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采场地压及顶板控制

l 1概述
l 采场是施工单位工作活动的范围，掌握采场的结构及变化规律，才能有效控制顶板。
l 采场划分必须根据自然环境，划分成不同的采场。
l 采场顶板岩性分析，掌握顶板岩石性质，采取有效方法控制。
l 1 利用矿岩本身的强度和留必要的支撑矿柱，以保持采场的稳定性。
l 2 采取各种支护方法，支撑回采工作面，以维持其稳定性。
l 3 充填采空区，支撑围岩并保持其稳定性。
l 4 崩落围岩，使采场围岩应力降低，并使其重新分布达到新的应力平衡。
2 采场划分
一、根据自然环境划分
（一）、以自然形成的大断层为界
1、根据断层的大小划分成不同的区域
2、根据生产能力划定区域
3、根据顶板结构和控制能力划定采场。
（二）、矿山企业采场
1、矿田：规划一个矿山企业开采顺序的全部矿床或一部分。
2、井田：规划一个矿井开采的全部矿床或其一部分。
例：角色矿即是一个矿田，国各庄采区为一个采区。

3、 阶段：在开采缓倾斜、倾斜和急倾斜矿体时，在井田中每隔一定的
垂直距离，掘进一条或几条与走向一致的主要运输巷道，将井田在垂直方向上划
分为矿段，这个矿段叫阶段。
4、阶段高度：上下两个相邻阶段运输巷道底版之间的垂直距离，叫阶段。
5、每个阶段划分为多个采场，单个采场独立开采。
二、开采顺序
（一）井田中阶段的开采顺序：
  1 、上行式：先采下部阶段，后采上部阶段，由下而上逐个阶段开采。
  2 、下行式：先开采上部阶段，后开采下部阶段，由上而下逐个阶段开采。 
（二）、阶段中的开采顺序
  1、前进式；
  2、后退式；
3、混合式。
  3、岩性分析
工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。
b、1岩石

工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。

a、岩浆岩
岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石， 绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。
b、沉积岩
沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。
沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。
c、变质岩
变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。
岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。

岩石的结构特征

岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。
· 结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两 维面状地质界面包括，物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）
· 结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。
在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。

图1.1.2为岩体的结构型式

1---节理；2---层理；3---断层；4---断层破碎带
(a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f)层状破坏结构；
(g)破裂结构；(h)散粒结构
图1.1.2
这种分类将岩石划分为硬质岩、中等坚硬岩以及软岩三个类别，界限明确，使用方便，但是单一的抗压强度并不是以表述岩石的工程性质，况且对于某些岩石来说，强度并不是固定不变的，因此，仅考虑抗压强度这一单一因素的分类法存在一定的局限性。

表1.6.1 岩石的强度分类

编号
类 别
单轴饱和抗压强度(MPa)
代 表 性 岩 石
Ⅰ
硬质岩
>80
中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，石英岩，硅质灰岩，硅质胶结的砾岩

Ⅱ
中等坚硬岩
30～80
厚层、中厚层石灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩，粗粒的或斑状结构的岩浆岩

Ⅲ
软质岩
<30

泥质岩，砂页岩互层，泥质灰岩。部分凝灰岩，绿泥石片岩，千枚岩

岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。
a、单向裂隙(或裂隙频率)
单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(m)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：

式中，Kd -- 单向裂隙(m)
d -- 结构面间平均间距(m)
b、平面裂隙率 平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即：

式中：li -- 第i条裂隙面长度(m)
ti -- 第i条裂隙面的宽度(m)
A -- 被测量的岩石总面积(m)
裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿成工程隐患。

四、采场暴露面和矿柱
一 采场稳定阶段和矿块
l 1 影响采场暴露面积大小的主要因素：矿石和围岩的力学性质，开采深度，施加在开采空间顶板的上覆岩层高度，暴露面维持的时间，暴露面的几何形状等。
l 2 地表全部覆岩重量的总和。
l 3 拱形假说以松散体力学为理论基础，认为在上部覆岩的压力作用下，松散的岩体从开采的顶板向下冒落，形成自然平衡拱。作用在矿柱上或支架上的载荷，仅是冒落拱内岩块的重量，于开采空间埋藏深度无关。其方程式为：

l

式中 a—平衡拱跨度之半
f—岩石坚固性系数
4 开采空间上部岩体所承受的载荷，部使其上部整个覆岩的重量，而仅使其中的一部分。如果施加在开采空间顶板上面的岩层高度：
Hb=KH
H为开采深度；k为载荷系数。
暴露面保持的时间，对稳定性也又很重要的影响。
二 矿柱：
1 矿柱的形状对其强度的影响：矿柱的强度与其形状有关。矿柱的宽度越大，高度越小，矿柱处于三向压缩状态的部分越大，则矿柱的强度越高。

