１４６ 夯域差舛ｌ技 ２０１０年第４期 大汶口石膏矿区稳定矿柱留设技术研究 李树伟 （山东鑫国煤电有限责任公司汶阳石膏矿，山东肥城２７１６０６） 摘要房柱式开采能依靠矿柱有效地支撑顶板，保持矿房的完整性，从而严格地控制上覆岩层的移动和地表下沉。 关键词大汶口矿区矿柱 留设技术 中图分类号ＴＤ８７６ ．１ 文献标识码Ａ Ｄａｗｅｎｋｏｕ ｇｙｐｓｕｍ ｍｉｎｅ ｓｅｔ ｔｏ ｒｅｍａｉｎ ｓｔａｂｌｅ ｐｉｌｌａｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌｉ ｓｈｕ Ｗｅｉ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｃｏｕｎｔ￣Ｃｏａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｘｉｎ Ｗｅｎ Ｙａｎｇ Ｇｙｐｓｕｍ Ｍｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｉｍｓｔ￣ｏｆ Ｐｌａｎｎｉｎｇ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｒｏｏｍ ａｎｄ ｐｉｌｌａｒ ｍｉｎｉｎｇ ｃＫｎ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｒｉｃｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｄａｗｅｎｋｏｕ ｍｉｎｅ ｆｉｌｌｒａ Ｓｔａｙ ｓｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 目前，大汶口石膏矿区均采用房柱式回采，采空 决定着整个开采过程中矿柱的支撑状况即巷道和矿房 区上覆膏岩层仅依靠留设的矿柱支撑。随着开采范围 的矿压显现。 的不断加大，开采膏层数目的不断增多，矿柱承受上覆 １．１．１ 矿柱载荷 膏岩层的压力也越来越大。 确定矿柱的合理尺寸，必须要考虑矿柱将要承受 １ 技术原理 的载荷。３Ⅱ膏层最大埋深３２０ｍ，用简单的辅助面积理 论可以确定矿柱上的载荷ｑ。 矿柱的失稳是造成房柱法回采矿山地压活动的重 ｑ＝ｙｄ（ａ＋ｃ）（ａ＋６） 要因素之一，矿房支护结构设计的理论依据主要是围 式中： 一上覆岩层平均容重，２２９１ｋｇ／ｍ ； 岩压力。矿房的支护结构既可以是矿房周边的围岩 ａ一矿房的宽度，４ｍ； 体，又可以是矿房周边的人工支护结构。因此，岩体是 ｂ一矿柱的长度，５６ｍ； 作为支护结构的一个组成部分而存在的，为了发挥岩 ｃ一矿柱的宽度，５ｍ； 体自身的结构作用，在设计时应采用能保护好岩体的 ｄ一直接顶厚度，２．７ｍ。 方案以减少支护费用。这样，在硐室开挖完成后，岩体 即：ｑ＝２２９１ Ｘ２．７ Ｘ（４＋５）×（４＋５６） 仅依靠自身的强度就能维持其硐室的稳定性。 ＝３．３４ＭＰａ １．１ 矿柱宽度计算 １．１．２矿柱的平均应力 矿柱的作用在于承受矿房上部载荷。矿柱的尺寸 ｏｒＰ＝（１＋ ａ）×（１＋ ｂ× ， 十收稿日期：２０１０—０３—１８ 式中： 一深度为日的地层内开掘前的原始应力， 作者简介：李树伟（１９８２一），男，毕业于山东科技大学采矿工程专 ＭＰａ 业，本科，水文地质助理工程师，注册安全工程师，现在山东鑫国煤电 有限责任公司汶阳石膏矿技术计划部从事水文地质、通防管理工作。 紧力过小，则锚索的悬吊作用不明显，一旦锚杆不能有 放入一支快速药卷，用螺纹钢锚杆将其送入孔底，开机 效的支撑围岩，则围岩的过大变形不可避免。因此，应 后边搅拌边向孔底推进，直到锚杆接触孔底再转机ｌＯｓ 将锚索预紧力设计与锚杆的受力相适应，在实践过程 为止。 中，顶板锚杆锚固力在１５０ｋＮ，因此设计锚索的预紧力 （５）帮锚杆每孔中放一支超快速树脂药卷，再放 为１２０—１５０ｋＮ较为合适。 人一支快速药卷，用锚杆将其推入孔底后开动煤电钻， （１）锚杆钻孔位置与设计误差不超过－Ｉ－５０ｍｍ； 边搅拌边向孔底推进，直至锚杆接触孔底再转动１５ｓ （２）顶锚杆钻孔深度小于锚杆长度０．１ｍ； 为止。 （３）锚杆钻孔角度与设计角度误差小于士５。； （６）顶锚杆螺母预紧力矩不得低于５００ Ｎｍ，帮锚 （４）顶板每一钻孔中先放入一支超快速药卷，再 杆的螺母扭紧力矩不得小于３００Ｎｍ。 ２０１０年第４期 东 晨舛ｌ技 ０＝０．４３ｍ １４７ 矿柱的应力不是平均分布的。矿柱四周边缘部 分，当其刚刚暴露时，存在很大的集中应力。因而常超 过该处矿层强度而导致矿柱边缘部分破坏，随之集中 应力向矿柱内部转移。显然在此应力作用下部分矿柱 将承受屈服。若矿柱尺寸较小，矿柱两侧屈服区合二 ｒＰ＝２ｘｏ＋（１～２）＝２×０．４３＋（１～２） ＝１．８６～２．８６ｍ 即矿柱宽度至少应保持２．０２～３．０２ｍ才能维持矿 柱的稳定性，为防止因剥蚀劈裂、流变破坏，而缩小矿 为一，则集中应力将转移到相邻矿柱或矿体中去，使此 矿柱获得某种程度的卸载。同时，位于采空区边缘的 矿柱，除了前述支撑范围的顶板压力，还要承受由于回 柱宽度，生产过程中，矿柱宽度取５．０ｍ。 １．２矿柱强度计算 矿柱的强度是确保房柱式采矿安全和经济性的关 采而产生的支撑压力。 因此，矿柱中形成了两个区域：（１）矿柱周边形成 的塑性区；（２）在矿柱中心部分被塑性区所包围未受 扰动的柱核区。在塑性区，矿柱遭到不同程度的破坏 及产生一定的流变，但由于塑性区的约束和支撑压力 区较高的侧压力的作用，提高了柱核区的强度。从而 使柱核区基本上处于弹性变形状态。在柱核区内矿体 的强度可以表示为： ＝ ０＋ ３×郄 式中：ｏｒ。一石膏的抗压强度； ，一作用在矿柱上的侧向压应力； 一三向应力系数， ＝ｉ１ ＋ｓｉｍｐ； 一石膏的内摩擦角。 塑性区宽度为 。， ‰ｎ＝——＝＝＝———————一：＿＝ 一．ｆｎ 。￡ｎ一 、，／ ・（ 一１） ＿．一． ｋ—ｊＴＨ ：—：＝－ —￣／ 。（ 一１） ６ 式中．ｏｒ 一矿柱周边的抗压强度； 墨一支撑压力峰值处的应力集中系数，取２—３； ｈ一矿房高度，取４．５ｍ。 为保持矿柱的稳定性，防止矿柱破坏。应保证有 一个稳定的柱核区的存在，即： ＝２％十（１—２）ｎｌ 据试验报告，３Ⅱ膏层的内摩擦角 ＝４０。２１ ，因此 ＝ ＝４．６７ １一 ‘，‘ 应力集中系数ｋ．取３。 则矿井矿层采用柱式方式回采时矿柱宽度计算如 下： 矿柱周边的抗压强度取试验数值的最小值，即ｏｒ ＝９．４４ＭＰａ。埋深日＝３２０ｍ膏层的原岩应力： ｏｒｙ＝ｙｎ＝２．２９１×１０’ｘ３２０ ｘ９．８＝６．７４ＭＰａ 即：‰：－－＝ Ｌ． 。，／ｔｇ＃・（ｔｇ＃一１） ｏｒｂ ４．５ ．３×６．７４×１０ ＝——＝＝＝＝■————————一ｆ丽．（４．６７—１） ‘‘ｎ—————————－ ９．４４ ｘ １０。 键。当矿柱宽度为５ｍ时的矿柱强度为： ＝ （０．６４＋０．３６÷），‘ 式中．ｏｒ 一临界立方体试样单轴抗压强度，ＭＰａ； ｃ一矿柱宽度，ｍ； ＾一矿柱高度，ＩＴＩ。 为常量， 取１．０。 即： ＝３０（０．６４＋０．３６÷）叶 ３２．７ＭＰａ 在埋深３２０ｍ情况下，最大载荷为３．３４ＭＰａ，小于 矿柱所能承受的载荷。安全系数在２．０以上，根据计 算结果，矿层留设５．Ｏｍ宽的矿柱是稳定的。 ２安全技术措施 （１）保证矿房矿柱成形，防止随着采空面积不断 增加局部应力集中。 （２）合理设置井上、下矿压观测网。井上下测定 要同步协调，及时分析井上下观测数据。 （３）及时测量、记录、填图，提高测量精度。 （４）必须及时排除采空区积水，防止积水长时间 浸泡矿柱，影响矿柱的稳定性。 （５）加大采空区监控治理投入，及时落实封堵措 施。防止采空区坍塌时冲击波破坏轨道上下山，从而 确保出口安全畅通。 （６）水文地质条件复杂，特别是存在流沙层、矿层 上部存在厚层含水灰岩时，要完善排水系统和探放水 制度。防止采空区大面积坍塌，造成透水事故。 （７）对目前正在施工的矿房和巷道，施工中必须 严格执行探顶探底制度，留足护顶、护底膏，防止由于 顶膏厚度不足造成上覆岩层垮落。 ３ 结束语 通过合理确定矿柱宽度、顶底膏厚度等安全技术 措施，可以防止矿柱剥蚀脱落现象的发生，矿柱稳定性 大大增强，可以防止采空区顶板大面积垮落及地面大 面积塌陷事故的发生。确保国家和人民群众生命财产 安全。经济和社会效益非常明显。
