專利名稱：一種應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高應(yīng)力區(qū)的井下礦柱應(yīng)用泄壓預(yù)裂縫轉(zhuǎn)移應(yīng)力實現(xiàn)礦柱保護的方法，主要適用于井下空場采礦法礦山的應(yīng)力破壞型礦柱的保護，尤其是適用于高應(yīng)力壓潰與拉裂型破壞礦柱的保護。
背景技術(shù)：
在金屬礦井下空場法采礦的生產(chǎn)過程中，由于受到原巖地應(yīng)力和生產(chǎn)爆破采動應(yīng)力共同影響下的應(yīng)力重分布作用下，井下采場的支撐礦柱上形成大量的應(yīng)力集中和高應(yīng)力區(qū)域，使得礦柱出現(xiàn)大面積應(yīng)力作用的破壞，主要表現(xiàn)在高應(yīng)力的壓潰破壞、礦柱的拉裂剝離破壞和剪切破壞等破壞形式，這種破壞形式的產(chǎn)生將極大影響采場的礦山生產(chǎn)安全，降低井下采場的安全系數(shù)，并隨著采礦過程的推進，應(yīng)力集中和高應(yīng)力的表現(xiàn)愈加突出，進而產(chǎn)生全礦柱的整體破壞，產(chǎn)生災(zāi)害性的礦難事故。因此，在井下礦山生產(chǎn)作業(yè)采場的礦柱必須采取措施進行保護，確保井下礦山的生產(chǎn)安全。目前，礦柱的保護中主要是借鑒外力的噴錨網(wǎng)支護技術(shù)進行，這種支護在一定程度上可以實現(xiàn)礦柱的安全穩(wěn)定和減少礦柱的破壞。噴錨網(wǎng)支護的主要技術(shù)特點，即利用錨桿進行礦柱碎裂塊體的整體錨固支護，利用噴射混凝土和掛網(wǎng)實現(xiàn)礦柱表層的剝離控制， 以及噴射混凝土的應(yīng)力改善的作用。但這種保護措施存在的問題是采動和原巖應(yīng)力共同作用的力學(xué)過程仍然存在，礦柱處于的高應(yīng)力環(huán)境和剝離的、壓潰和剪切破壞的力學(xué)行為仍然對礦柱產(chǎn)生作用，是一種被動式的防護技術(shù)措施，并且在應(yīng)力破壞下，難以采用錨桿形成錨固體進行加固。同時，這種保護措施的施工成本高，工序多復(fù)雜，控制難度大。其他的辦法包括采用人工的礦柱進行原巖礦柱的更替，形成以剛制剛的作用效果，其成本和支護工藝更加復(fù)雜，難以達到井下礦山安全開采中的礦柱破壞控制和保護。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種施工成本低，工序簡單，控制難度小的應(yīng)力轉(zhuǎn)移型、主動自承載的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，空場采礦法回采后，在礦柱與頂板的接觸部位形成卸壓預(yù)裂縫，所述的卸壓預(yù)裂縫的尺寸參數(shù)為開縫高度h≤O. 2m,開縫深度b e [O. 2m, Im]。卸壓預(yù)裂縫在頂板與礦柱的接觸部位的礦柱中。所述的礦柱的寬度B ≤3m時，所述的卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取O. 2m，所述的礦柱的寬度B e (3m，5m]，所述的卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取O. 5m，所述的礦柱的寬度 B e (5m，10m]，所述的卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取O. 6 O. 8m，所述的礦柱的寬度B > 10m， 所述的卸壓預(yù)裂縫的開縫深度取O. 8 I. 0m，所述的卸壓預(yù)裂縫的開縫寬度按照預(yù)裂爆破的鉆孔參數(shù)和爆破效果確定。在所述的礦柱形成自由面條件包括礦柱的長度方向的兩個結(jié)構(gòu)面下，及時在所述的礦柱與所述的頂板的接觸部位形成所述的卸壓預(yù)裂縫。對于所述的礦柱的寬度3m時，采用切割機進行切割拉縫形成所述的卸壓預(yù)裂縫；對于所述的礦柱的寬度B > 3m時，進行井下預(yù)裂爆破形成所述的卸壓預(yù)裂縫。所述的卸壓預(yù)裂縫的實際長度與設(shè)計長度的比值大于或等于80%。采用上述技術(shù)方案的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，是一種應(yīng)力轉(zhuǎn)移型、主動自承載的高應(yīng)力礦柱保護方法，利用空場采礦法回采后，在礦柱壁上形成的自由面進行卸壓預(yù)裂縫的成型技術(shù)，實現(xiàn)礦柱的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，有效提高礦柱核心部位的自承載能力， 主動保護礦柱，避免礦柱產(chǎn)生的礦柱邊部拉應(yīng)力型的剝離和高應(yīng)力的壓潰破壞，并減少礦柱中的塑性區(qū)范圍，是一種新的主動性礦柱自承載保護方法。這種方法的主要技術(shù)特點是:第一，在礦柱形成自由面的同時進行礦柱卸壓預(yù)裂縫的成型施工，及時利用卸壓預(yù)裂縫實施采動應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，形成核心礦柱的三向應(yīng)力狀態(tài)和減少塑性區(qū)作用范圍，主動性的保護礦柱；第二，礦柱的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與卸壓預(yù)裂縫的參數(shù)關(guān)系，通過礦柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以選擇不同的卸壓預(yù)裂縫的參數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)力范圍的工程可控，充分保障核心礦柱的自承載能力。