本發(fā)明屬于地下礦山開采領(lǐng)域，具體地說，涉及空場采礦法礦柱尺寸計算方法。

背景技術(shù)：

在金屬和非金屬地下礦山開采中，空場采礦法是一種常用的采礦方法?？請霾傻V法的最大特點(diǎn)就是在礦房/采場中留設(shè)礦柱，來支撐采空區(qū)頂板圍巖，以確保礦房/采場采空區(qū)頂板圍巖的穩(wěn)定。留設(shè)礦柱的尺寸合不合理直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的安全，一旦礦房/采場礦柱發(fā)生失穩(wěn)，將導(dǎo)致采空區(qū)頂板圍巖冒落，可能引發(fā)以下安全事故：一、冒落的頂板圍巖砸毀礦房/采場內(nèi)作業(yè)的設(shè)備，造成人員傷亡；二、礦體開采難度變大，使礦產(chǎn)資源損失貧化率增大；三、冒落的頂板圍巖壓縮礦房/采場空氣形成沖擊氣流，威脅作業(yè)人員安全等。

在設(shè)計留設(shè)礦柱尺寸時，如果礦柱尺寸留設(shè)的過大將會造成礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)，礦產(chǎn)資源回收率低；如果礦柱尺寸留設(shè)的過小將會造成礦房/采場采空區(qū)頂板圍巖的失穩(wěn)，造成采空區(qū)頂板圍巖冒落，給礦山生產(chǎn)帶來嚴(yán)重安全事故。礦柱尺寸的合理設(shè)計是空場采礦法能否實現(xiàn)安全、高效開采礦體的關(guān)鍵。因此，礦柱尺寸設(shè)計的合不合理對于礦山的生產(chǎn)至關(guān)重要，關(guān)系到礦山生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟(jì)等的重大問題。

有鑒于此特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供空場采礦法礦柱尺寸計算方法，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是：

空場采礦法礦柱尺寸計算方法，包括以下步驟：

步驟1，確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；

步驟2，確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載；

步驟3，利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值；

步驟4，根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸。

進(jìn)一步地，所述步驟1中，確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑的計算方法有多種，本發(fā)明不具體特指某一種計算方法，只要能夠確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑范圍都在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟1中，礦柱的形狀可以是方形，也可以是圓形，還可以是其它不規(guī)則等形狀，本發(fā)明不具體特指某一種形狀的礦柱，其它形狀的礦柱也在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟1中，礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑不僅是空場采礦法中礦房采空區(qū)上部的巖層塑性區(qū)半徑，而且還可以是空場采礦法中某個采場采空區(qū)上部的巖層塑性區(qū)半徑。

進(jìn)一步地，所述步驟2中，根據(jù)礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑、上覆巖體容重和礦房/采場跨度，來計算施加在礦柱上因巖體自重產(chǎn)生的均布荷載。

進(jìn)一步地，所述步驟2為：根據(jù)礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑、上覆巖體容重和礦房/采場跨度，來計算施加在礦柱上因巖體自重產(chǎn)生的均布荷載；其中，礦房/采場跨度是指連續(xù)梁方向上礦房/采場的長度/寬度。

進(jìn)一步地，所述步驟3中，連續(xù)梁可以是間距相等的等跨連續(xù)梁，即連續(xù)梁間距l(xiāng)1＝l2＝…ln，還可以是間距不相等的不等跨連續(xù)梁，即連續(xù)梁間距l(xiāng)1、l2、…、ln中至少有兩個不相等。

進(jìn)一步地，所述步驟3中，不同位置的礦柱(a、b、c、d、e、…)與連續(xù)梁不同位置的支點(diǎn)(a、b、c、d、e、…)相對應(yīng)，因此相鄰兩礦柱的中心間距可以是相等的，也可以是不相等的。

進(jìn)一步地，所述步驟3中，連續(xù)梁支點(diǎn)包括兩個和兩個以上，本發(fā)明不具體指某個特定支點(diǎn)數(shù)，只要包括兩個和兩個以上支點(diǎn)的連續(xù)梁都在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟3中，礦房/采場中的礦柱排數(shù)包括兩排和兩排以上，本發(fā)明不具體指某個特定礦柱排數(shù)，只要礦房/采場中的礦柱排數(shù)為兩排和兩排以上都在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟3中，礦房/采場中的礦柱排數(shù)包括兩個和兩個以上，本發(fā)明不具體指某個特定礦柱排數(shù)目，只要礦柱排數(shù)目在兩個和兩個以上的都在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟4中，根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸的方法很多，本發(fā)明不具體特指某一種計算方法，只要能夠確定礦柱尺寸的方法都在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述步驟1中確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑的計算方法有多種，本發(fā)明以其中的一個公式為例來確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，該計算公式如下：



