专利名称：一种应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法
技术领域：
本发明涉及一种在高应力区的井下矿柱应用泄压预裂缝转移应力实现矿柱保护的方法，主要适用于井下空场采矿法矿山的应力破坏型矿柱的保护，尤其是适用于高应力压溃与拉裂型破坏矿柱的保护。
背景技术：
在金属矿井下空场法采矿的生产过程中，由于受到原岩地应力和生产爆破采动应力共同影响下的应力重分布作用下，井下采场的支撑矿柱上形成大量的应力集中和高应力区域，使得矿柱出现大面积应力作用的破坏，主要表现在高应力的压溃破坏、矿柱的拉裂剥离破坏和剪切破坏等破坏形式，这种破坏形式的产生将极大影响采场的矿山生产安全，降低井下采场的安全系数，并随着采矿过程的推进，应力集中和高应力的表现愈加突出，进而产生全矿柱的整体破坏，产生灾害性的矿难事故。因此，在井下矿山生产作业采场的矿柱必须采取措施进行保护，确保井下矿山的生产安全。目前，矿柱的保护中主要是借鉴外力的喷锚网支护技术进行，这种支护在一定程度上可以实现矿柱的安全稳定和减少矿柱的破坏。喷锚网支护的主要技术特点，即利用锚杆进行矿柱碎裂块体的整体锚固支护，利用喷射混凝土和挂网实现矿柱表层的剥离控制， 以及喷射混凝土的应力改善的作用。但这种保护措施存在的问题是采动和原岩应力共同作用的力学过程仍然存在，矿柱处于的高应力环境和剥离的、压溃和剪切破坏的力学行为仍然对矿柱产生作用，是一种被动式的防护技术措施，并且在应力破坏下，难以采用锚杆形成锚固体进行加固。同时，这种保护措施的施工成本高，工序多复杂，控制难度大。其他的办法包括采用人工的矿柱进行原岩矿柱的更替，形成以刚制刚的作用效果，其成本和支护工艺更加复杂，难以达到井下矿山安全开采中的矿柱破坏控制和保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种施工成本低，工序简单，控制难度小的应力转移型、主动自承载的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法。为了解决上述技术问题，本发明提供应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，空场采矿法回采后，在矿柱与顶板的接触部位形成卸压预裂缝，所述的卸压预裂缝的尺寸参数为开缝高度h≤O. 2m,开缝深度b e [O. 2m, Im]。卸压预裂缝在顶板与矿柱的接触部位的矿柱中。所述的矿柱的宽度B ≤3m时，所述的卸压预裂缝的开缝深度b取O. 2m，所述的矿柱的宽度B e (3m，5m]，所述的卸压预裂缝的开缝深度b取O. 5m，所述的矿柱的宽度 B e (5m，10m]，所述的卸压预裂缝的开缝深度b取O. 6 O. 8m，所述的矿柱的宽度B > 10m， 所述的卸压预裂缝的开缝深度取O. 8 I. 0m，所述的卸压预裂缝的开缝宽度按照预裂爆破的钻孔参数和爆破效果确定。在所述的矿柱形成自由面条件包括矿柱的长度方向的两个结构面下，及时在所述的矿柱与所述的顶板的接触部位形成所述的卸压预裂缝。对于所述的矿柱的宽度3m时，采用切割机进行切割拉缝形成所述的卸压预裂缝；对于所述的矿柱的宽度B > 3m时，进行井下预裂爆破形成所述的卸压预裂缝。所述的卸压预裂缝的实际长度与设计长度的比值大于或等于80%。采用上述技术方案的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，是一种应力转移型、主动自承载的高应力矿柱保护方法，利用空场采矿法回采后，在矿柱壁上形成的自由面进行卸压预裂缝的成型技术，实现矿柱的应力转移，有效提高矿柱核心部位的自承载能力， 主动保护矿柱，避免矿柱产生的矿柱边部拉应力型的剥离和高应力的压溃破坏，并减少矿柱中的塑性区范围，是一种新的主动性矿柱自承载保护方法。