l 2 水平和缓倾斜矿体矿柱计算：
l 保证矿柱强度必需的截面，按许用承载强度计算：

l

S—矿柱支撑的上部覆岩面积；
H—开采深度
K—载荷系数，与岩石性质有关
S—矿柱的截面积；n—安全系数。

3最终选定的矿柱尺寸，必须大于下列条件所限定的矿柱最小宽度；
1）为防止矿柱被爆破崩坏，应使
2）为防止矿柱纵向弯曲要求
C≥1∕4 h-3/4 h
3）采用爆破崩矿时，要求c>3-5m，以保持矿柱中心部位稳固。
4）如果顶板岩石强度低于矿石强度，为防止矿柱压入顶板，应加大矿柱面积。
4 急倾斜矿体矿柱计算 开采急倾斜矿体时，一般留有叮嘱，底柱和间柱。底柱因受放矿巷道切割严重，对围岩的支撑能力很差；顶柱因受剪应力和弯曲应力，只能承受部分载荷。
l 三 支撑压力：
l 开采空间上部覆岩的重量，由其两侧围岩支撑，因而两侧围岩所承受的压力比开挖前药高，升高的压力称为支撑压力，压力升高的范围称为支撑压力区。图１３-３为圆形开挖空间支撑压力图．
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一、改善围岩的应力状态
1、合理确定采场断面形状及矿房、矿柱尺寸
例如，在自重应力场中用空场法开采，留倾斜矿柱比水平矿柱更合理。
2、确定合理的矿块开采顺序
利用矿房矿柱间隔回采的方法，能大大减轻地压。矿房矿柱尺寸选取得当，可形成免压拱，在免压拱下回采则较为安全。
3、确定合理的矿体开采顺序
（1）在地质构造复杂地段先回采高应力矿块。
（2）自断层下盘后退式回采。矿体被断层错断后，断层下盘矿体的回采顺序不同时，地压显现也不同。
后退式回采
应力降低区

前进式回采
应力集中区

4、合理布置采场
回采空间长轴方向应尽可能与矿体最大主应力方向一致。

沿最大主应力方向掘进

垂直最大主应力方向掘进

因此顶柱和底柱的支撑能力仅按安全系数考虑。

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l 　　　　　３　支　　护
l 当回采不够稳固的矿体或围岩时，有时应用支柱或支架支护采空区，以保证回采工作的安全．
l 一　木材支护：
l １　横撑支柱和立柱：开采急倾斜薄矿脉（厚度小于２-３m）时，用横撑支柱支护两帮围岩，并在其上假设木板或圆木，作为凿岩爆破的工作台．
l ２　木垛：用于或度不大而地压较大的缓倾斜矿体或在充填体上面支护顶板．木垛常用的木材
长度为１.５-２.５m，直径１２０-２００mm．水平矿体所用木垛中木料最小长度不得小于高度的１／４，以保证其稳定性．
l ３　方框支架和木棚：方框支架是一个矩形平行六面体的木结构，随回采工作面推移，由下盘向上盘逐个假设，由下向上逐层建造（图１３-９）．在不稳定的围岩和矿石中，采用回采航道回采时，常用间隔的或密集的木棚支护．
l 二　锚杆和锚杆架支护
l １　锚杆支护　综合国内外应用的锚杆结构型式，可将其分类为：点锚固型式和全长锚固形式．
l ２　锚杆支护区别于木材支护的主要特点是锚杆和围岩结合为一整体，共同作用，因此也称为主动支护．
l ３　锚杆的力学作用：
l １）　悬吊作用：在快状结构或碎裂结构的岩层中，锚杆将不稳固的岩块或岩层，悬吊在松动区以外的稳固的岩层上，组织岩块或岩层塌落

l ２）　组合作用：在层状结构的岩层中，锚杆如同连接螺栓，将薄层组合成厚梁，使围岩承载能力大大提高．
l ３）　挤压作用：在松软的岩层中，以某中参数系统布置预应力锚杆群，在围岩内形成一个承载拱，以提高围岩的承载能力．
l ２　锚杆　架支护　锚杆　架是矿山顶板的新方法，它比锚杆支护具有更高的优越性．１９６６年在美国研制成功，以后应用与煤和非矿山的宽巷道，斜坡的顶板支护，还用于房柱法的矿房顶板支护上．

