石膏矿矿柱稳定性分析及试验研究

彭 斌，陈才贤，杨军伟

(六盘水师范学院， 贵州六盘水市 553004)

石膏矿矿柱稳定性分析及试验研究

彭 斌，陈才贤，杨军伟

(六盘水师范学院， 贵州六盘水市 553004)

通过岩石力学试验，运用Hoek－Brown准则及Roclab软件得出石膏矿岩体的力学参数。基于矿柱上的荷载、矿柱中的应力分布和矿柱自身强度的计算方法，得出某石膏矿山条形矿柱的安全系数为1．5～2．0。根据Bieniawski的面积承载理论和强度计算公式，采用反分析法对矿柱进行稳定性分析。结果表明，在开采深度为130 m时推荐的采场结构参数为:条形矿柱宽度≥6 m，矿房跨度≤10 m，矿房高度≤10 m。整个分析过程简单可靠，可以为石膏矿矿柱稳定性分析提供参考。

岩石力学试验;Hoek－Brown准则;矿柱设计;稳定性分析

目前，我国石膏矿山多采用房式采矿法开采，留设矿柱维护井下采空区的稳定［1～4］。矿柱尺寸留设的过小，会造成顶板失稳［5］，导致冒顶甚至地表沉陷;反之，势必造成资源的浪费。因此，合理的矿柱尺寸，是保证安全生产、资源回收的前提。本文结合湖南某石膏矿的实际，运用岩石力学的研究方法探讨石膏矿矿柱的留设及其稳定性。

1 矿山概况

湖南某石膏矿山生产为5万t/a，矿山服务年限为10 a，采用斜井开拓。采矿方法为房式采矿法，水平分层开采。

采区内矿体(矿层)产于下第三系古新统第二段上部紫红色泥质粉砂岩中。矿体呈层状产出，层位稳定，产状平缓，矿体总体走向为北东、南西向，倾向北西。矿层倾角10°～15°，与岩层产状一致。开采深度为+3．0～ －34．0 m，地表高度约为100 m，则平均采深为110 m左右，矿层厚为13．39 m，品位63．07%。

2 岩石力学试验

试样为完整性较好的石膏矿岩块，直径为Ф50 mm左右，高径比约为2∶1。在全数字型液压伺服刚性岩石力学试验系统(MTS－815型)上进行单轴抗压、抗拉试验。

2．1 单轴抗压试验

图1～图5为单轴压缩的应力－应变曲线，图6为经整理后的试样单轴压缩条件下的载荷－位移曲线。单轴抗压试验数据结果见表1。

图1 石膏矿应力－应变曲线(HY1－1)

图2 石膏矿应力－应变曲线(HY1－2)

图3 石膏矿应力－应变曲线(HY1－3)

图4 石膏矿应力－应变曲线(HY1－4)

图5 石膏矿应力－应变曲线(HY1－5)

图6 石膏矿载荷—位移曲线

表1 单轴抗压强度试验结果

2．2 单轴抗拉试验

各试样的抗拉强度结果见表2。

表2 围岩劈裂抗拉参数设定值

3 矿岩力学参数的确定

(1)试验结果的统计处理。采用Hoek－Brown导出岩石破坏时的主应力之间的关系式:

式中，σ1——破坏时的最大主应力;

σ3——作用在岩石试样上的最小主应力;σc——试样中完整岩石的单轴抗压强度;

mi——岩块经验参数，反映岩石的软硬程度;si——岩体经验参数，反映岩体破碎程度。mi、si值可由以下方法确定:

(2)岩体力学参数的确定。根据广义Hoek－Brown(2002)［6］提出的岩体破坏经验准则:

式中，σ'1——岩体破坏时的最大主应力;

σ'3——岩体破坏时最小主应力;mb——岩块材料参数mi折减值;

σci——完整岩石试件的单轴抗压强度;

s，α——岩体材料参数。

岩体的mb、s和α可由Bieniawski的岩体分类RMR值和以上计算的mi值来确定。式中，D——应力释放对岩体扰动程度的系数;