这种方法的主要技术特点是:第一，在矿柱形成自由面的同时进行矿柱卸压预裂缝的成型施工，及时利用卸压预裂缝实施采动应力的转移，形成核心矿柱的三向应力状态和减少塑性区作用范围，主动性的保护矿柱；第二，矿柱的结构尺寸参数与卸压预裂缝的参数关系，通过矿柱的结构参数可以选择不同的卸压预裂缝的参数，实现应力范围的工程可控，充分保障核心矿柱的自承载能力。矿柱的宽度B彡3m时，卸压预裂缝的开缝深度b取O. 2m，矿柱的宽度B e (3m, 5m], 卸压预裂缝的开缝深度b取O. 5m，矿柱的宽度B e (5m, 10m]，卸压预裂缝的开缝深度b取 O. 6-0. 8m，矿柱的宽度B > 10m，卸压预裂缝的开缝深度取O. 8-1. 0m，卸压预裂缝的开口宽度按照预裂爆破的钻孔参数和爆破效果确定。卸压预裂缝的成缝比例要达到80%以上。第三，这种利用卸压预裂缝的矿柱自承载能力保护方法，可以有效的降低矿山生产的安全保障成本，提高矿山的安全经济效益。在矿柱形成的自由面条件下(包括矿柱的长度方向的两个结构面，要求在矿柱长度方向上形成了自由后及时实施卸压预裂缝的控制工程)，及时利用预裂爆破和机械切割拉缝的技术，在矿柱与顶板接触部位形成卸压预裂缝，利用预裂缝的卸压作用实现采矿过程的二次应力转移，保障矿柱的安全稳定。以矿柱的结构参数为条件，利用核心矿柱的自承载能力和卸压预裂缝的应力转移，实施核心矿柱体的高围压下的三向应力环境再造，通过核心矿柱体的三向应力高强度特性，减少矿柱中的塑性区间范围，提升矿柱的自承载能力，保障矿柱的结构安全。利用卸压预裂缝保护高应力矿柱结构，主要可以避免两种破坏形式，其一是高应力压溃型破坏，其二是矿柱边部的拉应力剥离破坏。在此方案中，卸压预裂缝主要的工作机理是，通过预裂爆破在矿柱与顶板接触部位形成卸压缝，实现高应力区域的转移，避免矿柱高应力和拉应力区过度集中在矿柱的边壁上，从而降低了矿柱的压溃和剥离破坏，并通过形成的卸压缝在矿柱内部形成了两种作用机理，其一是核心矿柱体的三向应力作用工作模式，在卸压缝影响区域内的边部矿柱体与顶板等共同作用下，在核心矿柱体重形成三向应力作用，有利于充分发挥岩石高围压下的高抗压强度特性，实现矿柱体的高效自承载作用，并有利于减少矿柱中的塑性区变形区间范围；其二是在顶板与矿柱共同作用的体系中，边部矿柱体的拉应力状态的消除，减少了矿柱体的拉应力产生的外层剥离破坏，实现了矿柱体的应力环境调控。综上所述，本发明是一种应力转移型、主动自承载的高应力矿柱保护方法，利用空场采矿法回采后，在矿柱壁上形成的自由面进行卸压预裂缝的成型技术，实现矿柱的应力转移，有效提高矿柱核心部位的自承载能力，主动保护矿柱,避免矿柱产生的矿柱边部拉应力型的剥离和高应力的压溃破坏，并减少矿柱中的塑性区范围，是一种新的主动性矿柱自承载保护方法。
图I是卸压预裂缝的结构示意图。图2是沿图I中A-A线剖示图。图3是图I中A处放大图。图中L_矿柱的长度，B-矿柱的宽度，H-矿柱的高度；h_卸压缝的开口宽度，b_卸压缝的开缝深度。其中卸压预裂缝的尺寸参数为h彡O. 2m，b e [O. 2m，Im]，核心矿柱的宽度为B-2b。
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。参见图I、图2和图3，空场采矿法回采后，在矿柱3与顶板I的接触部位形成卸压预裂缝2，卸压预裂缝2的尺寸参数为开缝高度h < O. 2m,开缝深度b e [O. 2m, Im]。参见图I、图2和图3，根据矿山开采的实际情况和矿柱3的结构尺寸参数，在具有自由面的矿柱3中利用卸压预裂缝2进行矿柱的应力型的保护，并在以下的工艺结构参数和施工工艺顺序进行矿柱的卸压预裂缝2保护方法作业。第一，利用矿柱3的结构尺寸参数级别选择卸压预裂缝的参数，本申请结构尺寸参数规定如下，矿柱的宽度B < 3m时，卸压预裂缝2的开缝深度b取O. 2m,矿柱3的宽度B e (3m, 5m]，卸压预裂缝2的开缝深度b取 O. 5m，矿柱3的宽度B e (5m, 10m]，卸压预裂缝2的开缝深度b取O. 