由于矿体赋存条件不同，而采用不同的采矿方法，其地压显现特征和地压控制方法，也有很大差异。

 

 

    应用空场采矿法时，要使采场处于良好的稳定状态，必须满足两个条件：矿房跨度不超过极限值，矿柱应大于其极限强度所要求的规格；同时还要很好解决跨度和矿柱尺寸的合理配合问题。

 

    （一）矿房极限跨度的确定

 

    1、矿房的极限跨度a_u是开采空间水平暴露面积保持稳定的矿房最大跨度。

 

    当矿房长l小于两倍矿房跨度a时，采场的稳定性取决于暴露面积S是否小于极限暴露面积S_u，即：

 

当l＜2a时        la＝S＜S_u

 

    当矿房长度l大于两倍矿房跨度时，采场的稳定性取决于矿房跨度，即：

 

 当l＞2a时，        a＜a_u

 

    2、用拉应力条件计算矿房极限跨度。在矿体倾角小于20～30°，开采深度大于开采宽度3倍以上条件下，根据光弹试验研究，提出按下式估算矿房的极限跨度：

 

 

式中：

 

    λ－侧压系数；

 

    γ－岩石容量，t/m³ï¼›

 

    H－开采深度，m；

 

    [σ_t]－顶板岩石许用拉应力，10^－2MPa。

 

    3、用函数估价法确定矿房的极限跨度。函数估计法是运用理论或实践方法，求出极限跨度的函数式，然后由经过生产检验类似矿山的矿房极限跨度值，再求算未知矿体矿房的极限跨度值。这种方法的实质，就是工程类比法，类似条件越接近，参与类比的实例越多，所得结果越可靠。

 

    研究得知，矿房的极限跨度a_u，可用矿房顶板暴露面的垂直应力σ_u求出，并有下列关系：

 

 

式中：

 

    C－为常数；

 

    m－大于1的系数，苏联里夫金教授按克里沃洛格的条件测得m＝2。

 

    当开采水平矿体时：

 

σ_v＝kγH

 

    当开采倾斜矿体时（见图1）

 

σ_v＝kγH（cosa＋λsina）

 

式中：

 

    k－载荷系数，与岩性、H/L有关；

 

    L－沿走向或倾斜开采空间的短边尺寸，m；

 

H/L＜1时        k＝1；

 

H/L＞2时        k＝0.4～0.8

 

    λ－侧压系数，λ＝μ/1－μ；

 

    μ－岩石的波松比；

 

    a－矿体倾角，（°）。

 

 

图1  矿体倾角对顶板暴露面法向应力分量的影响

 

a－急倾斜矿体；b－缓倾斜矿体

 

    例题：应用房柱法开采缓倾斜矿体，其开采条件和生产采用的矿房跨度列于表1中。根据矿区内多数矿体条件选定基准条件（j），并已知新矿体条件（x）后，求新矿体矿房的极限跨度。

 

    解：首先将表中实际的4个矿房跨度，分别按下式转化为基准条件下的矿房跨度（设m＝2）

 

 

    得出，a_uj1＝14.1m；a_uj2＝16.1m；a_uj3＝14.2m；a_uj4＝12.8m。

 

    基准条件下的平均极限跨度

 

 

    所求矿体矿房的极限跨度

 

 

表1  矿体开采条件和矿房跨度

 

    （二）矿柱尺寸计算

 

    1、矿柱形状对其强度的影响。矿柱的短边宽度b越大，高度h越小，矿柱处于三向受压状态的部分越多，则矿柱的强度越高。

 

    矿柱的抗压强度σ_zh为

 

σ_zh＝σ_fk_f，MPa

 

式中：

 

    σ_f－立方形矿柱的抗压强度，MPa；

 

    k_f－矿柱形状系数。

 

    当b＜h时，k_f值如下：

 

    b/h：    1       1/2        1/3          1/4

    k_f:      1    0.7～0.8    0.5～0.8    0.4～0.5

 

    当b＞h时，k_f＝b/h。

 

    2、矿柱尺寸计算。按矿体倾角及矿柱形状不同，矿柱宽度计算公式，列于表2中。

 

表2  矿柱宽度b计算公式

 

 

    用房柱法开采埋深较大的缓倾斜矿体时，要留较大的盘区矿柱，作为永久损失的刚性矿柱，以承受盘区范围内的大部分覆岩重量。当H/L＝1.5～2时（H为开采深度，L为开采宽度），在坚硬弹性矿石条件下，盘区矿柱承受20%～40%的覆岩重量；在软弱塑性矿石时，承受55%～65%。盘区内的支撑矿柱，作为柔性矿柱承受其余覆岩重量。随回采工作的推进，支撑矿柱呈塑性变形而破坏，冒落后充填采空区。这种应力转移方法，是利用压力拱原理，为近年出现的控制顶板应力的新技术。

