一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法

技术领域

本发明属于地下矿山深部矿床开采技术领域，具体涉及一种深部矿床开采弧形矿柱曲线的确定方法，可在黑色、有色、黄金等地下开采矿山中广泛应用。

背景技术

当前，地下深部矿床采用空场法开采的矿山普遍采用两步骤回采工艺，先回采矿房再回采矿柱，或者先回采矿柱再回采矿房；矿房和矿柱皆为矩形布置。对于先回采矿房再回采矿柱方案，在深部高应力条件下，矿房回采后，由于地应力转移，在矿柱上形成高应力集中现象，集中应力荷载达到矿柱的承载能力后，由于岩体发生塑性屈服，往往造成矿柱的局部破坏或整体失稳，严重时引发顶板坍塌事故，直接威胁着生产作业人员和设备的安全。

针对深井高应力开采矿床，为了提高矿柱的稳定性，提高采场作业安全，通常采用增大矿柱断面尺寸、减小采场尺寸的控制措施，然而由于二步骤矿柱回采难度大，往往造成矿柱的矿石回采小、损失大的难题，不仅增大了矿石损失率，严重浪费了矿产资源，也不利于矿石资源的安全高效回采。为进一步提高矿石的回收率，部分矿山采用缩小矿柱尺寸，对矿柱进行锚网或锚喷网支护的措施，虽然一定程度上增大了矿柱的稳定性，但对矿柱支护成本高、劳动强度大，同时支护时的钻孔工作等对矿柱造成了二次扰动损伤，生产上不经济。

如中国专利申请201510302718.0公开的“预护顶阶段矿房与上向分层联合充填采矿法”，提出矿房回采完毕后，再进行回采矿柱；在矿房回采前，在分段上盘支护巷内提前对上盘进行长锚索预支护，在顶柱下面的回风联络道内，对顶柱也要进行锚杆加金属网联合预支护。显然，该方法对矿柱支护费用高，劳动强度大，增大了生产成本。

为解决高应力下矿柱稳定性控制难题，减轻矿柱的应力集中程度，降低高地应力对矿柱的损伤破坏，提高矿柱保护下的生产作业安全，本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法提出了一种弧形矿柱布置方案，并提出了弧形矿柱曲线的确定方法。通过弧形曲面将矿柱上方的高地应力转移到底板上，减小矿柱上的应力集中现象，提高矿柱的自承载能力和整体稳定性，为高应力下的深部矿床开采创造安全条件。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的矿柱矿石回采小、资源损失大、矿柱支护成本高以及矿柱支护钻孔工作产生二次扰动损伤的问题，而提供一种矿柱稳定性好、资源回采率高、免支护的用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法。

为实现本发明的上述目的，本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法，在矿体中布置矿房、矿柱，具体采用以下技术方案：

1)将矿柱设计为纵剖面为上、下两端翼缘宽、中间腹部窄的两侧对称的内凹弧形的弧形矿柱布置方式；不同高度位置的横剖面为不同宽度的矩形，其中弧形矿柱翼部断面宽度最大，取值2b

2)本发明中弧形矿柱高度H、腹部断面宽度2a

在这里，以弧形矿柱中心为原点O，以水平方向(宽度方向)为a、竖直方向(高度方向)为h建立直角坐标系统，则弧形矿柱的轮廓曲线计算公式表示为：

式中，h∈[-H/2，H/2]，H＞0，a

其中：H—弧形矿柱高度，m；k

3)弧形矿柱(3)轮廓曲线确定方法为：采用ANSYS、FLAC、ABAQUS、UDEC、3DEC、RFPA、PFC、PLAXIS、COMSOL或其他数值模拟软件建立不同弧形矿柱高度H、腹部宽度2a

根据现场试验优化确定的弧形矿柱高度H、弧形矿柱腹部断面宽度2a

进一步地，在矿房中，按照掏槽孔→破碎孔→顶孔→底孔的顺序依次进行弱扰动微差逐一孔控制起爆；爆破完成后，将矿房中的矿石铲装运输至矿石溜井或破碎站进行破碎作业；待矿房中矿石运出后，再起爆帮孔；沿帮孔的炮孔走向上，采用直径20mm～32mm的炸药卷间隔布置方案，根据弧形矿柱高度的不同，采用低波阻抗炸药、线性切槽技术进行同时起爆或分2～3次起爆；帮孔起爆后，将崩落的矿石运出，然后对弧形矿柱进行简单修整，即形成较为光滑的弧线轮廓面，从而形成良好的矿房与矿柱的分界面，控制弧形矿柱的弧度曲线，通过弧形矿柱转移地应力，维护矿柱的安全与稳定。

