急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法，其按照一、二步矿房分成若干个超静定三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区构成；（1）根据矿岩石实际物理力学性质按下述公式组（Ⅰ）、公式（Ⅱ）和公式组（Ⅲ）计算；（2）根据公式组（Ⅰ）计算不同类矿柱结构单元下的α1、α2和α3值，实际设计的α值在上述三个计算值中最小的两个之间及之中取值，将实际设计的α值代入公式（Ⅱ），即可得到一步矿房宽度和二步矿房宽度的设计配比；（3）依据公式组（Ⅲ）计算不同类矿柱结构单元下的阶段高度hcr1、hcr2和hcr3，实际设计的hcr应等于或小于上述三个计算值的最小值。本发明合理设计了矿房结构参数。
【专利说明】
急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于地下矿分步式充填采矿的技术领域，尤其是一种急倾斜厚大矿体连跨 结构体系的矿房结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 如今工业化飞速建设，人类发展对矿石资源的需求不断加大，随着易采矿石资源 的消耗殆尽，更多地将目标转向深部、复杂难采等地下矿产，同时为了实现资源高效、绿色、 节能开发，超大规模与超深井矿体资源开发正成为矿业工程的新研究方向。针对双超矿体 资源开发项目，空场耐后充填采矿技术得到了进一步应用，且矿房结构尺寸逐步加大，阶段 不断增高。为避免井下大规模分步充填开采的地压活动及自身结构失稳所带来的安全隐 患，优化厚大矿体盘区矿房回采顺序，就需要创造一套新的综合计算方法来进行分析，并将 整个矿房结构体系作为一个承载系统进行全方位计算考虑。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计合理的急倾斜厚大矿体连跨结构 体系的矿房结构设计方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:按照一、二步矿房分成若干个 超静定=较拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区构成；
[0005] (1)根据矿岩石实际物理力学性质按下述公式组（I)、公式（E)和公式组（虹）计 算；
[0006]
[0007]式中：
[000引 1为一步矿房宽度，m;
[0009] b为二步矿房宽度，m;
[0010] a为一巧矿房葡度与二巧矿房葡度的关系系数；
[0011]
[001 ^ C为粘聚力，MPa;
[0013] her为阶段高度，m;
[0014] E为矿岩体的弹性模量，G化；
[0015] q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载值，KN/m2;
[0016] 脚标中的1、2、3分别表示第一类，第二类和第=类;其中，上下盘侧的两个矿柱为 第一类，紧邻上下盘侧矿柱的两个矿柱为第二类，其余中间的矿柱为第=类；
[0017] (2)根据公式组（I)计算不同类矿柱结构单元下的日1、日2和日3值，实际设计的a值为 上述=个计算值中的最小值，将实际设计的a值代入公式（H)，即可得到一步矿房宽度和二 步矿房宽度的设计配比；
[001引（3)依据公式组（虹）计算不同类矿柱结构单元下的阶段高度hcrl、hcr2和hcr3,实际 设计的ha应等于或小于上述=个计算值的最小值。
[0019] 本发明所述一步矿房和二步矿房的宽度取值范围为16m~24m。
[0020] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明依托厚大矿体下布设矿房时形 成的=类超静定=较拱结构单元，将超静定结构单元体、连跨承载系统、附加力系引入大结 构参数的计算中，通过建立矿房结构体系超静定连跨力学模型，利用支撑杆件间的形变关 系及临界变形条件，详细剖析结构体系的承载作用，运用摩尔库伦理论和极限平衡理论，计 算=类情况下的矿房跨度和阶段高度，合理设计矿房结构参数，分析=类矿柱结构单元的 稳定性，并初步评价厚大矿体盘区内矿房的回采顺序。本发明对分步式充填开采矿房结构 体，通过几何关系，建立超静定连跨结构体力学模型，从而得到分步式矿房的合理结构参 数，并依据=类情况下的分析结果评判不同类型结构单元的稳定性，对回采顺序进行初评。
【附图说明】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0022] 图1是本发明一步矿房开采前连跨结构示意图；
[0023] 图2是本发明一步矿房开采后连跨结构示意图；
[0024] 图3是本发明连跨结构单元受力分析图；
[0025] 图4是本发明连跨结构单元均布荷载下的=较拱超静定受力图；
[0026] 图5是本发明连跨结构单元附加力作用下=较拱超静定受力图；
[0027] 图6是本发明中超静定杆件压杆稳定性分析图。
【具体实施方式】
