CN108843321A - 一种急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法 - Google Patents
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Abstract
一种急倾斜厚大矿体矿房布置方法，属于地下矿体的矿房设计方法技术领域，用于急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房布置、参数计算。其技术方案是：按照一、二步矿房将矿体水平分成三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系；求得不同静定条件下的轴力分布；求解出二次超静定拱形桁架受力体系的支座反力和体系内部杆件轴力分布；按公式计算得出单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，可以此对矿房进行布置设计，并对矿房矿柱稳定性进行分析；按公式计算得出单跨半跨值l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。本方法运用极限平衡理论和摩尔库伦理论，计算矿房结构参数，并分析其稳定性，对矿房进行合理布置。
Description
技术领域
本发明涉及一种急倾斜厚大矿体连跨结构体系的矿房布置、参数计算方法，属于地下矿体的矿房设计方法技术领域。
背景技术
目前，随着高科技与工业化融合不断深化，对资源的开发利用的科技水平有了显著提高，为现代工业的高速发展和资源供应提供了强大的科技支撑，使得地下超大规模开采逐渐成为矿业领域发展的新方向。针对超大规模矿体资源开发项目，大结构参数空场嗣后充填采矿技术得到进一步推广应用，该采矿技术结合了空场法和充填法两种采矿方法的优势，加之大分段高度和大矿房参数，可以在保证地表不塌陷情况下的资源高效开采，具有安全、高效、成本相对低的特点。但该技术中的矿房结构参数较多地采用类比法、岩梁法、板壳法等，并通过力学计算软件进行检验来进行计算和设计，这些计算和设计方式较为复杂，且没有充分考虑井下矿体开采活动带来的地下空间结构体系作用。因此，为确保井下规模化开采中的安全性、设计的科学性、计算过程的简化性，就需要综合考虑井下岩体空间结构体系作用，创造一种新的计算方法来进行分析，将回采矿房和支撑矿房矿柱及顶板岩层作为一个完整的结构体系进行研究，对体系中的应力分布与矿岩体承载强度进行对比分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，这种矿房水平布置方法提出一种将矿体水平分成三跨的拱形桁架受力结构体系，通过对矿房结构参数进行计算，并分析其稳定性，达到对矿房进行合理布置的目的。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，它按照以下步骤进行：
步骤1，按照一、二步矿房将矿体水平分成三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系；
步骤2，利用几何关系及力学平衡关系对上述二次超静定的拱形桁架结构受力体系在不同静定条件下的轴力分布进行计算；
步骤3，利用力法原理求解出上述二次超静定拱形桁架受力体系的支座反力和体系内部杆件轴力分布；
步骤4，根据桁架空间几何条件、上覆荷载、支撑矿柱支座反力及矿岩物理力学性质按下述公式(I)、(II)、(III)、(IV)计算：
L＝6l (IV)
其中，
l—为每个连跨的半跨值，m；
P—为上覆载荷外力值，N；
q—为均布荷载，MPa；
c—为矿岩粘聚力，MPa；
b—为二步矿房宽度，m；
h—为采场顶板岩层受拉区高度，m；
L—为厚大矿体水平厚度，m；
—为摩擦角，°；
步骤5，根据式(II)计算得出单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，可以此对矿房进行布置设计，并对矿房矿柱稳定性进行分析；利用式(III)得到l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。
上述急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，所述步骤1中的三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系包括上下盘岩柱、3个一步回采矿房，2个二步回采矿房，上下盘岩柱及2个二步回采矿房作为矿房地面支撑铰点，并根据拱形承载机理在顶板岩层内的承压拱形曲线上布置3个第一层铰点，回采总水平为三个连跨，单个跨度为2l，总跨度6l，第一层的两端的2个铰点分别在连跨两侧的范围内，并与地面支撑铰点的四点连线的距离为范围内，第一层中间铰点为拱形桁架顶点，在连跨中央，与地面支撑铰点四点连线的距离为6l，整个拱形桁架以过中间铰点的垂线为中心线呈对称性。