礦柱的寬度B彡3m時，卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取O. 2m，礦柱的寬度B e (3m, 5m], 卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取O. 5m，礦柱的寬度B e (5m, 10m]，卸壓預(yù)裂縫的開縫深度b取 O. 6-0. 8m，礦柱的寬度B > 10m，卸壓預(yù)裂縫的開縫深度取O. 8-1. 0m，卸壓預(yù)裂縫的開口寬度按照預(yù)裂爆破的鉆孔參數(shù)和爆破效果確定。卸壓預(yù)裂縫的成縫比例要達到80%以上。第三，這種利用卸壓預(yù)裂縫的礦柱自承載能力保護方法，可以有效的降低礦山生產(chǎn)的安全保障成本，提高礦山的安全經(jīng)濟效益。在礦柱形成的自由面條件下(包括礦柱的長度方向的兩個結(jié)構(gòu)面，要求在礦柱長度方向上形成了自由后及時實施卸壓預(yù)裂縫的控制工程)，及時利用預(yù)裂爆破和機械切割拉縫的技術(shù)，在礦柱與頂板接觸部位形成卸壓預(yù)裂縫，利用預(yù)裂縫的卸壓作用實現(xiàn)采礦過程的二次應(yīng)力轉(zhuǎn)移，保障礦柱的安全穩(wěn)定。以礦柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)為條件，利用核心礦柱的自承載能力和卸壓預(yù)裂縫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實施核心礦柱體的高圍壓下的三向應(yīng)力環(huán)境再造，通過核心礦柱體的三向應(yīng)力高強度特性，減少礦柱中的塑性區(qū)間范圍，提升礦柱的自承載能力，保障礦柱的結(jié)構(gòu)安全。利用卸壓預(yù)裂縫保護高應(yīng)力礦柱結(jié)構(gòu)，主要可以避免兩種破壞形式，其一是高應(yīng)力壓潰型破壞，其二是礦柱邊部的拉應(yīng)力剝離破壞。在此方案中，卸壓預(yù)裂縫主要的工作機理是，通過預(yù)裂爆破在礦柱與頂板接觸部位形成卸壓縫，實現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域的轉(zhuǎn)移，避免礦柱高應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)過度集中在礦柱的邊壁上，從而降低了礦柱的壓潰和剝離破壞，并通過形成的卸壓縫在礦柱內(nèi)部形成了兩種作用機理，其一是核心礦柱體的三向應(yīng)力作用工作模式，在卸壓縫影響區(qū)域內(nèi)的邊部礦柱體與頂板等共同作用下，在核心礦柱體重形成三向應(yīng)力作用，有利于充分發(fā)揮巖石高圍壓下的高抗壓強度特性，實現(xiàn)礦柱體的高效自承載作用，并有利于減少礦柱中的塑性區(qū)變形區(qū)間范圍；其二是在頂板與礦柱共同作用的體系中，邊部礦柱體的拉應(yīng)力狀態(tài)的消除，減少了礦柱體的拉應(yīng)力產(chǎn)生的外層剝離破壞，實現(xiàn)了礦柱體的應(yīng)力環(huán)境調(diào)控。綜上所述，本發(fā)明是一種應(yīng)力轉(zhuǎn)移型、主動自承載的高應(yīng)力礦柱保護方法，利用空場采礦法回采后，在礦柱壁上形成的自由面進行卸壓預(yù)裂縫的成型技術(shù)，實現(xiàn)礦柱的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，有效提高礦柱核心部位的自承載能力，主動保護礦柱,避免礦柱產(chǎn)生的礦柱邊部拉應(yīng)力型的剝離和高應(yīng)力的壓潰破壞，并減少礦柱中的塑性區(qū)范圍，是一種新的主動性礦柱自承載保護方法。


圖I是卸壓預(yù)裂縫的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是沿圖I中A-A線剖示圖。圖3是圖I中A處放大圖。圖中L_礦柱的長度，B-礦柱的寬度，H-礦柱的高度；h_卸壓縫的開口寬度，b_卸壓縫的開縫深度。其中卸壓預(yù)裂縫的尺寸參數(shù)為h彡O. 2m，b e [O. 2m，Im]，核心礦柱的寬度為B-2b。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明進一步說明。參見圖I、圖2和圖3，空場采礦法回采后，在礦柱3與頂板I的接觸部位形成卸壓預(yù)裂縫2，卸壓預(yù)裂縫2的尺寸參數(shù)為開縫高度h < O. 2m,開縫深度b e [O. 2m, Im]。參見圖I、圖2和圖3，根據(jù)礦山開采的實際情況和礦柱3的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在具有自由面的礦柱3中利用卸壓預(yù)裂縫2進行礦柱的應(yīng)力型的保護，并在以下的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工工藝順序進行礦柱的卸壓預(yù)裂縫2保護方法作業(yè)。