[00%]经研究发现，对于超大规模化的急倾斜极厚大矿体(一般倾角>55°，厚度在IOOm ~200m水平厚度），地下首采埋深在300~400m左右;该类矿体矿房长度方向与矿体走向一 致，矿块内矿房采取分步式间隔开采，一步和二步矿房的宽度在16m~24m之间，矿房长度一 般为50m~60m，阶段高度一般为50m~IOOm;矿房底部采用壁沟式底部结构，凿岩水平布置 在矿房顶部，开凿下向垂直深孔进行侧向爆破崩落矿石或VCR法下向崩落矿石。在分步式开 采过程中，二步矿房作为支撑结构维护整个矿块结构体系的稳定性，矿块内部一步矿房顶 板、二步矿房立柱形成联动的超静定承载系统，顶板矿岩体、立柱矿体、上下盘岩体则构成 该系统的内外结构因素。当一步矿房矿体崩落回采后，连跨超静定支撑结构体系成为矿块 系统的稳定性关键因素。根据对矿房采场顶板和矿柱顶部的变形和受力观测，存在塑性较 区，证明支撑结构向=较拱形结构承载模式发展。
[0029]同时发现，在该结构体系中每3个二步矿房和2个一步矿房可形成一个分析单元 体，进行单元超静定结构计算，然后将单元体相邻的单元附加外力进行叠加计算。每个单元 的=较拱形结构的拱失近似等于=较拱结构的半跨值。进而利用摩尔库伦理论和极限平衡 理论，兼顾安全性推算、确定=类矿柱结构单元情形下的矿房结构参数值(矿房宽度）。并依 据计算结果分析=类结构单元的稳定性和初步评价矿房在盘区内的回采顺序。
[0030] 另外，从空间几何进行分析，将二步矿房考虑成支撑矿柱杆件体系（一端固定、一 端较支），通过竖向力系对二步矿房杆件体系稳定性的影响，计算分析矿房阶段高度参数 值。
[0031] 依据计算结果中a值进行矿房结构单元稳定性分析，并初步评价矿房在盘区内的 回义顺序。
[0032] 在司家营田兴铁矿的矿房回采研究表明，本急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房 结构设计方法适用于急倾斜极厚矿体，矿体倾角>55%水平厚度IOOm~200m，覆盖岩层应 在>300m，一步和二步矿房的宽度均为16m~24m，矿房长度一般为50m~60m，矿房高度为> 50m~100m。
[0033] 图1、图2是急倾斜极厚大矿体一、二步矿房分步开采前后连跨结构图，图1为为开 采前，图2为一步矿房回采后形成采矿场、二步矿房做矿柱的连跨结构图。图3-5是一步矿 房回采后，由3个二步矿房矿柱和2个一步矿房采空区组成的连跨结构单元(图3)，W及相对 应的均布荷载q下的=较拱超静定受力图（图4)和附加力作用下=较拱超静定受力图（图 5)"A、B、C为较点，A、B两点为矿房中点，C点为A、B两点连接相邻采空一步矿房凿岩砸室顶板 顶点延伸相交而成，f为拱失，1为=较拱受力单元的半跨距离(与二步矿房宽度b的关系为 b) O
[0034] 运里，进一步说明附加力的作用和应用。图1、图2中将二步矿房编号为1#、2#、3#、 4#…8#、9#，则有：
[0035] (1)1#、2#、3#二步矿房矿柱组成的结构分析单元(称为单元1)里，1柿广柱为图4中 的A点，受水平力和竖向力作用；2#矿柱为图4中的C点，受竖向力作用；3#矿柱为图4中的B 点，受水平力和竖向力作用。结构分析单元受均布荷载的q作用。
[0036] (2)2柿广柱又存在于由2#、3#、4#二步矿房矿柱组成的结构分析单元(称为单元2) 里，运样2柿广柱除了受到单元1的荷载作用外，还受到了单元2的附加力作用，即图5中的荷 载作用。在单元1中2柿广柱作为超静定支撑杆件为受力图图4中的C点，在单元2中2柿广柱作 为立较拱较点4\因此，2柿广柱除了收到单元1的作用力外，还受到单元2下的水平力和竖向 力作用。
[0037] (3)3#矿柱则如图可知，单元1中的B受力点，单元2中的C受力点，还有由3#、4#、5# 二步矿房矿柱组成的结构分析单元(称为单元3)中的A受力点，在均布荷载下，3#受力点仅 受到竖向力，水平力由平衡关系和对称关系为零。
[0038] (4)由对称性可知，8#矿柱与2#矿柱受力相同，9#矿柱与1#矿柱相同。
[0039] (5)针对厚大或极厚大矿体，本方法适用于=种不同类型矿房矿柱的受力特点。其 中，二步矿房矿柱1#、2#、3#…8#、9#，可分为S类，其中，上下盘侧的1#和9#矿柱为第一类， 紧邻上下盘侧矿柱的2#和8#矿柱为第二类，其余中间的如3#、4#、5#、6#、7#矿柱为第=类。
[0040] 图6为超静定杆件压杆稳定性分析图，一端固定、一端较支形式。
[0041] 本急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法中的连跨结构体系按照一、 二步矿房分成多个=较拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空 区。研究得出，当受均布荷载和相邻结构单元附加力作用下，综合连跨结构支撑矿柱的受力 结构单元特点，利用摩尔库伦和极限平衡理论，运用压杆稳定院里，二步矿房跨度(宽度)b、 =较拱结构单元半跨K将二步矿房假设看成点柱，即图3中A和B假设为点，1为一步矿房宽 度或单一 S较拱的半跨）、阶段高度(矿房高度化Cr之间的关系公式如下：
[0042]