上述急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，所述一步矿房和二步矿房的宽度取值范围为15m～25m，矿体水平厚度范围为90m～150m，且按照一、二步矿房分成三跨二次超静定的拱形桁架。
本发明的有益效果是：
本发明依托厚大矿体下布设矿房时形成的拱形桁架二次超静定结构受力体系，将桁架空间几何关系、力法原理引入计算中，通过对不同静定结构的内力分析，利用力法原理综合得出二次超静定拱形桁架结构受力体系的内力分布，运用极限平衡理论和摩尔库伦理论，计算出单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，以此对矿房进行布置设计，并对矿房矿柱稳定性进行分析；同时得到l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。
本发明是急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法的首创，解决了现有计算方法复杂、且不能考虑井下岩体空间结构体系作用的难题，本方法计算步骤清晰、简化，仅需在处理好空间结构几何关系后，利用摩擦角、内聚力和荷载3个数据就能推导出上述l和b等的关系，并不需要投入大量的时间来研究岩石体内部微裂隙的影响，亦不需要投入精力进行数值模拟计算，同时兼顾了采场及围岩的空间体系结构，更具有整体性。
附图说明
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。
图1是本发明三连跨二次超静定拱形桁架结构受力示意图；
图2是图1的几何标记图；
图3是本发明不同静定状态下结构受力示意图；
图4、5、6是本发明不同静定结构的内力分布图；
图7是本发明二次超静定拱形桁架结构内力及支座反力图。
图中标记如下：一步采区域1、二步采区域2、拱形曲线3。
具体实施方式
本发明的理论依据是，在超大规模矿体资源开发项目中，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90m～150m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，矿块内矿房采取两步式间隔开采，矿房长度一般为50m～60m，矿房宽度一般为15m～25m，阶段高度一般为50m左右。在分步式开采过程中，采场顶板岩层、二步矿房矿柱形成联动的超静定承载体系。一步矿房矿体崩落回采后，根据对矿房采场顶板和矿柱顶部的变形和受力观测，存在塑性铰区，证明支撑结构向拱形结构承载模式发展。
同时发现，在该结构受力体系中回采采场水平总跨度6l与承压拱拱失近似相等。进而将桁架空间几何关系、力法原理引入计算中，通过对不同静定结构的内力分析，利用力法原理得出该结构受力体系的内力分布，运用极限平衡理论和摩尔库伦理论，计算出单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，以此对矿房进行布置设计，并对矿房矿柱稳定性进行分析；同时得到l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。
本方法将桁架空间几何关系、力法原理引入计算中，通过对不同静定结构的内力分析，利用力法原理综合得出二次超静定拱形桁架结构受力体系的内力分布，运用极限平衡理论和摩尔库伦理论，计算矿房结构参数，并分析其稳定性，对矿房进行合理布置。
图1、2显示，本发明的步骤1是按照一、二步矿房将矿体水平分成三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系。
三连跨二次超静定拱形桁架结构受力体系包括上下盘岩柱、3个一步回采矿房，2个二步回采矿房(支撑矿柱)。在本受力结构体系中，上下盘岩柱(A和B)及2个二步回采矿房(C和D)作为支撑铰点，并根据拱形承载机理在顶板岩层内的承压拱曲线上布置3个第一层铰点，回采总水平为三个连跨，单个跨度为2l，总跨度6l，第一层的两端的2个铰点E和G，它们分别在连跨两侧的1/6处，并与地面支撑铰点A、B、C、D的四点连线的距离为4l，第一层中间铰点F为拱形桁架顶点，在连跨中央，与地面支撑铰点A、B、C、D四点连线的距离为6l，整个拱形桁架以过中间铰点F的垂线为中心线呈对称性。另外，∠FEG＝β，∠EAC＝α，∠FCD＝γ。可以用来计算杆件的长度和内力值计算。
图3、4、5、6、7显示，本发明的以下步骤是：
