礦柱尺寸計算荷載理論

壓力拱理論最早由北英格蘭開采支護委員會在1930年到1954年之間提出。用該理論設計礦柱時，根據(jù)上覆巖層的厚度來確定礦柱尺寸。

由于空區(qū)上方壓力拱的形成，上覆巖層負荷只有少部分(開采層面與拱周邊之間包含的巖層重量)作用到直接頂板上，其它覆巖重量會向采區(qū)兩側(cè)實體巖體(拱腳)轉(zhuǎn)移。認為最大壓力拱形狀是橢圓形，其高度在采面上、下方分別是采面寬度的2倍 。2100433B

1970年，格羅布拉爾把礦柱核區(qū)強度與實際應力聯(lián)系在一起，從而確定核區(qū)內(nèi)不同位置的強度。該方法比較重視礦柱尺寸和形狀，并認為礦柱核區(qū)各處強度不相等，核區(qū)平均應力即使高于極限值，由于破裂顆粒之間的內(nèi)摩擦，也不會導致礦柱徹底破壞，但可能導致核區(qū)與頂、底板的連接性能降低，也可能引起礦柱突出或頂、底板在礦柱邊緣附近出現(xiàn)超限移動 。

Bunting公式。在美國，為了計算礦柱強度、設計礦柱尺寸，早在1907 年Danieis 和Moore對煤巖試塊進行強度試驗后，發(fā)現(xiàn)試塊的尺寸越大其強度越??；試塊寬度不變的情況下，高度越大其強度也越小。1911年Bunting將這兩種現(xiàn)象分別稱為“尺寸效應”和“形狀效應” 。

礦柱的抗壓強度一般不是直接測出，而是通過對不同尺寸的小型巖體試塊進行強度試驗后推算出來的。推算時要考慮的因素和推算方法是：礦柱尺寸可按試塊尺寸與強度的關系曲線將礦柱當作大試塊推算出礦柱的抗壓強度。礦柱支撐上覆巖層的時間長時，堅固巖石強度降低為80-70%。中等堅固以下巖石則降低為60%-40%。礦柱中的結(jié)構(gòu)面可根據(jù)無結(jié)構(gòu)面的巖體試塊和結(jié)構(gòu)面的表示剪應力與壓應力關系的強度曲線推算有結(jié)構(gòu)面巖體的強度。

采用巖體工程有限元法等數(shù)值模擬計算方法，可以更精確地確定礦柱尺寸 。

礦柱尺寸計算(calculation of pillar size)是指按礦柱的平均應力是否超過礦柱的許用抗壓獲強度來確定礦柱尺寸的計算方法。用空場采礦法開采緩傾斜礦體時用礦柱支撐上覆巖層；用空場采礦法開采傾斜或急傾斜礦體時，用間柱作為支撐上下盤巖體的主要構(gòu)件 。

在理想的狀態(tài)下，間柱、頂?shù)字幕夭墒┕c礦房回采同步，以保證在礦房回采結(jié)束后，及時回收礦柱。但在實際生產(chǎn)中，由于關系到生產(chǎn)的接續(xù)、生產(chǎn)安全及人員短缺等問題，往往是礦柱回收滯后于礦房的回采。由于礦柱回采的滯后，當?shù)V房內(nèi)的礦石出空后，礦柱就成為安全隱患，這時如果不及時進行頂?shù)字伴g柱回采施工，極易出現(xiàn)安全事故。在爆破順序上，如果間柱的爆破遲于頂?shù)字?，必然導致巖石混入率加大，影響回收質(zhì)量和回采率，因此間柱、頂?shù)字谋剖┕ひ瑫r進行。

為保證絕對安全，對于淺孔留礦法頂?shù)字幕厥帐┕撆c淺孔采礦同步，否則在礦房采礦結(jié)束后對頂?shù)字M行回采施工，使人員在采空區(qū)上部作業(yè)，存在極大的安全隱患。因此，在進行人行天井施工的同時，須進行間柱回采施工；在礦塊進行切割與淺孔采礦的同時，進行頂?shù)字幕夭墒┕?。這樣，在淺采結(jié)束后，就可以對間柱與頂?shù)字瑫r進行爆破落礦，從而避免了人員在空區(qū)上部作業(yè)，保證施工安全。同時，這種回采順序不僅能有效地保證出礦產(chǎn)量，更保證了礦石質(zhì)量。

