矿柱强度理论在群采空区稳定性分析中的应用

张培波，张 宝，李永辉

（1.新疆亚克斯资源开发股份有限公司，新疆哈密 839000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012）

·采 选·

矿柱强度理论在群采空区稳定性分析中的应用

张培波1，张 宝2，李永辉2

（1.新疆亚克斯资源开发股份有限公司，新疆哈密 839000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012）

根据采空区三维激光精密探测结果和3DMine矿业软件采空区建模数据，采用较为广泛的矿柱强度公式以及面积承载理论计算矿柱强度和矿柱载荷，求得留存矿柱的安全系数，据此评价采空区内留存矿柱的整体稳定性，并判断采空区的稳定性和安全隐患，对同类矿山采空区调查分析有借鉴意义。

采空区；激光探测；矿柱强度理论；安全隐患

某铁矿为一座具有采选能力的私营独资矿山企业，于1991年建矿，留矿法为该矿的主体采矿方法，经过11 a大规模开采，采空区规模不断增加，采空区潜在安全隐患增大，已严重制约矿山生产效益。为了保证安全生产，井下预留了大量的顶底柱、点柱作为安全矿柱，实际矿山贫损率近40%［1］。这些矿柱预留的合理与否，能否回收需要进行计算分析。

同时，随着生产水平的下移，矿山储量的消耗，空区群内矿柱回收提上了日程。加之矿山技术力量薄弱，施工技术水平和采矿工艺较落后，增加了矿山生产风险性，降低了企业综合效益。

因此，急需针对当前生产中不断增加的诸多问题进行专项研究，首当其冲的是对矿山井下采空区分布现状进行调查研究。

1 采空区分布情况

1.1 采空区激光探测

2011年对该矿进行现场调查研究，查看工程实测资料和采空区实测资料及图纸。针对该矿采空区群的形成时间、规模、大小、赋存形态、所处的构造和工程地质条件以及矿山井下生产情况，经过多方论证，最后确定采空区探测采用空区三维激光精密探测系统CMS（3D Cavity Monitoring System），采空区分布情况采用具有强大三维处理能力的矿业工程软件3DMine来完成三维建模分析［2］。

采空区三维激光精密现场探测及空间分布情况调查分三步：首先，采用CMS和全站仪测量获得的原始空区数据，用CMS自带软件进行数据格式转换；随后将该文件导入3DMine矿业软件，生成原始空区三维实体模型；最后，根据矿山生产矿长对空区现场的描述（在扫测空区时，激光常被存隆矿石、塌方废石、生产设备、人员等阻挡，扫描空区会有所失真），用3DMine软件进行空区的一系列重生成处理，建立完整、符合实际空区三维仿真模型，并统计分析采空区空间分布情况。

1.2 采空区三维数字建模

区内420、450、470中段矿体较缓，留有大量的圆形点柱，空区连通为一片（如图1所示），采空区及矿柱空间尺寸见表1。

2 采空区群稳定性分析

根据现场探测采空区、矿柱尺寸，采用应用较为广泛的Bieniawski于1981年推荐的矿柱强度公式以及面积承载理论计算矿柱强度和矿柱载荷，最后求得留存矿柱的安全系数，据此评价采空区内留存矿柱的整体稳定性，依此来判断采空区的稳定性［3～8］。

2.1 矿柱强度理论

矿柱强度计算公式：

表1 采空区及矿柱空间尺寸

式中：Sp为矿柱强度参数／MPa；σc为矿岩强度参数／MPa；Wp为矿柱的宽度／m；h为矿柱的高度／m；α为常数，当矿柱的宽高比大于5时，α＝1.4；当矿柱的宽高比小于5时，α＝1.0。

根据面积承载理论，矿柱所承受的载荷是其所支撑的顶板范围内直通地表的上覆岩柱的重力，该矿柱的底面积S即是按矿柱分摊的开采面积与矿柱自身面积之和，由此计算出矿柱的平均应力，采用下式计算：

式中：σp为矿柱平均应力／MPa；Ap为矿房面积／m2；As为矿柱面积／m2；γ为上覆岩层容重／kN·m－3；H为采深／m。

矿柱稳定性分析采用安全系数作为评价指标，其计算公式为：

考虑到留设的永久矿柱需要长期负载以保护空区顶板的稳定性，避免发生大规模地质灾害，为安全起见，可确定其许用的安全系数取值为3.0。

2.2 采空区群稳定性计算

根据前期对采空区群现场探测及三维立体建模，将该区空区划分为四个空区群计算对象（如图1所示），结合矿柱强度理论进行矿柱（采空区群）稳定性分析，留存矿柱安全系数计算结果见表2。

图1 A区空区群及留存矿柱分布

2.3 采空区群安全隐患辨识

从区内采空区群内留存矿柱的安全系数计算结果来看，大部分大于许用安全系数3.0，不同采空区群安全隐患如下：

1.420中段：采空区整体稳定性好。但现场发现顶板呈板状构造，由于高度大，极易发生小规模的顶板冒落，空区内作业非常危险。

2.450中段：采空区整体稳定性好。采空区分布分散、规模小，且顶板比较完整，发生顶板冒落的可能性较小。

3.490中段：采空区整体稳定性好。不易发生大面积顶板冒落。

4.520中段：采空区整体稳定性不好。采空区高度大，分布集中，矿柱稳定性整体很差，极易发生顶板冒落、矿柱压裂、崩塌，容易发生大面积冒落。

表2 留存矿柱安全系数计算结果

3 结 论

根据采空区三维激光精密探测结果和3DMine矿业软件采空区建模数据，采用较为广泛的矿柱强度公式以及面积承载理论计算矿柱强度和矿柱载荷，评价采空区内留存矿柱的整体稳定性。

计算结果来看，大部分大于许用安全系数3.0。其中，420中段、450中段、490中段采空区整体稳定性好，不易发生大面积顶板冒落；520中段采空区整体稳定性不好，采空区高度大，分布集中，矿柱稳定性整体很差，极易发生顶板冒落、矿柱压裂、崩塌，容易发生大面积冒落。

［1］ 张宝，李向东.某矿山复杂空区群稳定性分析及安全隐患辨识研究报告［R］.长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2012.

［2］ 张宝，李向东.某矿山空区精密探测及三维建模研究报告［R］.长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2012.

［3］ 罗周全，鹿浩，袁节平，等.CMS辅助金属矿山采空区回采技术研究［J］.有色金属（矿山部分），2008，60（6）：16－18.

［4］ 张宝，李向东，周益龙，等.复杂采空区群处理及隐患资源回收综合技术研究［J］.矿业研究与开发，2014，34（4）：16－20.

［5］ 李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判［J］.采矿与安全工程学报，2006，23（1）：24－28.

［6］ 张宝，李永辉，文兴，等.黄山铜镍矿厚大矿床矿岩可崩性研究［J］.矿业研究与开发，2015，35（7）：1－4.

［7］ 王啟明，徐必根，唐绍辉，等.我国金属非金属矿山采空区现状与治理对策分析［J］.矿业研究与开发，2009，29（4）：63－68.

［8］ 徐必根，王春来，唐绍辉，等.特大采空区处理及监测方案设计研究［J］.中国安全科学学报，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

张培波（1966－），男，工程师，主要从事矿山开采及安全管理工作。