房柱式开采矿柱尺寸优化分析
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摘 要：在房柱式开采中，矿柱宽度一方面对巷道的稳定性及其相邻采房的矿压控制起着至关重要的作用，另一方面直接影响着企业的经济效益。本文针对汪清县龙腾能源油页岩矿的开采地质条件，采用理论计算和UDEC数值模拟的方法，对矿柱留设的合理尺寸进行了优化，对其可行性进行了分析。以及对矿柱有无锚杆支护进行比较，最终确定了合理的矿柱尺寸，为矿井的安全高效的回采提供了保障。
关键词：房柱式；UDEC；理论计算；矿柱尺寸；锚杆支护
1 矿井开采概况
汪清县龙腾能源油页岩矿井采用走向前进房柱式采矿法进行开采，矿房顺序回采。矿房的跨度为8m，矿房的高度为8m，矿柱的宽度5m。运输巷和回风巷沿油页岩层底板掘，开切眼沿油页岩层顶板掘，，沿矿房的长轴线自下部运输巷向上掘进至上部回风巷[3]。运输巷及回风巷标高分别为+325m和+330m，地面标高+412m。锚杆长1.8m，直径20mm，间排距：0.8×0.8m。矿房及巷道的布置形式见图1。岩层力学参数见表1。
2 理论计算
2.1 矿柱上方载荷计算
矿柱载荷一般采用辅助面积法计算，其实质是仅考虑围岩的自重应力场，并认为采空区上方的覆岩重量全部转移到矿柱上。当矿柱布置方式均匀、尺寸相等、开采区域足够大和采深较小时，辅助面积理论计算出的矿柱载荷较为合理。在这里取矿房的宽度相等，则可得矿柱应力计算公式如下：
式中： σ―矿柱的应力，Pa；
B―矿柱的宽度，m；
D―矿房的宽度，m；
H―油页岩顶板到地面的距离，m；
γ―上覆岩层平均体积力，kN/m3。
2.2 矿柱宽度的确定
通常假设矿柱处于简单的单向受压状态，所以，在设计矿柱尺寸时，可按下式进行计算矿强度：
R≥nσ
式中：n―安全系数。
理论上认为安全系数n>1时，矿柱是稳定的，n
综上所述，理论计算矿柱稳定时的宽度至少为4m。
3 数值模拟
根据房柱式开采的特点，我们用UDEC软件基于“拉格朗日”算法来进行模拟。为比较出合理的矿柱尺寸，现选取三组模型进行模拟实验，分别为，方案一：矿柱的宽度为4m，无锚杆支护。方案二：矿柱的宽度为3m，无锚杆支护。方案三：矿柱的宽度为3m，有锚杆支护[8-10]。其顶板都采用锚杆支护，锚杆参数引用原矿。模拟过程中所用的岩石物理力学参数如表1所示。同时用计算机模拟出第二个矿柱内矿体水平位移的变化情况。
（1）矿柱的宽度为4m，无锚杆支护时的UDEC模拟图像见下图2。如图所示，在此件下，无需支护，矿柱完全能够承受顶板的压力，无明显的裂隙，矿柱稳定，与理论计算相吻合。
（2）矿柱的宽度为3m，无锚杆支护时的模拟图像见下图3。如图所示，在此的条件下，矿柱有明显的裂隙产生，其载荷大于矿柱的屈服强度，矿柱产生塑性破坏，变形严重，矿柱不稳定，亦符合理论计算。
（3）矿柱的宽度为3m，有锚杆支护时的模拟图像见下图4。由于锚杆加固提高了矿柱的整体性，使破碎的煤体与内部稳定岩体相连接锚杆加固提供的径向力和切向力改善了煤岩体内弱的力学性质，提高了煤柱的自撑力，同时，径向锚固力对煤柱施加围压，将煤柱由双向受力状态转化为三向受力状态，提高了矿柱强度。其结果如下图所示，在此条件下，矿柱无裂隙生成，无明显变化，矿柱稳定。
用计算机模拟出每种方案第二个矿柱内矿体水平位移的变化情况，我们通过矿柱水平位移图（见图5）可知：
（1）在方案一（矿柱4m无支护）的条件下，矿柱在承载后两侧向矿房内产生水平位移，位移量由外向里逐渐减小，外部最大位移量25mm，而在其中部一定范围内则是位移稳定区，即没有位移或位移接近0，说明煤柱在该开采地质条件下有很好的整体稳定性和承载能力。
（2）在方案二（矿柱3m无支护）的条件下，矿柱两侧位移较大，最大位移量达到430mm，矿柱无法承受上覆岩层的载荷，发生变形失稳。
（3）在方案三（矿柱3m有支护）的条件下，其位移和方案一的相近，外侧最大位移量为41mm，位移量很小，中部也有一定范围的位移稳定区，表明在锚杆支护的条件下，矿柱强度得到提高，能够对顶板进行有效支护。
4 结论
通过三种方案的比较，方案三最大化的减小煤柱尺寸，同时确保矿柱的稳定，提高了资源回采率。最终确立汪清县龙腾能源油页岩矿的支护方案为矿柱宽度为3m，并对矿柱进行锚杆支护，较原矿的矿柱宽度5m减少了2m。
参考文献
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