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论文1石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用

来源:动视网 责编:小OO 时间:2025-09-26 05:37:02
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论文1石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用

石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用摘要:通过对汶阳石膏矿矿井深部膏层取样,进行物理力学试验,得到深部膏层的力学参数,利用简支梁理论及附属面积理论,确定出其采房跨度为4.0米,膏柱宽度为5.0米,并在汶阳矿3Ⅱ319工作面进行了实验,得到了很好的安全和经济效益,从而为石膏矿深部矿层开采采留比设计提供了科学依据,同时,对也对其它石膏矿深部开采也具有较好的指导意义[1]。关键词:石膏矿,房柱式,深部,采留比中图分类号:TD872文献标识码:ATheResearchandApplicationofR
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导读石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用摘要:通过对汶阳石膏矿矿井深部膏层取样,进行物理力学试验,得到深部膏层的力学参数,利用简支梁理论及附属面积理论,确定出其采房跨度为4.0米,膏柱宽度为5.0米,并在汶阳矿3Ⅱ319工作面进行了实验,得到了很好的安全和经济效益,从而为石膏矿深部矿层开采采留比设计提供了科学依据,同时,对也对其它石膏矿深部开采也具有较好的指导意义[1]。关键词:石膏矿,房柱式,深部,采留比中图分类号:TD872文献标识码:ATheResearchandApplicationofR
石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用

摘要:通过对汶阳石膏矿矿井深部膏层取样,进行物理力学试验,得到深部膏层的力学参数,利用简支梁理论及附属面积理论,确定出其采房跨度为4.0米,膏柱宽度为5.0米,并在汶阳矿3Ⅱ319工作面进行了实验,得到了很好的安全和经济效益,从而为石膏矿深部矿层开采采留比设计提供了科学依据,同时,对也对其它石膏矿深部开采也具有较好的指导意义[1]。

关键词:石膏矿,房柱式,深部,采留比

中图分类号:TD872                       文献标识码:A

      The Research and Application of Ratio of Mining and Remaining in Deep Gypsum Mine Seam Mining

Abstract: Through the WenYang gypsum mine deep cream layer sampling, physical mechanics test, got deep cream layer of the mechanical parameters, using the theory and accessory area beam theory, determining its mining room span of 4.0 m, anointed column width is 5.0 meters, and in 3Ⅱ319 working face carried on the experiment, got a very good safety and economic benefit, so  provide scientific basis to the ratio of mining and remaining designation of gypsum mine, at the same time, to other gypsum mine deep mining also has a good guide. 

Key words: gypsum mine, room and pillar mining,deep, ratio of mining and remaining

0前言

深部膏层地应力较大,矿压显现比较明显[2],当前国内外尚没有成熟、科学、合理的石膏矿深部开采采留比参数可供参考。文章针对汶阳矿的地质材料及开采现状,利用石膏层力学参数和简支梁理论及附属面积理论[3],并通过对工作面现场的实验,对深部开采采留比做深入的研究。

1工程概况

汶阳石膏矿矿层顶板埋深在145m~231m,采用房柱式开采,主要运输大巷和硐室均布置在-160m水平,随着下山采区即3300采区、3400采区的开拓,膏层埋深越来越大,地层应力越来越大,矿压显现也越来越明显,为确保安全生产,必须要确定合理的采留比。因此,开展深部矿层开采采留比的研究是十分重要的课题。

2 采房跨度和膏柱宽度的计算 

我们在3300采区轨道下山、3300边界回风下山-200m、-230m标高取样,检测结果如表1所示。

表1 膏层力学参数

样品编号黑1

白2

平均
天然块体密度

(g/cm3)

2.302.322.252.262.291
2.302.25
2.372.28
天然抗压强度

(MPa)

28.330.09.4416.523.5
35.925.7
25.714.4
天然抗拉强度

(MPa)

2.492.131.551.271.70
1.901.00
2.011.27
天然抗剪强度参数C(MPa)4.083.393.74
φ(°)39°5′41°37′40°21′
2.1 采房跨度的计算