三　金属支架支护
　　金属支架在地下开采中的应用逐渐增加，因为它具有强度大，使用期限长，可多次复用，安装容易，耐火性强等优点．但这种支架重量大，成本高，搬运和修理较困难，因此多用于开拓和采准巷道的支护中，而采场中应用较少．
　　近年来，在开采顶板不稳定的缓倾斜薄矿体时，探索性的移植了煤矿液压式掩护支架．随回采工作面向前推进，不断移动掩护支架以支撑工作面附近的顶板．在支架的后方，直接顶板可自然冒落．但由于金属矿石较坚硬，通常使用凿岩爆破发落矿，故掩护支架需有防爆措施．此外，尚应研制与掩护支架配套的采场搬运措施．实践证明，用掩护支架支护顶板时，采取电耙搬运矿石极为不方便．

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l 四　混凝土和喷射混凝土支护
　　这种支护方法主要用于电耙巷道，喷射混凝土支护有时也用于采矿巷道．
　１.　混凝土支护　主要是使用素混凝土，但在一些关键部位采用配以钢筋或钢轨，工字钢等整体浇灌的支护方法．它具有承压大，整体性好，适应各种漏斗布置形式，支护表面平整利于耙矿等优点．但无可塑性，抗爆破冲击震动性能差，需要较长的养生期，底柱回采后弯曲的钢筋不利放矿．
　２　喷射混凝土支护　它是把运输浇灌和捣固等工序结合起来的新工艺．和浇灌混凝土支护相比，提高了施工速度２倍以上，减少掘进工程量１５-２０％，节省劳动力５０％，降低成本５０％．

l 　　　　　４　充填
l 按照充填材料的成分和输送方法不同，可分为干式充填，水利充填和胶结充填．
l 一　干式充填：
l 按采厂内运输废石的方式，可以分为自重，机械和风力三种．自重充填主要用于随后充填，但当采用倾斜分层回采时，也可用于同时充填．
l 机械充填是用自行设备，电耙或输送机在采场内扑平废石．
l 风力充填应用较少．它是利用压气使充填了沿管路送向充填地点．
l 由于干式充填效率低，充填工作劳动消耗大，充填不够致密，逐渐为水利充填所代替．但对中小型矿山因为投资少，不需添置设备，因此仍有使用价值．

l 二　水利充填
l 水力充填是用水作媒介，使充填料沿管道或钻孔输送到充填地点．包括充填料的选择和加工，砂浆制备和输送，充填和脱水以及废水处理等．
l １　充填材料的选择和加工　水力充填材料有河砂，山砂，卵石，炉渣，采掘的岩石以及选厂的尾砂等．充填料的最大粒径不应超过管径的１／３，而且含量不超过总量的１５％．砂浆的浓度用固体和液体的体积比或重量比表示，为了减少排水费用，固液比应控制在１：３.５以内．
l 应严格控制尾砂的硫化物的含量：黄铁矿含量不得超过８％，磁铁矿不应超过４％．否则应惊醒脱硫处理．

l ２　充填料的制备：为了使充填料在管道中顺利输送，充填料在进入管道前，必须和水均匀混合成砂浆，这就是砂浆制备．其目的是将充填料配制成合格的粒级组成，控制细泥含量和砂浆浓度，以保证顺利输送和达到必要的充填能力．
l ３　砂浆的水利输送　制备好的砂浆，需用管道输送至充填地点．利用管道进行水力输送充填料，是属两相流问题．
l ４　充填体的形成与脱水　目前国内外的脱水方法有两种：溢流脱水和渗透脱水．充填料的粒级在１９-２７um以上时，宜用渗透脱水；对于１９-２７um以下的则只能用溢流脱水．

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l ５排泥　沉淀池或水仓内沉淀的泥砂，必须定期清理，这个过程称排泥．
l ６水力充填评价
l 与干式充填比较，水力充填工作可实现全面机械化，劳动生产率高，充填能力大，充填体密度大，但污染巷道，基建费用较高．与胶结充填比较，充填费用低，但充填体具有松散性，沉缩较大．对充填体强度没有特殊要求时，水力充填有明显的优点．
l 三胶结
l １　充填材料：混凝土和尾砂两类．
l ２　胶结充填料的配比　混凝土胶结充填料，应具有较好的流动性，便于向采场输送和浇注．尾砂胶结充填了的配比主要是指水泥和尾砂重量比和输送浓度．　

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l 当前，水泥和尾砂比一般控制在１：３０-１：５的范围内．采场随后充填的灰砂比为１：３０-１：２０．浇注采场假底时为１：６-１：５．尾砂比重为２.６时，输送浓度可娶６５-６８％；尾砂比重２.８以上时输送浓度可取７０-７２％．
l ３胶结充填料的制备和输送：间歇式搅拌系统，连续式搅拌系统，半分离制备系统．
l ４　胶结充填的评价：与混凝土胶结充填比较，尾砂胶结充填的充填料便于管道输送，制备工艺简单，效率高，投资少，但其充填体强度较低，应用絮凝剂可以防止水泥离析现象，以提高充填体强度．
l 四　充填体的作用

