿柱提供理论依据。但是，当水平矿柱尺寸不满足薄板结构时，其研究结果失真。

矿产资源是不可再生资源，珍惜有限的矿产资源对于我国国民经济发展具有极其重要的意义。资源的浪费，不仅是导致资源问题的根源，也是产生其它危机，如经济、环境和稳定等问题最重要的原因之一。因此，如何准确的判定水平矿柱的失稳临界厚度，将对矿山安全的对水平矿柱进行回收，从而最大限度的回收水平矿柱，减小资源浪费，有效延长企业服务年限具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种失稳临界厚度判定方法简单、水平矿柱回收安全、回收率高的多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法。

本发明的目的是这样实现的：包括矿岩体物理力学测定、水平矿柱测量、最大拉应力计算、失稳临界厚度判定步骤，具体包括：

A、矿岩体物理力学测定：截取待开采水平矿柱的部分矿体作为样品，测定样品的体密度、泊松比、抗拉强度极限；

B、水平矿柱测量：测量待开采水平矿柱延矿体走向的长度a及垂直矿体走向的长度b，初步确定开采时水平矿柱的最小保留垂直厚度h；

C、最大拉应力计算：计算水平矿柱受到的最大拉应力

其中：q0为水平矿柱顶端介质载荷，g为重力加速度；

D、失稳临界厚度判定：当时，此时水平矿柱的最小保留垂直厚度h为失稳临界厚度。