影响矿柱稳定性的因素较多,本次矿柱稳定性分析计算所考虑的影响因素主要有如下几项:
(1)矿柱受载大小;
(2)矿柱的高宽比;
矿柱宽高比大的矿柱稳定性好,常常以宽高比做为矿柱设计的主要指标。
(3)矿房的尺寸与矿柱尺寸;
矿房尺寸与矿柱分布应相互协调,矿柱的分布及尺寸宜保持均匀一致,否则尺寸小的或支护面积大的矿柱,可能先期破坏而将载荷转嫁于相邻矿柱,造成大面积垮塌。
(4)构造因素
对空场及矿柱中的结构面调查分析。
(5)矿体自身的强度:包括单轴抗拉强度和单轴抗压强度。
3.2 矿柱稳定性计算
矿柱的布置形式有两种,一种是连续条带式矿柱,另一种是不连续的断面为圆形或方形的矿柱;显然,研究矿柱的力学性能,正确进行矿柱设计,须解决作用于矿柱的荷载、矿柱中的应力分布和矿柱本身强度等问题。
3.2.1 矿柱的平均应力
矿柱的面积承载理论认为: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,该岩柱的底面积S即是按岩柱分摊的开采面积与矿柱自身面积之和,由此假设计算矿柱的平均应力。
图6-4列出了几种不同的矿柱布置方式中平均应力的计算公式。在所有情况下,σp值均用一个单独矿柱上岩柱的重量与该矿柱的平面图面积之比来表示。
图 几种典型的房柱法方案中矿柱的平均垂直应力
式中:r —岩石的单位重量;
z —埋藏深度;
Wo,Wp—分别为矿房和矿柱的宽度。
由于公式的前提假定,导致其计算结果要比实际载荷高40%(Hustrulid和Swanson,1981年)。但由于该种方法计算公式简单易行,成为全美最通用的矿柱载荷计算公式(Bieniawski,1984年),在其他国家也得到了较广泛的应用。
正确估算矿柱所受的载荷,是矿柱设计的关键步骤之一,对于如何计算矿柱所承受的荷载,国内外相继提出了一些假设和理论,除了上述面积承载理论外,还包括压力拱理论(北英格兰开采支护委员会,1930年;Holland,1963年;Woodruff,1966年)、有效区域理论(Rowlands,1969年;Richards,1978年; King,1970年)和Wilson理论(1972年)。
公共道路、机动车房:安全系数ks=1.5;
住宅、办公室、工业建筑:安全系数ks=2.0;
医院、学校、寺庙、水坝:安全系数ks=2.5。
根据XX经X矿的情况,对现有矿柱系统不考虑回收,由现有矿柱来保证上覆岩层及地表的长期稳定性,在评价现有实际状况的稳定性时,取安全系数2.0作为评价标准。根据矿柱稳定性计算结果,188m、173m和153m老采区矿柱的安全系数大于2.0,矿柱稳定;但现有新采区如采场结构参数布置不当,在长期风化和徐变作用下,有可能造成矿柱失稳,因此矿山应严格按设计的采场参数施工。
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