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l １　充填体对矿柱的作用：能有效的控制地压和限制围岩的移动，保持开采空间的稳固性．
l ２　充填体对围岩应力分布的影响：充填的作用在于限制围岩和矿柱变形的发展，减缓岩石移动的危害和降低地表的下沉程度．充填工作速度越快，围岩变形受限制的时间越早，越有利于开采空间的稳定．
l 当采用间隔开采和胶结充填，以及在接顶又较理想的条件下，第一步回采矿柱的应力分布曲线，图１３-２１a；第二步骤回采矿房时，原矿房上部的支撑压力转移到人工矿柱上面，使回采工作处于应力降低区，可保证回采作业的安全．图１３-２１b

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l 　　　　５　崩落围岩
l 在回采工程中或回采结束后，可采用自然方式或强制方式崩落围岩充满采空区的方法，以改变围岩应力分布状态，达到有效地控制地压的目的．
l 一　开采水平和缓倾斜矿体的地压及其控制：可周期性的切断直接顶板，崩落的围岩充满采空区．
l 二　开采倾斜和及倾斜矿体的地压及其控制：
l １　松散矿岩对底柱的压力：在放矿过程中，底柱上的压力随放矿情况而变化．采场底部承受的压力小于上覆松散矿岩的总重，其压力分布如图１３-２２．由于放矿漏斗上部松动椭球体顶端出现免压拱，从而出现以放矿漏斗为中心的降压带及其四周一定范围内的增压带

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l 图１３-２３．同时放矿面积增加时，可能形成一个大的免压拱，拱上的压力将向西周传递．当放矿面积增加到一定值后，大免压拱不易形成，压力分布又恢复到图１３-２３所示的情况．我们可利用控制放矿面积及其压力传递规律，避免底柱上压力过于集中而遭到破坏．
l ２矿体下盘的压力　当开采深度大于３００-４００m时，在回采工作影响范围内，由于下盘岩石受崩落矿岩重力作用以及承受经崩落矿岩传递的上盘压力，在下盘岩石中产生应力集中（图１３-２４），使靠近矿体下盘的阶段运输巷道遭到破坏．在这种情况下，应将阶段运输巷道布置在离矿体稍远的地方，以避开支承压力区．
l ３确定合理的矿床开采顺序　　当矿体走向长度很大或地质条件复杂，合理确定矿床开采顺序，是控制地压的极为重要的问题之一．
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l 在一般情况下，矿体走向中央部位，压力最大．因此，应采取从中央向矿体两翼的前进式回采顺序，较为合理．相反，如果采用从矿体两端向中央后退式开采，在回采初期，地压可能显现不明显，但当回采接近中央部分，地压将逐渐加大，最后几个矿块，由于承受较大的支承压力，使回采工作发生很大困难，甚至损失大量的矿石．

第十四章　采矿方法分类
l 　　１　采矿方法分类的目的与要求
l 采矿方法就是研究矿块的采矿方法，包括采准，切割和回采三项工作．为了更好地回采矿石而在矿块中所进行的采准，切割和回采工作的总和称为采矿方法．
l 采矿方法分类应满足下列基本要求：
l １分类应反映采矿方法最主要的特征
l ２分类应简单明了，防止庞杂和烦琐，但要包括在国内外目前应用的主要采矿方法．
l ３分类必须反映采矿方法的实质，作为选择和研究采矿方法的基础．

l 　２　采矿方法分类的依据及其分类
l 一　采矿方法的分类：
l １空场采矿法．此法将矿块划分为矿房和矿柱，分两步开采．回采矿房时所形成的采空区，可利用矿柱和矿岩本身的强度进行维护．
l ２充填采矿法．矿石和围岩稳固或不稳固，均可应用本类采矿法．
l ３崩落采矿法．

l 　　　　３　采矿方法应用现状
l 世界各国都根据各自的矿产资源赋存条件和工艺技术与采矿设备发展情况，在长期的生产实践中，形成了各自的采矿方法及其回采工艺特征．见列表１４-２中．美国是以房柱法和阶段崩落法为主，加拿大适用于阶段矿房法和填充采矿法；瑞士铁矿主要使用无底柱分段崩落法，而多数有色金属矿山都采用机械化充填采矿法；法国采用房柱采矿法．
l 总结最近２０-３０年来国内外底下金属矿山的生产实践，今后总的发展趋势，是使采矿方法结构趋于简化，便于实现机械化开采．