GSI—地质强度指标。

根据岩体的mb、s和α值，应用下列公式估算受矿山采动影响下岩体的单轴抗压强度和抗拉强度:

根据Hoek－Brown准则估计岩体磨擦角φ和内聚力c:

根据现场工程地质调查，取GSI=90，根据室内岩石力学参数试验结果，采用Roclab软件进行计算，计算结果见图7，选取的力学参数见表3。

表3 矿岩体介质的力学参数

图7 石膏力学参数计算分析

4 矿柱稳定性分析

4．1 安全系数的确定

(1)矿柱载荷计算。根据我国大多数石膏矿的生产实践，一般应留设条形矿柱。根据Bieniawski的面积承载理论，计算条带式矿柱的平均应力:

式中:γ——岩石容重;

z——埋藏深度;

Wo，Wp——分别为矿房和矿柱的宽度。

(2)矿柱强度计算。Bieniawski与Van Heerden通过对南非Witbank煤柱试件的大规模原位测试求出的煤柱强度计算公式如下:

式中:Sp——矿柱的强度，MPa;

SL——矿柱平均抗压强度，MPa;

Wp——矿柱的宽度，m;

h——矿柱的高度，m;

α——常数。

取开采深度为130 m，通过上述公式进行计算，得出安全系数为 1．5 ～2．0。

4．2 矿柱稳定性分析

该矿的采场尺寸为:条形矿柱宽度为6～8 m，矿房跨度8～10 m，矿房高度8～10 m。本次稳定性计算采用反分析方法。根据Bieniawski推荐的煤柱强度设计公式及矿柱载荷计算公式(17)计算矿柱结构的安全系数。

目前的开采深度为130 m左右，条形矿柱宽度6 m，矿房跨度10 m，矿房高度10 m，矿柱的安全系数为:

所得安全系数＞1．5，满足长期稳定性的要求。

采用同样的计算分析方法，当开采深度为160 m时，推荐的采场结构参数为:条形矿柱宽度≥8 m，矿房跨度≤10 m，矿房高度≤10 m，矿柱的安全系数为1．6。当开采深度为190 m时，推荐的采场结构参数为:条形矿柱宽度≥10 m，矿房跨度≤10 m，矿房高度≤10 m，矿柱的安全系数为1．64。

5 结论

通过岩石力学实验，运用Hoek－Brown准则及Roclab软件得出石膏矿岩体的力学参数。根据Bieniawski的面积承载理论和强度计算公式，采用反分析法对矿柱进行稳定性现状分析。该石膏矿目前的开采深度为130 m，条形矿柱宽度为6～8 m，矿房跨度8～10 m，矿房高度8～10 m，稳定性分析表明，目前矿柱的安全系数大于1．5，能满足长期稳定性的要求。整个分析过程简单可靠，可以为石膏矿矿柱稳定性分析提供参考。

［1］ 李 明，郑怀昌，王洛强．厚大石膏矿体回采工艺研究与设计［J］．非金属矿，2007，30(5):51 －53．

［2］ 李 明，郑怀昌，刘志河，等．石膏长期强度对采空区稳定性的影响分析［J］．化工矿物与加工，2010，(2):21 －23．

［3］ 廖汶景．石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析［J］．采矿技术，2009，9(3):52 －53．

［4］ 王宏岩．辽阳石膏矿矿柱稳定性分析［D］．阜新:辽宁工程技术大学，2008．

［5］ 柴 炜，饶运章，黄奔文．地下大面积采空区失稳研究［J］．中国矿山工程，2008，37(3):27 －30．

［6］ 黄高峰．Hoek－Brown强度准则在岩体工程中的应用研究［D］．杨凌:西北农林科技大学，2008．

2010－06－29)

彭 斌(1983－)，男，湖南株洲人，硕士，主要从事岩石力学和矿井通风研究工作。