第一，利用礦柱3的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)級別選擇卸壓預(yù)裂縫的參數(shù)，本申請結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)規(guī)定如下，礦柱的寬度B < 3m時，卸壓預(yù)裂縫2的開縫深度b取O. 2m,礦柱3的寬度B e (3m, 5m]，卸壓預(yù)裂縫2的開縫深度b取 O. 5m，礦柱3的寬度B e (5m, 10m]，卸壓預(yù)裂縫2的開縫深度b取O. 6-0. 8m，礦柱3的寬度 B > IOm,卸壓預(yù)裂縫2的開縫深度取O. 8-1. Om,卸壓預(yù)裂縫2的開口寬度按照預(yù)裂爆破的鉆孔參數(shù)和爆破效果確定；第二，確定卸壓預(yù)裂縫2的爆破參數(shù)，按照預(yù)裂爆破的爆破網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行選取，對于礦柱3的寬度B < 3m時，可以采用切割機進行切割拉縫，形成卸壓預(yù)裂縫2 ;第三，確定預(yù)裂爆破在礦柱3上的位置，按照說明書的圖進行，確定卸壓預(yù)裂縫2在頂板I與礦柱3的接觸部位的礦柱3中；第四，爆破，進行井下預(yù)裂爆破，形成卸壓預(yù)裂縫2， 并進行卸壓預(yù)裂縫2的檢查，確定卸壓預(yù)裂縫2的成縫比，一般要求成縫比不小于80%，及預(yù)裂縫實際長度與設(shè)計長度的比值大于或等于80%。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是空場采礦法回采后，在礦柱(3)與頂板(I)的接觸部位形成卸壓預(yù)裂縫(2)，所述的卸壓預(yù)裂縫(2)的尺寸參數(shù)為開縫高度h彡O. 2m，開縫深度b e [O. 2m，Im]。
2.權(quán)利要求I所述的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是所述的卸壓預(yù)裂縫⑵在所述的頂板⑴與所述的礦柱⑶的接觸部位的所述的礦柱⑶中。
3.權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是所述的礦柱⑶的寬度B彡3m時，所述的卸壓預(yù)裂縫(2)的開縫深度b取O. 2m，所述的礦柱(3) 的寬度B e (3m，5m]，所述的卸壓預(yù)裂縫⑵的開縫深度b取O. 5m，所述的礦柱(3)的寬度 B e (5m, 10m]，所述的卸壓預(yù)裂縫⑵的開縫深度b取O. 6 O. 8m,所述的礦柱(3)的寬度 B > 10m，所述的卸壓預(yù)裂縫⑵的開縫深度取O. 8 I. 0m，所述的卸壓預(yù)裂縫⑵的開縫寬度按照預(yù)裂爆破的鉆孔參數(shù)和爆破效果確定。
4.權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是在所述的礦柱(3)形成自由面條件包括礦柱的長度方向的兩個結(jié)構(gòu)面下，及時在所述的礦柱(3) 與所述的頂板(I)的接觸部位形成所述的卸壓預(yù)裂縫(2)。
5.權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是對于所述的礦柱(3)的寬度3m時，采用切割機進行切割拉縫形成所述的卸壓預(yù)裂縫(2);對于所述的礦柱(3)的寬度B > 3m時，進行井下預(yù)裂爆破形成所述的卸壓預(yù)裂縫(2)。
6.權(quán)利要求5所述的應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，其特征是所述的卸壓預(yù)裂縫(2)的實際長度與設(shè)計長度的比值大于或等于80%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用卸壓預(yù)裂縫的高應(yīng)力礦柱保護方法，空場采礦法回采后，在礦柱與頂板的接觸部位形成卸壓預(yù)裂縫，卸壓預(yù)裂縫的尺寸參數(shù)為開縫高度h≤0.2m，開縫深度b∈
。充分利用卸壓預(yù)裂縫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)卸壓預(yù)裂縫影響區(qū)域的礦柱邊部礦體成為一種非拉應(yīng)力的剝離破壞區(qū)，減少礦柱的拉應(yīng)力剝離型破壞；利用卸壓預(yù)裂縫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移后的邊部礦柱作用，在礦柱的核心區(qū)域形成三向應(yīng)力作用體，保障礦柱的核心部位為三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，充分實現(xiàn)礦柱的高圍壓下的高強度自承載能力，達到礦柱的自我主動保護作用。利用卸壓預(yù)裂縫的應(yīng)力向外轉(zhuǎn)移，減少了礦柱中塑性區(qū)域，保障礦柱的安全穩(wěn)定。
文檔編號E21F15/00GK102587973SQ201110392219
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者周科平, 胡建華 申請人:中南大學(xué)