[发明专利]一种多中段同时回采水平矿柱临界厚度预测模型构建方法

说明书

本发明涉及采矿技术领域，具体涉及一种多中段同时回采水平矿柱临界厚度预测模型构建方法，本发明所述方法通过对多中段之间水平矿柱受力状态及边界条件分析，构建中段间水平矿柱的力学模型，采用板理论，借助能量原理的近似解法分析水平矿柱应力状态与厚度的动态变化关系，以水平矿柱拉应力与抗拉强度相等为临界厚度的判断依据，构建水平矿柱临界厚度的预测模型。本发明所述模型，力学模型合理，分析结果准确，对于精准预测水平矿柱临界厚度保障矿山安全生产具有重要意义，同时对于矿山回收水平矿柱具有重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，具体涉及一种多中段同时回采水平矿柱临界厚度预测模型构建方法。

背景技术

下向水平分层进路式充填采矿法一般用于回采经济价值大，开采技术条件复杂的矿体，进路式回采采场面积小，采充频繁，充填体强度要求高，养护时间长，导致该方法效率低、产能小，因此单一中段下行式回采难以满足产量的需求，为达到矿山设计产能，保障矿山效益，越来越多的矿山采用多中段同时回采，以达到增加生产工作面，提高产能的目的。如国内金川二矿区、彝良驰宏矿业有限公司、会泽驰宏矿业有限公司、大屯锡矿均采用多中段同时回采模式。

以相邻中段同时回采为例，将相邻中段之间未采矿体称之为水平矿柱。中段内矿体自上而下分层进行回采，分层内划分进路进行采矿，进路回采结束后进行充填，每分层回采结束后，转入下一分层回采，随着工作面逐渐往下推进，水平矿柱越来越薄。

水平矿柱作为顶部充填体的主要支撑结构，其承载能力随厚度的减小逐渐降低；加之上中段充填体体积越来越大，作用于水平矿柱顶部的垂直应力越来越大；同时下中段充填体体积也越来越大，在沉降、压缩作用下，逐渐出现水平矿柱与下中段充填体逐渐分离，造成底部悬空；三方面因素作用下，当水平矿柱厚度减小至某一特定值时，水平矿柱将出现严重的应力集中，其应力状态与矿体强度特性持平时，水平矿柱处于极限平衡状态，将该状态下水平矿柱的厚度称之为临界厚度。当水平矿柱内应力状态超过其强度特性时，水平矿柱将发生突发性失稳，上中段充填由于失去支撑，将发生大规模整体下沉，且必将影响下中段充填体稳定，严重危害井下人员、设备的安全，也必将造成大量矿产资源无法回采造成损失。因此，多中段同时回采条件下，充分掌握水平矿柱内应力应变的变化规律，合理预测水平矿柱临界厚度，才能确保矿山安全生产，高效回收矿产资源。

水平矿柱临界厚度的预测方法大体可以分为四类：经验类比法、数值模拟分析法、理论模型分析法和现场监测分析法。

(1)经验类比法，主要参照相似矿山多中段同时回采的实际情况，以相似矿山水平矿柱临界厚度的数值，作为设计矿山水平矿柱临界厚度的标准值。由于各个矿山实际情况不可能完全相同，如地质情况、开采技术条件、采矿水平等，导致确定的数值将存在很大误差，因此不能完全依靠该法指导生产。

(2)数值模拟分析方法，该法在完全掌握矿山地质情况、开采技术条件、矿岩物理力学性质、地应力水平的条件下，可得到精确的计算结果，但是该法计算分析工作量较大，且每一个水平矿均要进行计算，使得该法效率较低，实用性不强。

(3)理论模型分析法，该法使用简单，计算结果依赖于准确的力学模型及合理的分析方法，当前常用的理论模型主要有梁模型和板模型，但都将边界条件简化为简支边界，简支边界仅可传递垂直和水平方向应力，不可传递扭矩，与水平矿柱实际边界条件是不符的，水平矿与围岩是紧密连接的，是一个整体，其边界条件应是固支边界，即在边界上不仅可以传递应力，还可传递扭矩。因此采用简支边界得出的计算结果，也必然与实际情况存在差距。

(4)现场监测分析法，主要依靠在水平矿柱内埋设应力计，监测水平矿柱应力变化情况，同时根据矿体强度力学特性，判断水平矿柱的稳定状态，和预测水平矿柱临界厚度，该法现场数据采集繁琐，数据分析量较大，若发生应力计破坏、安装不到位、矿体松散破坏严重，测量结果也将出现严重偏差。