[0043] 公式中，1为一步矿房宽度(采空区跨度，S较拱结构半跨），m;b为二步矿房宽度， m;为一步矿房宽度与二步矿房宽度的关系系数
为内摩擦角，％C为粘聚力， MPaAcr为阶段高度，m;E为矿岩体的弹性模量，GPa;q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载 值，KN/m2;上述脚标中的"r，"2"，"3"分别表示第一类矿柱，第二类矿柱和第S类矿柱。
[0044] 1、将矿岩石实际物理力学性质参数代入式（I)和式（E)可求得=类结构单元半 跨、矿房宽度及阶段高度的关系。
[0045] 2、一步矿房跨度(宽度)和二步矿房跨度(宽度)宜取16m~24m。
[0046] 3、由公式组（I)可得到a(ai、Q2和日3)值；当a>2时，说明该情况下的超静定S较拱 结构单元稳定性好;当时，说明该情况下的超静定=较拱结构单元稳定性一般;当a <1时，说明一步矿房回采后的空区跨度不应大于二步支撑矿房的宽度，即要留下较大厚度 矿柱来支撑维护采场稳定性，说明稳定性较差。考虑安全性，实际设计的a值为上述=个计 算值中的最小值，将实际设计的a值代入公式（H)，即可得到一步矿房宽度和二步矿房宽度 的设计配比，清楚的展现1和b的关系。
[0047] 4、依据公式组（虹）计算不同类矿柱结构单元下的阶段高度herl、her2和her3。考虑安 全性，实际设计的ha应等于或小于上述=个计算值的最小值。
[004引通过上述公式及分析过程，可有效分析连跨矿房结构体系的稳定性，优化矿房结 构设计和回采顺序，使得井下大规模协同开采成为现实。
[0049] 实施例：司家营南区田兴铁矿矿体属于倾斜或急倾斜厚大矿体，矿体厚度100~ 200m，倾角45°~60°，首采水平上覆荷载q= 10.4MPa。矿体粘聚力2.48MPa，内摩擦角52.8°， 弹性模量26GPa，上下盘岩体粘聚力2.15MPa，内摩擦角48.5°，弹性模量17GPa。
[0050] (1)结构参数计算：
[0化1 ] 参数代入公式（I)得:日1 = 2.2，日2 = 0.8，日1 = 1.2。再将参数和求得的a值代入公式 (n )得：hcrl = 57.6，hcr2 = 66.4，hcr3 = 55.7。
[0052]兼顾安全性和开采设计的统一性，a取最小值0.8,则分步式空场耐后充填的一步 矿房宽度取二步矿房宽度的0.8倍，即一步矿房宽16m，二步矿房宽20m。而her取最小值 55.7m作为临界压杆长度，则阶段高度近似取50m。
[0053] (2)稳定性评价：
[0化4] 计算得知日1 = 2.2，日2 = 0.8，日1 = 1.2。其中，〇1 = 2.2-步矿房的宽度值为二步矿房 宽度值的2.2倍，说明第一类的超静定=较拱结构单元空区跨度可远大于支撑矿房矿柱的 宽度，稳定性好;一步矿房的宽度值为二步矿房宽度值的0.8倍，说明第一类的超静定=较 拱结构单元空区跨度要略小于支撑矿房矿柱的宽度，稳定性一般或稍差;一步矿房的宽度 值为二步矿房宽度值的1.2倍，说明第一类的超静定=较拱结构单元空区跨度与支撑矿房 矿柱的宽度取值相当，稳定性一般。综合可知，=类矿柱结构单元的稳定性从好到差排列顺 序为:上下盘岩体〉矿体。
[0055] (3)回采顺序初评：
[0056] 根据上述的稳定性分析结果，可优化盘区内矿房的回采顺序由下盘向上盘推进开 采或上下盘两侧向矿体中间开采一步矿房。
【主权项】
1. 一种急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法，其特征在于:按照一、二步 矿房分成若干个超静定三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿 房空区构成； (1) 根据矿岩石实际物理力学性质按下述公式组(I)、公式（Π )和公式组(ΙΠ )计算；式中： 1为一步矿房宽度，m; b为二步矿房宽度，m; α为一步矿房宽度与二步矿房宽度的关系系数；c为粘聚力，MPa; her为阶段高度，m; E为矿岩体的弹性模量，GPa; q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载值，KN/m2; (2) 根据公式组（I)计算不同类矿柱结构单元下的αι、α#Ρα3值，实际设计的α值为上述 三个计算值中的最小值，将实际设计的α值代入公式（Π )，即可得到一步矿房宽度和二步矿 房宽度的设计配比； (3) 依据公式组（ΙΠ )计算不同类矿柱结构单元下的阶段高度1^1、1^2和1^3，实际设计 的1^应等于或小于上述三个计算值的最小值。2. 根据权利要求1所述的急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房结构设计方法，其特征 在于:所述一步矿房和二步矿房的宽度取值范围为16m~24m。
【文档编号】G06F17/50GK105822306SQ201610165503
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】翟会超, 南世卿, 胡巍巍
【申请人】河北钢铁集团矿业有限公司