6-0. 8m，矿柱3的宽度 B > IOm,卸压预裂缝2的开缝深度取O. 8-1. Om,卸压预裂缝2的开口宽度按照预裂爆破的钻孔参数和爆破效果确定；第二，确定卸压预裂缝2的爆破参数，按照预裂爆破的爆破网络参数进行选取，对于矿柱3的宽度B < 3m时，可以采用切割机进行切割拉缝，形成卸压预裂缝2 ;第三，确定预裂爆破在矿柱3上的位置，按照说明书的图进行，确定卸压预裂缝2在顶板I与矿柱3的接触部位的矿柱3中；第四，爆破，进行井下预裂爆破，形成卸压预裂缝2， 并进行卸压预裂缝2的检查，确定卸压预裂缝2的成缝比，一般要求成缝比不小于80%，及预裂缝实际长度与设计长度的比值大于或等于80%。
权利要求
1.一种应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是空场采矿法回采后，在矿柱(3)与顶板(I)的接触部位形成卸压预裂缝(2)，所述的卸压预裂缝(2)的尺寸参数为开缝高度h彡O. 2m，开缝深度b e [O. 2m，Im]。
2.权利要求I所述的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是所述的卸压预裂缝⑵在所述的顶板⑴与所述的矿柱⑶的接触部位的所述的矿柱⑶中。
3.权利要求I或2所述的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是所述的矿柱⑶的宽度B彡3m时，所述的卸压预裂缝(2)的开缝深度b取O. 2m，所述的矿柱(3) 的宽度B e (3m，5m]，所述的卸压预裂缝⑵的开缝深度b取O. 5m，所述的矿柱(3)的宽度 B e (5m, 10m]，所述的卸压预裂缝⑵的开缝深度b取O. 6 O. 8m,所述的矿柱(3)的宽度 B > 10m，所述的卸压预裂缝⑵的开缝深度取O. 8 I. 0m，所述的卸压预裂缝⑵的开缝宽度按照预裂爆破的钻孔参数和爆破效果确定。
4.权利要求I或2所述的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是在所述的矿柱(3)形成自由面条件包括矿柱的长度方向的两个结构面下，及时在所述的矿柱(3) 与所述的顶板(I)的接触部位形成所述的卸压预裂缝(2)。
5.权利要求I或2所述的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是对于所述的矿柱(3)的宽度3m时，采用切割机进行切割拉缝形成所述的卸压预裂缝(2);对于所述的矿柱(3)的宽度B > 3m时，进行井下预裂爆破形成所述的卸压预裂缝(2)。
6.权利要求5所述的应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，其特征是所述的卸压预裂缝(2)的实际长度与设计长度的比值大于或等于80%。
全文摘要
本发明公开了一种应用卸压预裂缝的高应力矿柱保护方法，空场采矿法回采后，在矿柱与顶板的接触部位形成卸压预裂缝，卸压预裂缝的尺寸参数为开缝高度h≤0.2m，开缝深度b∈
。充分利用卸压预裂缝的应力转移，实现卸压预裂缝影响区域的矿柱边部矿体成为一种非拉应力的剥离破坏区，减少矿柱的拉应力剥离型破坏；利用卸压预裂缝的应力转移后的边部矿柱作用，在矿柱的核心区域形成三向应力作用体，保障矿柱的核心部位为三向受压应力状态，充分实现矿柱的高围压下的高强度自承载能力，达到矿柱的自我主动保护作用。利用卸压预裂缝的应力向外转移，减少了矿柱中塑性区域，保障矿柱的安全稳定。
文档编号E21F15/00GK102587973SQ201110392219
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者周科平, 胡建华 申请人:中南大学