基于正交試驗(yàn)的礦柱穩(wěn)定性影響因素敏感度分析

張韌強(qiáng) 余業(yè)清 母昌平

(1.中鋁龍宇礦業(yè)有限公司；2.四川省冶金設(shè)計(jì)研究院)

基于正交試驗(yàn)的礦柱穩(wěn)定性影響因素敏感度分析

張韌強(qiáng)1余業(yè)清2母昌平2

(1.中鋁龍宇礦業(yè)有限公司；2.四川省冶金設(shè)計(jì)研究院)

從載荷、礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和覆蓋巖層等方面分析了礦柱穩(wěn)定性對(duì)各影響因素的敏感程度，推導(dǎo)出了條形礦柱的安全系數(shù)公式。采用正交試驗(yàn)極差計(jì)算法得到條形礦柱對(duì)各影響因素的敏感度依次為：礦柱寬度>礦體開(kāi)采深度>礦房寬度>礦巖抗壓強(qiáng)度>上覆巖層容重>礦柱高度。分析結(jié)果為：礦柱寬度與礦柱安全系數(shù)負(fù)相關(guān)，礦房寬度和開(kāi)采深度則相反。

正交試驗(yàn)法 敏感度 礦柱穩(wěn)定性

目前，房柱法作為一種易于掌握和管理的采礦方法，在國(guó)內(nèi)中小型金屬礦山中應(yīng)用較為廣泛。隨著礦山服務(wù)年限的增加，很多礦山的采空區(qū)數(shù)量急劇增加，采空區(qū)垮塌已成為威脅礦山安全生產(chǎn)的重要因素。礦柱是維持采空區(qū)穩(wěn)定的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外對(duì)礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，主要包括流變理論研究，模糊可靠度分析及數(shù)值模擬等方面。王金安等[1]在分析礦巖流變特性的基礎(chǔ)上，建立了礦柱支撐下采空區(qū)頂板受流變作用位移控制方程。江文武等[2]采用固支梁-礦柱力學(xué)模型，分析了礦柱失穩(wěn)與礦房礦柱自身?xiàng)l件的關(guān)系。趙興東[3]采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了隔離礦柱的穩(wěn)定性。本文對(duì)礦柱穩(wěn)定性各影響因素的敏感度進(jìn)行了分析。

1 礦柱穩(wěn)定性分析

1.1 礦柱載荷

礦房回采完成后，覆蓋層壓力轉(zhuǎn)移至礦柱，導(dǎo)致礦柱應(yīng)力大幅增加，準(zhǔn)確估算礦房回采之后礦柱承受載荷是分析礦柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)礦柱載荷計(jì)算方法包括壓力拱理論、有效區(qū)域理論、Wilson理論及面積承載理論等，其中面積承載理論應(yīng)用最為廣泛。

常用的礦柱布置方法有條型礦柱和點(diǎn)柱兩種，這里以條型礦柱進(jìn)行分析。根據(jù)面積承載理論得到礦柱載荷公式：

σp=γH(1+Wo/Wp) ,

(1)

式中,γ為覆巖容重，kN/m3；H為開(kāi)采深度，m；Wo為礦房寬度，m；Wp為礦柱寬度，m。

1.2 礦柱強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦柱強(qiáng)度進(jìn)行了大量研究[4-5]，提出了10多種計(jì)算方法。1897年Johnson 針對(duì)瑞士砂礦提出了礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式；1982年Bieniawski在南非煤礦作原位試驗(yàn)也提出礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式。這些計(jì)算方法主要針對(duì)煤礦，金屬礦山礦柱的研究還比較少。這里采用Lunder等推導(dǎo)出的礦柱形狀效應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算公式：

(2)

式中,Ps為礦柱強(qiáng)度，MPa；U為礦巖抗壓強(qiáng)度，MPa；h為礦柱高度，m；Ka為礦柱摩擦系數(shù)；Cp為礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)。

1.3 礦柱穩(wěn)定性影響因素

礦柱穩(wěn)定性影響因素[6-7]與礦柱破壞形式相關(guān)，礦房回采后礦柱對(duì)覆蓋巖層壓力的響應(yīng)與礦柱尺寸及其所受原始約束有關(guān)。礦柱主要破壞形式包括：表面剝落、整體剪切破壞、內(nèi)部劈裂破壞、沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)破壞。