國外金屬礦山應用房柱法回采比較多。原蘇聯(lián)的馬格涅季特鐵礦礦山工業(yè)場和高山機械廠在地下有6000多萬噸的保安礦柱儲量，回采使用的采礦方法是房柱法嗣后膠結(jié)充填，這樣既能夠保證工業(yè)場地穩(wěn)定，同時也能成功回采保安礦柱；前蘇聯(lián)茲良洛夫礦在殘留礦柱的二次回采上使用的是振動出礦技術，房間礦柱和頂柱向采空的礦房崩落，同時振動放礦機出礦，這會有益于對殘留礦柱的回采；美國馬格蒙特礦為了對礦柱中的高品位礦石成功回采，采取了錯索支撐保護大約27m的礦房跨度；墨西哥的格雷羅礦則同時回采礦柱和進行采空區(qū)充填作業(yè)，最終成功回收得到高品位礦石；加拿大湯普森礦也取得一定的成果，垂直礦塊采礦法（VBM）被使用，進行對房間礦柱大量崩礦回收，并且采用圓木假頂護頂；羅德礦，地處加拿大，采用圓木假頂護頂，在高應力錯索支撐的護頂?shù)谋Ｗo之下，回收礦柱頂柱，創(chuàng)造了一個非常安全的作業(yè)環(huán)境。

日本在礦往回采的安全管理研究上同樣作了許多工作，分析回采礦柱及圍巖的相關有限元分析結(jié)果，在礦柱回采中，對殘留礦柱及空區(qū)圍巖兩者周圍的壓力及變形進行多次監(jiān)測，使用的主要監(jiān)測裝置有：位移計、壓力盒及聲發(fā)射裝置，實時監(jiān)測，再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，放入礦山生產(chǎn)指導工作中；俄羅斯研究者在西賓斯克憐礦高水平構(gòu)造應力礦區(qū)關于有沖擊地壓危險的礦塊礦柱回采方面也收獲了一定的寶貴成果，比如如何合理正確的選擇礦塊及礦柱的分布位置、推進方向、進行局部卸載、設置合理的卸壓區(qū)及加強必要的支護等。圖1是國外一些礦山充填礦房及其礦柱回采概括。

我國有許多擁有多年開采歷史的礦山，不同種類礦床采用了不同回采礦柱方法，提供了有價值的經(jīng)驗參考。開采緩傾斜及傾斜中厚礦體方面，貴州隸礦、荊襄劉沖磯礦、新冶銅礦等采用人工巖柱支撐法，回采礦房內(nèi)礦柱，并用中深孔或淺眼來抽采局部礦柱等方式來回采全面法、房柱法的礦塊礦柱，從而極大地增加了礦床回采率。其中貴州萬山礦區(qū)效果顯著，隸礦回采率高達95%。厚礦體開采中，獅子山銅礦、銅官山銅礦、壽王墳銅礦、大吉山鶴礦、赤馬山銅礦等十幾個大中型礦山在回采礦柱上大量采用崩落法，回收得到大量礦柱，為完善礦床開采順序，實現(xiàn)采礦計劃有著重要意義，并提供了寶貴的實際經(jīng)驗。

上個世紀五十年代，銅官山鋼礦為了更好的提高礦柱的回采率隊及回采強度而采用有底柱分段崩落法回采礦塊間柱和頂?shù)字?。從走十年代開始，礦柱回采中開始應用充填法。凡口鉛巧礦回收間柱及頂?shù)字鶗r采用尾砂礦柱；柏坊銅礦在由于具備復雜的采礦技術條件和較大巖層壓力，所W使用了膠結(jié)充填法來回采礦柱；銅山銅礦為了實現(xiàn)保護露天采礦場的目的，在礦柱回收上采用膠結(jié)礦柱，在礦房回收上使用尾砂礦柱的方式。金川鎮(zhèn)礦則在下向分層膠結(jié)礦柱的應用上取得一定的成功。圖2是國內(nèi)一些礦山用空場法回采充填礦房間柱的簡況。

可以看出，國內(nèi)普遍使用上向膠結(jié)充填法進行礦柱的回采。

在礦田之間、露天開采與地下開采之間所留的隔離礦柱的總稱。留設境界礦柱的且的是防止相鄰區(qū)域不受采空區(qū)周圍高應力的影響，使各區(qū)域能獨立面安全地開采白它的尺寸隨礦巖性質(zhì)，構(gòu)造發(fā)育程度，礦體賦存條件、開采深度、開拓和采礦方法，地壓控制技術、回采工藝和管理水平而變化、一般由設計者對這些因素進行綜合分析后，根據(jù)實踐經(jīng)驗確定 。