根据采房两帮膏柱对顶板岩梁的约束条件,顶板岩梁按“简支梁”数学模型分析[4-5]。最大弯矩发生在岩梁跨度,最大拉、压应力发生在该截面的上、下外侧边缘,即y=±处,最大弯矩         Mmax=  ;                                        (1)

最大拉、压应力  σmax=±  ;                                      (2)

最大剪应力发生在梁的两端,即x=0,L的截面上,且最大剪力为:

Vmax=   ;                                         (3)

最大剪应力出现在该截面的中性轴上:

                 τmax=  ;                                        (4)

设岩梁的许用拉应力和剪应力分别为σe、τe,抗拉强度和抗剪强度分别为RL、Rj。 

将σe代替式(2)中的σmax,可得到确保顶板岩梁不因跨度的最大拉应力超过其抗拉强度而破坏的极限跨度为:

L=                                                    (5)

将τe代替式(4)中的τmax,可得到确保顶板岩梁不因梁内最大剪应力超过其抗剪强度而破坏的极限跨度为:

            L=                                                      (6)

由试验结果可知,岩梁的许用正应力σe==0.425 MPa, 岩梁的许用剪应力τe==0.935 MPa;

岩梁承受的载荷即为岩梁上方钙质页岩的重量及其岩梁自身的重量,即

     W =γGghG+γYghY=0.062MPa

将上述数据代入式(5)得到3Ⅱ膏层顶板岩梁不因跨度的最大拉应力超过其抗拉强度而破坏的极限跨度为:

L==4.54m

将上述数据代入式(6)得到3Ⅱ膏层顶板岩梁不因梁内最大剪应力超过其抗剪强度而破坏的极限跨度为:

  L==30.16m

由于矿井深部局部地段膏层层理、裂隙发育,为确保安全,矿井深部采房跨度取4.0m。

2.2 膏柱宽度计算

确定膏柱的合理尺寸,必须要考虑膏柱将要承受的载荷。用简单的附属面积理论可以确定膏柱平均应力[6]。

其总载荷为:P=(BZ+BF)×(LZ+BX)×γh                                          (7)

膏柱的平均应力为:

σp===(1+)×(1+)×σy                 (8)

  

式中:BZ——膏柱的宽度,m;LZ——膏柱的长度,m

      BF——采房的跨度,m;BX——巷道的宽度,m;

      h ——开采深度,m;σp——膏柱的平均应力,MPa;

      σy——深度为h的地层内开掘前的原始应力,MPa。

膏柱中形成了两个区域:一个是膏柱周边形成的塑性区,另一个是在膏柱中心部分被塑性区所包围未受扰动的柱核区。在柱核区内矿体的强度可以表示为:

σ=σ0+σ3×tgβ                                                             (9)

式中 σ0——石膏的抗压强度;σ3——作用在膏柱上的侧向压应力;

σ3——作用在膏柱上的侧向压应力;tgβ——三向应力系数;

x0==              (10)

式中 x0——塑性区宽度;σb——膏柱周边的抗压强度;

K1——支撑压力峰值处的应力集中系数,取2~3;

H——采房高度,取4.5m。

为了保持膏柱的稳定性,应保证有一个稳定的柱核区的存在,即应有:

WP=2x0+(1~2)m                                                         (11)

据试验报告,3Ⅱ膏层的内摩擦角φ=40°21′,因此

tgβ=4.67,应力集中系数K1取3,

则矿井深部3Ⅱ膏层采用房柱式方式回采时膏柱宽度计算如下:

膏柱周边的抗压强度取试验数值的最小值,即σb=9.44MPa。

埋深300m处膏层的原岩应力: 

σy=γh=6.94MPa

因此:x0==0.45m

WP=2x0+(1~2)=1.9~2.9m

即膏柱宽度至少应保持1.9~2.9m才能维持膏柱的稳定性。为安全起见,生产过程中,膏柱宽度取5.0m[7]。 

3现场实践

3.1实验方案设计

本计算成果首先在3Ⅱ319工作面进行应用实验,工作面长210m,宽60m,膏层埋深240~250m,根据计算成果,采房设计净宽4.0m,净高4.5m,采房间膏柱宽为5.0m。