步骤2，利用几何关系及力学平衡关系对上述二次超静定的拱形桁架结构受力体系在不同静定条件下的轴力分布进行计算；
步骤3，利用力法原理求解出上述二次超静定拱形桁架受力体系的支座反力和体系内部杆件轴力分布；
步骤4，根据桁架空间几何条件、上覆荷载、支撑矿柱支座反力及矿岩物理力学性质按下述公式(I)、(II)、(III)、(IV)计算：
L＝6l (IV)
其中，
l—为每个连跨的半跨值，m；
P—为上覆载荷外力值，N；
q—为均布荷载，MPa；
c—为矿岩粘聚力，MPa；
b—为二步矿房宽度，m；
h—为采场顶板岩层受拉区高度，m；
L—为厚大矿体水平厚度，m；
—为摩擦角，°；
步骤5，
1、将均布荷载条件及矿岩物理力学参数代入公式(I)和(II)，可得到单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，兼顾安全性系数平衡l与b的关系，可以此对矿房进行布置设计，并初评二步矿房矿柱的稳定性。
2、将均布荷载条件及矿岩物理力学参数代入公式(III)，求得l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，进而验证受拉杆件的可靠性，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。
3、将厚大矿体水平厚度实际值L代入公式(IV)求出l值，进而得到二步矿房宽度b值。
4、矿房宽度取值宜为15m～25m
5、布置设计两步回采矿房。
本发明的实施例如下：
实施例1
司家营南区田兴铁矿矿体属于急倾斜厚大矿体，矿体厚度120m，倾角55°～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°。
①结构参数计算
参数代入公式(II)和公式(III)得：
l＝1.07b，h＝4.2l＜6l
②稳定性分析与矿房布置
首先，h＝4.2l<6l，及采场顶板岩层受拉区高度h小于承压拱形区域高度6l，拱形承载结构未被破坏，顶板岩层稳定。
其次，计算得到l＝1.07b，及说明一步矿房采空区跨度2l为二步矿房宽度b近2倍，考虑矿柱承载安全，通过缩小一步矿房宽度(采空区跨度)2l至b，即在矿体厚度不变条件下增加二步矿房支撑矿柱数量，提高结构体系安全性。因实施例矿体厚度L为120m，则代入公式(IV)即一步二步回采矿房宽度均取20m，以此布置矿房。
Claims (3)
1.一种急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，其特征在于：它按照以下步骤进行：
步骤1，按照一、二步矿房将矿体水平分成三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系；
步骤2，利用几何关系及力学平衡关系对上述二次超静定的拱形桁架结构受力体系在不同静定条件下的轴力分布进行计算；
步骤3，利用力法原理求解出上述二次超静定拱形桁架受力体系的支座反力和体系内部杆件轴力分布；
步骤4，根据桁架空间几何条件、上覆荷载、支撑矿柱支座反力及矿岩物理力学性质按下述公式(I)、(II)、(III)、(IV)计算：
L＝6l (IV)
其中，
l—为每个连跨的半跨值，m；
P—为上覆载荷外力值，N；
q—为均布荷载，MPa；
c—为矿岩粘聚力，MPa；
b—为二步矿房宽度，m；
h—为采场顶板岩层受拉区高度，m；
L—为厚大矿体水平厚度，m；
步骤5，根据式(II)计算得出单跨半跨值l与二步矿房宽度b的关系，可以此对矿房进行布置设计，并对矿房矿柱稳定性进行分析；利用式(III)得到l与采场顶板岩层受拉区高度h的关系，以此对采场顶板受拉破坏进行分析。
2.根据权利要求1所述的急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，其特征在于：所述步骤1中的三跨二次超静定的拱形桁架结构受力体系包括上下盘岩柱、3个一步回采矿房，2个二步回采矿房，上下盘岩柱及2个二步回采矿房作为矿房地面支撑铰点，并根据拱形承载机理在顶板岩层内的承压拱形曲线(3)上布置3个第一层铰点，回采总水平为三个连跨，单个跨度为2l，总跨度6l，第一层的两端的2个铰点分别在连跨两侧的范围内，并与地面支撑铰点的四点连线的距离为范围内，第一层中间铰点为拱形桁架顶点，在连跨中央，与地面支撑铰点四点连线的距离为6l，整个拱形桁架以过中间铰点的垂线为中心线呈对称性。
3.根据权利要求2所述的急倾斜厚大矿体矿房水平布置方法，其特征在于：所述一步矿房和二步矿房的宽度取值范围为15m～25m，矿体水平厚度范围为90m～150m，且按照一、二步矿房分成三跨二次超静定的拱形桁架。
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