根據(jù)礦柱破壞形式可知，影響礦柱穩(wěn)定性的因素很多，其中能量化分析的因素包括：礦巖強(qiáng)度、礦柱尺寸、礦房尺寸、覆蓋層厚度、覆巖容重。

1.4 礦柱安全系數(shù)計(jì)算

礦柱穩(wěn)定性影響因素敏感性分析需要考慮：礦巖抗壓強(qiáng)度(U，MPa),礦柱寬度(Wp，m)，礦柱高度(H，m)，礦柱摩擦系數(shù)(Ka)，礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)(Cp)。由式(1)和式(2)推導(dǎo)出礦柱安全系數(shù)計(jì)算公式：

(3)

2 工程實(shí)例

某礦長(zhǎng)期采用淺孔房柱法開(kāi)采，目前已經(jīng)產(chǎn)生大量空區(qū)。根據(jù)勘探報(bào)告，礦區(qū)圍巖性質(zhì)單一，頂?shù)装寰鶠殚W長(zhǎng)巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查可得到較為全面的礦巖參數(shù)，包括圍巖類(lèi)型、RMR值、節(jié)理裂隙和單軸抗壓強(qiáng)度等，采用Roclab軟件對(duì)礦巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行處理(見(jiàn)表1)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該礦實(shí)際工程地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件，共考慮6個(gè)影響因素，每個(gè)影響因素取5個(gè)水平，構(gòu)造敏感度試驗(yàn)設(shè)計(jì)表(見(jiàn)表2)。

表2 影響因素敏感度分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)構(gòu)造L25(56)正交試驗(yàn)表，根據(jù)式(2)計(jì)算出條形礦柱安全系數(shù)(見(jiàn)表3)。同時(shí)，正交試驗(yàn)極差分析得到了條形礦柱影響因素的敏感度大小為：礦柱寬度>開(kāi)采深度>礦房跨度>礦巖強(qiáng)度>覆巖容重>礦柱高度(見(jiàn)表4)。隨著開(kāi)采深度的增加，礦柱寬度和礦房跨度對(duì)于礦柱的穩(wěn)定性影響最大。礦柱寬度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示，從圖1中可以看出礦柱安全系數(shù)與礦柱寬度正相關(guān)。礦柱寬度小于3 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)維持在較低水平；礦柱尺寸大于3 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)有顯著增加。礦房寬度及開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系曲線如圖2和圖3。從圖中可以看出礦房寬度、開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。

表3 礦柱安全系數(shù)正交試驗(yàn)

表4 極差及敏感性分析

圖1 礦柱寬度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

圖2 礦房寬度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)面積承載理論,推導(dǎo)了條形礦柱的載荷公式，結(jié)合巖石形狀效應(yīng)的強(qiáng)度公式，確定利用可以量化分析的礦柱穩(wěn)定性影響因素：礦體強(qiáng)度、礦柱寬度、礦柱高度、礦房寬度、礦體開(kāi)采深度、上覆巖層容重，最終推導(dǎo)出了礦柱安全系數(shù)計(jì)算公式。

圖3 開(kāi)采深度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

(2)從正交試驗(yàn)法極差得到條形礦柱影響因素的敏感性依次為：礦柱寬度>開(kāi)采深度>礦房寬度>礦巖抗壓強(qiáng)度>覆巖容重>礦柱高度。隨著開(kāi)采深度的增加，礦柱寬度和礦房寬度對(duì)礦柱穩(wěn)定性影響最大，礦房寬度、礦體開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，礦柱寬度則相反。

[1] 王金安,李大鐘,馬海濤,等.采空區(qū)礦柱-頂板體系流變力學(xué)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(3):577-582.

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Analysis of the Sensitiveness of the Stability Influence Factors of Ore Pillars based on Orthogonal Test

Zhang Renqiang1Yu Yeqing2Mu Changping2

(1. Chalco Longyu Mining Co., Ltd.; 2. Sichuan Metallurgical Design & Research Institute)

The sensitiveness of ore pillars stability to each influence factors is analyzed from the aspects of load, structure parameters and rock overburden, the formula of ore pillar safety coefficient is deduced. Based on the poor calculation method of orthogonal test, the sensitiveness of strip ore pillars to each influence factors: width of ore pillars>depth of mining>compressive strength ore-bearing rock>density of overburden bulk>height of ore pillars. The analysis results show that, width of ore pillars and safety coefficients of ore pillars are negative related with each other, while, width of ore pillars and depth of mining are positive related with other.

Orthogonal test method, Sensitiveness, Stability of ore pillars

2014-11-17)

張韌強(qiáng)(1980—)，男，副經(jīng)理，工程師，碩士研究生，450041 河南省鄭州市上街區(qū)廠前路30號(hào)。