中国地质大学 工程学院 湖北武汉 430074
摘要：从梁板理论入手，考虑顶板自重应力、侧压力沿竖直方向的变化、结构面性质，分析了挤压结构面和非挤压结构面抗拉、抗剪强度控制下的矿区开采顶板安全厚度，其中挤压结构面抗剪强度控制分正向受力、逆向受力两种情况，改进了顶板安全厚度公式，计算研究区采矿顶板的安全厚度。结果表明：结构面的性质对安全厚度的取值范围起决定作用；指出采矿顶板的易破坏形式。改进公式对金属矿山开采工程有一定的实用价值。
关键词：顶板；厚度；结构面；断层
采矿顶板安全厚度的确定是地下矿体开采需要解决的重要问题之一。采矿顶板的结构面为采矿顶板的安全性的主要控制因素[1-3]。对采矿顶板的分析有梁理论、板壳理论等[4]，计算模型未考虑梁板自重应力、侧压力沿竖直方向的变化。众多理论方法和数值方法应用于采空区最小安全厚度和跨度的计算中[5-9]，迄今为止，仍无统一的计算方式。本文在研究采矿顶板安全性的过程中充分考虑了侧压力沿竖直方向的不均匀分布、结构面产状及结构面充填物强度指标差异的影响，其结果对地下岩石顶板的稳定研究有一定的借鉴作用。
1 计算模型与方法
文章没有分析采矿顶板的离层、断裂、垮落、片帮或局部冒顶现象，仅研究了采矿顶板的大冒顶临界顶板厚度。考虑到结构面性质、顶板自重应力、顶板侧压力沿竖直方向变化三因素的影响，对挤压结构面、非挤压结构面两种情况下岩体较完整采矿顶板的安全厚度范围计算公式进行了修正。
1.1 挤压结构面
当采矿顶板存在结构面，并且结构面两侧存在相互作用力时，通过物理模型试验证明可简化为简支梁模型，简化模型受力图见图1。弯矩最大值出现在采矿顶板两端简支的跨中位置。
图1 采矿顶板简化模型（结构面受挤压）
结构面上侧岩体受到下侧岩体沿结构面向上或向下的摩擦力，前者简称为结构面正向受力，后者简称为结构面逆向受力。
图2（a）结构面正向受力 （b）结构面逆向受力
1.1.1 抗拉强度控制
1.1.2 抗剪强度控制
（1）结构面正向受力
（2）结构面逆向受力
由于分别以结构面上部岩体、下部岩体为研究对象，计算式简化结果相同，下面仅对结构面下部岩体为研究对象。结构面上部岩体对下部岩体的作用力分解为一个垂直于结构面向下的作用力和一个平行于结构面向上的摩擦阻力，见图5。
图5 结构面下部岩体受力简图（结构面逆向受力）
1.2 非挤压结构面
当采矿顶板存在结构面，但是结构面两侧岩体无相互作用力时，由于开采边界距断层较近，可假设侧压力为零。弯矩最大值出现在采矿顶板两端固定时的支座位置，剪力最大值也出现在支座位置，其简化模型见图6。
图6 采矿顶板简化模型（结构面不受挤压）
2 工程实例
研究铁矿区位于河北省某县，属于大型鞍山式沉积变质贫铁矿床。矿体及地层总体走向近南北，中部略向东凸出；沿倾斜倾角东陡西缓，上陡下缓；总体倾角35°～40°。矿体长3800m左右，矿体延深400～600m，一般厚10～20m，埋深150～210m。矿体厚度及延深变化比较稳定，一般呈层状产出。
矿体顶底板围岩主要为变质较浅的黑云斜长变粒岩、片岩和经受不同程度混合岩化作用的混合岩。基岩自上而下分为强风化岩组、弱风化岩组、完整块状岩组。分布在深部的弱风化岩组和完整块状岩组岩石致密坚硬，节理、裂隙不发育，强度高。
区内断裂构造比较发育，见图7。断层多为压扭性断层，断层带岩石因受强烈扭压而产生较多的断层泥和糜棱岩化，加之后期岩脉充填与胶结，降低了岩石的透水性；断层影响带则因岩石大量破碎而为地下水的赋存和运移提供了空间。本区新构造运动较为强烈，伴随着地震产生的断裂复活显著，断层有可能沟通或加强含水层之间的联系，导致矿坑涌水量的增加。本文以F10、F11和F12为主要研究对象。其特征见表4。
图7 研究区平面图
该矿山投产初期先不回采断层带发育地带矿体，选择矿体赋存条件较好地段为首采地段。在生产中逐渐探索断层规律，准确掌握断层及矿体赋存特点后再制定合适的采矿方案进行回采。
含挤压结构面顶板的安全厚度不仅存在最小值，而且存在最大值。
结构面性质、覆盖层厚度、跨度共同影响安全厚度计算结果。其中覆盖层厚度、跨度减小，顶板安全厚度范围缩小。
F10、F11、F12断层强度参数相同，断层倾角不同（63°~78°），抗拉强度控制的顶板最小安全厚度，随断层倾角的增大变化不大；断层正向受力抗剪强度控制的顶板最小安全厚度，随断层倾角的增大而增大。
研究区顶板最易破坏形式：挤压结构面拉破坏、非挤压结构面剪破坏。
结构面受压区域，推荐三区的顶板安全厚度范围分别为：（60m，700m）、（60m，740m）、（45m，400m）；结构面非挤压区域，推荐三区的顶板最小安全厚度分别为：120m、110m、55m。
3 结论
[3]改进的计算公式充分考虑了顶板自重应力和侧压力沿深度的变化、结构面性质，计算结果更加合理。
[4]首次提出在特定条件下，含挤压结构面顶板的安全厚度不仅存在最小值，而且存在最大值的新观点。
（3）结构面产状、强度参数对计算结果影响甚大，其参数取值的准确度往往不尽如人意，希望在参数取值的准确度上有所提高。
（4）矿段由于矿体赋存形态复杂，矿体被断层切割，比较零乱。推荐倾斜矿体采用分段凿岩、阶段空场、嗣后充填采矿法，缓倾斜穹窿状矿体采用阶段凿岩、阶段空场、嗣后充填采矿法。
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论文作者:廖攀,王月伟,秦溯,杨正璇,王瑜琦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
标签：顶板论文; 结构论文; 矿体论文; 厚度论文; 断层论文; 受力论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第3期论文;