 

    我国锡矿山矿务局南矿的生产实践证明，形成压力拱后进行回采，矿房顶板压力降低，回采顺利，如图2所示。该矿七阶段71～73采场大冒落后，相邻的61～69采场地压活动剧烈，回采很困难。在45～51采场回采冒落后，61～69采场地压明显降低，使回采又变得顺利。这是因为两侧采场冒落后，应力集中区由61～69采场转移到45～51采场的外侧矿柱上，形成一个大压力拱，中间采场处于应力降低区内。

 

 

图2  锡矿山南矿在压力拱下回采

（图中数字表示采场编号）

 

    有限元数值模拟分析表明当顶板岩石的刚度与矿柱矿石的刚度相近或大于矿柱矿石刚度时，只要矿房矿柱参数选取适当，便能形成压力拱（图3），当矿体厚度较大，支承矿柱宽高比小时，便容易形成压力拱；当顶板为层状产出，支撑矿柱变形较大，顶板发生离层现象，也极易形成压力拱；应用人工胶结矿柱，其刚度远较矿石的刚度低，会使顶板应力能很好地转移而形成压力拱。因此，形成压力拱是有条件的，只有具备上述必要的条件时，就能形成压力拱。

 

 

图3  岩矿刚度比为1∶1.04时的顶板岩层应力分布（a）与顶板位移曲线（b）

 

    美国白松铜矿是一个埋深较大（915m）的缓倾斜矿体。随采深增加，矿柱规格加大，使普通房柱法的矿石回收率逐渐降低。在采深458m时，回收率仅为57%。故在采深610m时试验利用压力拱控制地压，为了不使顶板冒透地表，盘区宽度必须小于1/3采深。盘区矿柱宽高比为7，支撑矿柱为2，矿石回收率达62%～71%。这一试验证明，用压力拱法，可以有效地控制地压。

 

 

    常用的岩石加固方法有：锚杆、素喷、锚喷、锚网、锚喷网、锚索、锚杆桁架以及注浆等。

 

    （一）锚杆、锚喷、锚索支护

 

    这些支护方法是与岩体共同作用，或组合加固岩层，或将稳固性差的岩层悬吊在坚硬稳固岩层上，或改善岩体应力状态，以提高围岩的自撑能力，达到维护开采空间稳定的目的。

 

    近年来采用锚杆、锚网、锚索支护空场法和充填法矿房顶板的矿山，日益增多（表3）。

 

表3  应用锚杆、锚索支护矿房顶板实例

 

    有限元法数值模拟表明：

 

    1、矿房顶板用锚杆支护后，可以减少顶板表面水平拉应力及其范围，或变拉应力为压应力（图4），改善了顶板应力状态，提高了顶板的稳固性。

 

 

图4  锚杆支护顶板应力曲线（实线无锚杆支护，虚线有锚杆支护）

 

a－矿房跨度8m；b－矿房跨度10m

 

    2、矿房支护锚杆后，使顶板垂直压应力有一定的增加，加固了顶板岩层。

 

    3、支护锚杆后，使顶板表面垂直位移有一定的减少。

 

    （二）锚杆桁架支护

 

    锚杆桁架是最近才得到应用的新支护方法。国外应用这种支护实践表明，它是维护不稳固的宽巷道或房柱法矿房的有效方法。这种支护方法，目前在我国刚开始试验，专题研究的很少。

 

    锚杆桁架支护结构，如图5所示。

 

 

图5  锚杆桁架支护结构图（图中阴影表示压应力区）

 

1－涨壳式锚杆；2－连结钢杆；3－拧紧装置；4－垫块

 

    光弹实验及现场实测都表明，在锚杆桁架支护的顶板岩层中，产生压应力区，对岩层起加固作用。

 

    （三）注浆法加固顶板

 

    在围岩破碎的条件下，用注浆法可赋予破碎顶板以较高的抗剪强度和抗拉强度，改善岩体的力学性能。

 

    这种方法是沿预先钻好的注浆孔，以高压（一般为1～1.5MPa）将水泥浆或其他浆液灌注到岩体的裂隙中，水泥固结，硬化后对岩体起加固作用。对于渗透性好的发育贯穿型裂隙岩体，注浆法能获得良好的加固和防水效果。但裂隙呈闭合状态或其间含粘土质成分时，注浆极其困难，且不能收到预期的加固效果。

 

 

    矿房回采后形成的采空区，随回采工作的推进将不断扩大，顶板压力也会逐渐增加，残留的矿柱发生变形、破坏甚至倒塌，采场局部冒落可能导致大面积地压。因此，采取适当方法及时处理采空区，是控制地压的有效措施。