式中：rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，單位m；

l——開采空間長度/寬度，單位m；

h——開采空間高度，單位m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，單位kg/m3；

h——礦柱頂端至地表巖層的厚度，單位m；

c——巖體粘聚力，單位mpa；



——巖體內(nèi)摩擦角，單位°。

進(jìn)一步地，所述步驟2采用如下公式計算：

q＝ρg·rp·l

式中，q為礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載，單位n/m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，單位kg/m3；

rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，單位m；

l——開采空間長度/寬度，單位m。

進(jìn)一步地，所述步驟4中確定礦柱尺寸的計算方法有多種，本發(fā)明以其中的一個公式為例來確定礦柱的尺寸，該計算公式如下：



式中：σs——礦柱強(qiáng)度，單位mpa；

σc——礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度，單位mpa；

w——礦柱的寬度，單位m；

h——礦柱的高度，單位m。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。

本發(fā)明基于連續(xù)梁理論，根據(jù)礦房/采場不同位置礦柱實際受到的上覆巖層壓力來設(shè)計礦柱尺寸，該方法設(shè)計的礦柱尺寸合理，不僅能滿足礦柱強(qiáng)度的要求，又不會使礦柱尺寸過大，造成礦石資源浪費(fèi)，可最大限度提高礦石資源的回收率。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

附圖說明

附圖作為本申請的一部分，用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。顯然，下面描述中的附圖僅僅是一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例1礦柱示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2礦柱示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例3礦柱示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例4礦柱示意圖。

圖中：1、x-礦房/采場的長度；2、y-礦房/采場的寬度；3、abcd-礦房/采場中礦柱的位置；4、abcd-連續(xù)梁的支點(diǎn)；5、l-連續(xù)梁間距；6、q-礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)巖體自重的均布荷載；7、礦柱；8、連續(xù)梁。

需要說明的是，這些附圖和文字描述并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的構(gòu)思范圍，而是通過參考特定實施例為本領(lǐng)域技術(shù)人員說明本發(fā)明的概念。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本實施例以方形礦柱為例，只給出礦房/采場中只有2排～5排礦柱的示意圖，礦房/采場中5排以上礦柱示意圖沒有給出，礦房/采場中有5排以上礦柱也在本發(fā)明保護(hù)權(quán)利內(nèi)。

實施例1

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明空場采礦法礦柱尺寸設(shè)計新方法的步驟，計算礦柱尺寸。

(1)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；



式中：rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，m；

l——開采空間長度/寬度，m；

h——開采空間高度，m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，kg/m3；

h——礦柱頂端至地表巖層的厚度，m；

c——巖體粘聚力，mpa；



——巖體內(nèi)摩擦角，°。

假設(shè)礦房/采場開采空間長度/寬度l＝30m，開采空間高度h＝4m，礦柱上覆巖層巖石的密度ρ＝2761kg/m3，礦柱頂端至地表巖層的厚度h＝250m，巖體粘聚力c＝1.137mpa，巖體內(nèi)摩擦角



通過上式計算礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑rp＝19.643m。

(2)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載：

q＝ρg·rp·l＝2.761×103×10×19.643×30＝1.627×107n/m

(3)利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：

如圖1所示，假設(shè)連續(xù)梁間距l(xiāng)1＝10m。利用力學(xué)理論知識，可推導(dǎo)出連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，并計算出不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：



(4)根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸：

礦柱強(qiáng)度經(jīng)驗公式之一：



式中：σs——礦柱強(qiáng)度，mpa；

σc——礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度，mpa；

w——礦柱的寬度，m；

h——礦柱的高度，m。

若礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度σc＝39.88mpa，則通過上式可計算出不同位置的礦柱尺寸，即：



實施例2

如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明空場采礦法礦柱尺寸設(shè)計新方法的步驟，計算礦柱尺寸。

(1)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；



式中：rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，m；

l——開采空間長度/寬度，m；

h——開采空間高度，m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，kg/m3；

h——礦柱頂端至地表巖層的厚度，m；

c——巖體粘聚力，mpa；



——巖體內(nèi)摩擦角，°。

假設(shè)礦房/采場開采空間長度/寬度l＝40m，開采空間高度h＝4m，礦柱上覆巖層巖石的密度ρ＝2761kg/m3，礦柱頂端至地表巖層的厚度h＝250m，巖體粘聚力c＝1.137mpa，巖體內(nèi)摩擦角