进一步地，相邻帮孔的孔间距m一般比帮孔与破碎孔(5)的距离n小0.1m～0.4m。

本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法采用以上技术方案后，具有以下积极效果：

(1)设计并形成的弧形矿柱，能够克服高应力下矩形矿柱过早屈服破坏的弊端，降低高应力下矿柱上的应力集中程度，减轻高应力对矿柱的损伤破坏，增强矿柱的自承载能力，解决深井开采矿柱失稳破坏难题，同等条件下比矩形矿柱的稳定性可以增大30％以上。

(2)通过确定合理的矿柱尺寸参数，可以为矿房参数优化提供重要指导依据，提高矿产资源回收率，有效避免深井开采地应力灾害的发生，提高生产作业效率和深井开采安全，为生产作业人员和设备的安全提供技术保障。

(3)可以节省高应力下矿柱破坏加固支护费用，避免采取支护措施额外增加生产费用，降低深井开采作业成本，为深部矿床低成本开采创造条件，取得显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法设计的矿柱纵剖面示意图；

图2为本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法设计的矿柱横剖面示意图；

图3为本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法采场布置纵剖面示意图。

附图标记为：1-矿体；2-矿房；3-弧形矿柱；4-掏槽孔；5-破碎孔；6-顶孔；7-底孔；8-帮孔；9-弧形矿柱翼部横断面矩形；10-弧形矿柱腹部横断面矩形；m-相邻帮孔的孔间距；n-帮孔与破碎孔的距离。

具体实施方式

为更好地描述本发明，下面结合附图对本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法做进一步详细描述。

由图1所示的本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法设计的矿柱纵剖面示意图并结合图2、图3看出，本发明一种用于深部矿床开采的弧形矿柱轮廓曲线的确定方法具体采用以下步骤实施：

1)根据不同的弧形矿柱3高度H、弧形矿柱腹部断面宽度2a

2)在矿山现场开展不同地应力和岩性条件下的弧形矿柱3布置试验，根据弧形矿柱3损伤变形数据，分析确定不同条件下最佳的弧形矿柱3布置参数。

3)根据确定的弧形矿柱3参数，在矿体1中布置矿房2和弧形矿柱3，其中矿房2为两帮对称外凸弧形、顶底板水平布置形式，弧形矿柱3为两侧对称内凹弧形布置形式。矿房2和弧形矿柱3共用弧形曲面。

4)在矿房2中从内向外依次布置掏槽孔4、破碎孔5和边孔，边孔包括顶孔6、底孔7和帮孔8，其中掏槽孔4位于矿房2的中央偏下位置，采用孔径70mm～120mm空孔和孔径32mm～50mm炮孔的组合炮孔布置方式，起到爆破掏槽的作用。破碎孔5位于掏槽孔4的外侧，孔径32mm～50mm，孔距0.4m～0.9m，主要起到破碎崩落矿岩的作用。顶孔6和底孔7分别位于矿房2的顶板和底板上，孔径32mm～50mm，孔距0.4m～0.7m，二者皆为控制矿房2爆破边界轮廓的作用。

5)帮孔8位于矿房2与两侧弧形矿柱3的交界面处，孔径25mm～35mm，采用密集布孔方式，既作为矿房2和矿柱3的分界孔，又起到控制弧形矿柱3曲线轮廓的作用。

相邻帮孔8的孔间距m为0.2m～0.5m，根据岩体特性、构造裂隙、地应力状态因素以及现场爆破效果进行灵活控制；相邻帮孔8的孔间距m小于帮孔8与破碎孔5的距离n，一般需减小0.1m～0.4m。

6)在矿房2中，掏槽孔4、破碎孔5、顶孔6和底孔7采用弱振动微差逐一孔爆破方案，按照掏槽孔4→破碎孔5→顶孔6→底孔7的顺序依次进行毫秒延时控制起爆。爆破完成后，将矿房2中矿石进行铲装运输至矿石溜井或破碎站进行破碎。

7)待矿房2中的矿石运出后，最后起爆帮孔8。沿帮孔8的炮孔走向上，采用直径20mm～32mm的炸药卷间隔布置方案，根据弧形矿柱高度H的不同，对帮孔8采用低波阻抗炸药、线性切槽技术进行同时起爆或分2～3次起爆，以减小炸药爆炸荷载对弧形矿柱3的损伤破坏，提高弧形矿柱3的稳定性。

8)帮孔8起爆后，将崩落的矿石运出，然后对弧形矿柱3进行简单的修整，即形成较为光滑的弧线轮廓面。