某矿山采场顶板稳定性分析研究

梁胜增

【摘 要】为防止矿山矿石在回采过程中采空区破坏带来的巨大威胁，必须对采场顶板的稳定性作出合理准确的分析，为处理方案提供理论支持。采空区顶板稳定性是通过其最小安全厚度来判定的。本文分别利用传统方法、极限分析法和弹性力学小变形薄板理论方法对某矿山4#和30#矿采场顶板最小安全厚度进行计算，并考虑安全性和经济性得出合理的建议值。

【关键词】采空区；顶板；稳定性；最小安全厚度

0 引言

地下采矿过程中的岩石力学问题是影响矿山发展的技术难题，开采较深的矿山遇到这一问题更为突出。大部分有色金属矿山面临资源减少或枯竭的局面，许多矿山将逐渐转入深部矿床的开采。随着开采深度的增加，地压活动加剧，岩石力学问题也越来越突出，某些矿山已被日益加剧的地压活动所困扰，安全事故频繁，采矿效率低，甚至造成大量资源的损失。

某矿山地处安徽省池州市境内，于1959年投产，曾采用露天开采和露天—坑下联合开采的方式开采。坑下已开采的中段有：0m、-40m、-80m、-120m、-170m、-214m和-257m，目前正在开采-301m、-345m和-388m中段，主要开采前山南4#矿体和30#矿体。主要矿石类型为含铜磁铁矿、含铜含铜黄铁矿、含铜燧石矿及含铜矽卡岩等。4#矿体顶板为大理岩，底板为闪长岩；30#矿体顶板为矽卡岩，底板为闪长岩、五通石英岩。

矿山采用空场嗣后充填采矿法开采至今已有30余年，分二步骤回采，先采矿柱后采矿房，矿柱回采后采用尾砂胶结充填，矿房则用分级尾砂充填。随着开采中段的下降，地压增大，地压活动显现明显。2009年1月8日在-345m中段4#矿体1#柱发生了大面积冒顶事故，给矿山安全生产造成了重大损失。严重的地压活动已成为制约矿山安全、高效开采的首要问题，为此，需尽快开展全矿区地压控制措施及监测技术研究，为矿山安全生产提供技术保障。

为了保证回采时的安全，减少矿石的损失贫化，必须在矿体顶板上预留一定厚度的顶柱，科学合理地确定采场顶柱岩层安全厚度是采场结构设计的重要内容。

评价采空区顶板稳定性必须分析两个因素：一是内在因素，包括顶板的厚度、跨度、形态及岩体的工程特性指标等；二是外在因素。综合来说，影响采空区顶板的稳定因素主要有4个方面，即顶板的完整程度、顶板形态（水平或拱形）、顶板的厚度及跨度。在实践中，先将上述诸因素加以概化，把顶板区分为完整顶板和非完整顶板，然后采用近似的办法计算。

1 采场顶板稳定性分析计算结果

1.1 传统的采空区顶板安全厚度分析方法计算结果

该矿中段高度为44m，采场上盘暴露面长度约35m，采场长度随矿体厚度变化。为合理分析不同跨度下采场顶板的安全厚度，分别取采场长度20m、30m、40m、50m，采场宽度（跨度）8m、10m、12m进行计算。分析过程只考虑顶板承担的最大载荷为顶板的自身重力，对采场顶柱安全厚度进行计算，计算结果如表1。

1.2 基于极限分析法的顶板安全厚度计算分析

在只考虑顶板自身重力的情况下，取安全系数为1.5，采用极限分析法进行计算分析时按四周固支约束形式进行，计算顶板岩层安全厚度所需的参数如表2所示。

进行采空区顶板安全厚度计算时，考虑保安层上覆均布载荷为q=γh（顶板自重）。不同的采场跨度（矿体厚度）情况下，采空区顶板安全厚度与采场跨度的关系如表3所示。

1.3 基于弹性力学小变形薄板理论的顶板安全厚度计算结果

根据岩体力学参数计算得出，不同跨度条件下，采空区顶板安全厚度如表4。

1.4 采空区顶板安全厚度计算结果综合分析

根据极限分析法和弹性力学小变形薄板理论分析法的计算结果可以看出，采场跨度是影响顶板安全厚度的最主要因素。取采场平均长度40m，采用上述几种不同方法对采空区顶板安全厚度的计算结果统计分析如图1。

根据计算结果综合分析，采用按破裂拱概念估算法计算得到的顶板安全厚度最小，而采用荷载传递交汇法计算得到的顶板安全厚度最大。综合考虑工程的安全性和经济性，可取上述几种方法的平均值，采场顶板安全厚度在跨度8m处可取4.5m，跨度10m处可取5.5m，跨度12m处可取6.6m。

2 结论

大量矿山采空区，致使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难，并造成环境恶化和矿产资源浪费，更有可能造成人员的伤亡。因此，对矿山采场顶板稳定分析、从而留出合理的安全厚度就显得尤为重要。本文采用几种不同的方法对矿山采场的顶板稳定进行了详细地计算，并考虑安全性和经济性得出比较合理的数值，为矿山的安全生产提供了保障。

【参考文献】

[1]江兴元，史俊伟，张新国，等.尾砂充填连续开采采场顶板稳定性数值分析[J].金属矿山，2011（11）.

[2]刘卫星.皖南某矿井下采场顶板稳定性的分析与探讨[J].采矿技术，2010，10（4）.

[3]修国林，赵晖.基于块体理论的三山岛金矿采场顶板稳定性分析[J].黄金，2011，32（12）.

[4]李威，马明辉，苏龙.采场顶板稳定性分析与锚杆支护研究[J].中国矿山工程，2012，41（1）.

[5]张葆春，保文俊，赵永和.武山铜矿胶结充填体顶板稳定性浅析[J].铜业工程，2010（3）.

[6]解联库，杨小聪，刘庆林等.基于霍克-布朗破坏准则的采场空区稳定性分析[J].有色金属，2008，60（3）.

[责任编辑：薛俊歌]