通過上式計算礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑rp＝26.091m。

(2)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載：

q＝ρg·rp·l＝2.761×103×10×26.091×40＝2.883×107n/m

(3)利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：

如圖2所示，假設(shè)連續(xù)梁間距l(xiāng)1＝l2＝10m。利用力學(xué)理論知識，可推導(dǎo)出連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，并計算出不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：



(4)根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸：

礦柱強(qiáng)度經(jīng)驗公式之一：



式中：σs——礦柱強(qiáng)度，mpa；

σc——礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度，mpa；

w——礦柱的寬度，m；

h——礦柱的高度，m。

若礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度σc＝39.88mpa，則通過上式可計算出不同位置的礦柱尺寸，即：



實施例3

如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明空場采礦法礦柱尺寸設(shè)計新方法的步驟，計算礦柱尺寸。

(1)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；



式中：rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，m；

l——開采空間長度/寬度，m；

h——開采空間高度，m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，kg/m3；

h——礦柱頂端至地表巖層的厚度，m；

c——巖體粘聚力，mpa；



——巖體內(nèi)摩擦角，°。

假設(shè)礦房/采場開采空間長度/寬度l＝50m，開采空間高度h＝4m，礦柱上覆巖層巖石的密度ρ＝2761kg/m3，礦柱頂端至地表巖層的厚度h＝250m，巖體粘聚力c＝1.137mpa，巖體內(nèi)摩擦角



通過上式計算礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑rp＝32.555m。

(2)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載：

q＝ρg·rp·l＝2.761×103×10×32.555×50＝4.494×107n/m

(3)利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：

如圖3所示，假設(shè)連續(xù)梁間距l(xiāng)1＝l2＝l3＝10m。利用力學(xué)理論知識，可推導(dǎo)出連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，并計算出不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：



(4)根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸：

礦柱強(qiáng)度經(jīng)驗公式之一：



式中：σs——礦柱強(qiáng)度，mpa；

σc——礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度，mpa；

w——礦柱的寬度，m；

h——礦柱的高度，m。

若礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度σc＝39.88mpa，則通過上式可計算出不同位置的礦柱尺寸，即：



實施例4

如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明空場采礦法礦柱尺寸設(shè)計新方法的步驟，計算礦柱尺寸。

(1)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；



式中：rp——礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑，m；

l——開采空間長度/寬度，m；

h——開采空間高度，m；

ρ——礦柱上覆巖層巖石的密度，kg/m3；

h——礦柱頂端至地表巖層的厚度，m；

c——巖體粘聚力，mpa；



——巖體內(nèi)摩擦角，°。

假設(shè)礦房/采場開采空間長度/寬度l＝60m，開采空間高度h＝4m，礦柱上覆巖層巖石的密度ρ＝2761kg/m3，礦柱頂端至地表巖層的厚度h＝250m，巖體粘聚力c＝1.137mpa，巖體內(nèi)摩擦角



通過上式計算礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑rp＝39.028m。

(2)確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載：

q＝ρg·rp·l＝2.761×103×10×39.028×60＝6.465×107n/m

(3)利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：

如圖4所示，假設(shè)連續(xù)梁間距l(xiāng)1＝l2＝l3＝l4＝10m。利用力學(xué)理論知識，可推導(dǎo)出連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，并計算出不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值：



(4)根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸：

礦柱強(qiáng)度經(jīng)驗公式之一：



式中：σs——礦柱強(qiáng)度，mpa；

σc——礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度，mpa；

w——礦柱的寬度，m；

h——礦柱的高度，m。

若礦柱試件巖石單軸抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度σc＝39.88mpa，則通過上式可計算出不同位置的礦柱尺寸，即：



以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專利的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述提示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明方案的范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了空場采礦法礦柱尺寸計算方法，包括：步驟1，確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)半徑；步驟2，確定礦柱上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重均布荷載；步驟3，利用連續(xù)梁各支點(diǎn)剪力公式，計算不同位置礦柱實際承受上覆巖層塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重施加的壓力值；步驟4，根據(jù)各礦柱實際承受的壓力值，確定不同位置礦柱尺寸。本發(fā)明基于連續(xù)梁理論，根據(jù)礦房/采場不同位置礦柱實際受到的上覆巖層壓力來設(shè)計礦柱尺寸，該方法設(shè)計的礦柱尺寸合理，不僅能滿足礦柱強(qiáng)度的要求，又不會使礦柱尺寸過大，造成礦石資源浪費(fèi)，可最大限度提高礦石資源的回收率。

技術(shù)研發(fā)人員：牛向東;侯克鵬;蘆涌峰

受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué);云南亞融礦業(yè)科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2018.12.04

技術(shù)公布日：2019.05.10