回采结束后,选取该工作面3#、6#采房进行观测,利用顶板离层仪、顶板动态仪、巷道变形收敛仪等仪器对采房进行矿压观测,每5天观测一次。观测结果如2表所示。

地点测点编号观 测 项 目

观  测  日  期

3.203.253.304.54.104.154.204.254.305.55.105.155.205.25
3号采房

3#顶板下沉量(mm)

00010001020112
底鼓量(mm)

00100010101211
顶底板移近量(mm)

00110011121323
6#顶板下沉量(mm)

00101010210101
底鼓量(mm)

00010101011121
顶底板移近量(mm)

00111111221222
6号采房

3#顶板下沉量(mm)

00110011010110
底鼓量(mm)

00001110211111
顶底板移近量(mm)

00111121221221
6#顶板下沉量(mm)

00101011210111
底鼓量(mm)

00010111101110
顶底板移近量(mm)

00111122311221
表2  3Ⅱ319工作面矿压监测表

3.2数据处理及分析

通过对已经回采结束的两个采房矿压观测数据分析可以看出,矿井深部开采时采用本成果参数,即采房宽度4.0m,膏柱宽度5.0m,留足护顶护底膏,采房顶板下沉量及顶底板移近量均较小,采房的矿压显现规律不明显。因此,应用本成果不仅保证现场安全生产,而且可以避免顶板垮落和矿震事故的发生,确保地面良田及地面建筑免遭破坏,安全和经济效果非常明显。[8]

4 结论

通过对汶阳矿采房跨度和膏柱宽度的计算,以及现场实验,得到以下结论:

1、石膏矿深部矿层回采时,采房宽度4.0m,膏柱宽度5.0m,留设不少于1.5m的护顶膏,1.0m的护底膏,不仅能够保证现场安全生产,而且可以避免采房顶板垮落和矿震事故的发生。

2、本成果的研究,为石膏矿深部矿层开采采留比设计提供了科学依据,避免了开采设计和现场生产工作的盲目性。

3、本成果具有较高的科学性和实用性,可以在石膏矿深部矿层其它工作面进行推广应用,同时,对大汶口石膏矿区其它石膏矿深部开采也具有较高的参考价值,经济和社会效益显著。

参考文献

[1]卫建清. S房柱式开采煤房与煤柱参数的合理确定[J]. 矿山压力与顶板管理,2003,20(01):106~108

[2] 樊克恭,肖同强. 深部矿井综放开采矿压显现特征及其控制 [J]. 第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议.2009

[3] 蒋宇静,蒋金泉.两端弹性嵌固支承梁的极限跨度解.力学与实践.1991(01)

[4] 清华大学工程力学系等.机械振动[M].北京:机械工业出版社, 1980 

[5] 刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社. 1992年9月第二版(LiuHong-wen. Mechanics ofMaterials( the second

edition). HigherEducation Press, September of1992 ( in Chinese))

[6] 吴秀岐;赵小稚;. 石膏矿房柱采矿法结构参数的优选 [J]. 山东建材, 2008.01

[7] 李家田;邢立亭;姬广胜;刘莉;. 大汉石膏矿开采技术改进研究 [J]. 济南大学学报(自然科学版), 2008.03

[8] 吴登军;. 辽阳石膏矿Ⅰ膏组分采房柱采矿法的研究与应用 [J]. 辽宁工程技术大学学报, 2007.S2

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论文1石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用

石膏矿深部矿层开采采留比的研究与应用摘要:通过对汶阳石膏矿矿井深部膏层取样,进行物理力学试验,得到深部膏层的力学参数,利用简支梁理论及附属面积理论,确定出其采房跨度为4.0米,膏柱宽度为5.0米,并在汶阳矿3Ⅱ319工作面进行了实验,得到了很好的安全和经济效益,从而为石膏矿深部矿层开采采留比设计提供了科学依据,同时,对也对其它石膏矿深部开采也具有较好的指导意义[1]。关键词:石膏矿,房柱式,深部,采留比中图分类号:TD872文献标识码:ATheResearchandApplicationofR
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