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煤矿房柱法开采的新设计方法（美国）
Z. T. Bieniawski
矿物工程教授、采矿和矿产资源研究所主任，宾夕法尼亚州立大学，大学园区，宾夕法尼亚州，美国
概要:我们做了一个关于煤炭房柱法开采的详细的实践和设计。即使美国90%的地下煤矿开采是采用的房柱采矿法，但是却没有一个相关的全面设计方案。根据对200个煤矿开采案例的分析，我们在一个三年的研究项目中分析了典型的开采条件和房柱法结构相关问题。我们对美国煤矿改善参数选择、顶板支护和支柱设计方案做了具体调查。尤其是支柱强度公式的研究。在获得的研究成果的基础上，我们提出了一个先进的煤矿房柱法开采的方案。
第一章 概论
1.0 介绍
美国90%地下煤矿开采采用的是房柱采矿法。现在，我们缺少关于顶板控制和支柱大小的系统化设计指南。由于这种采矿方法在美国未来的二十年将继续是煤炭开采的普遍方法，即使是在长壁开采的利益，很明显还是需要合理的房柱采矿法设计准则。在过去的几年里在宾夕法尼亚州立大学进行的详细研究表明，足够的科学、实际数据可以将所有信息整合起来，完善房柱采矿法的设计规范。这个设计规范的作用是方便煤矿的顶板跨距选择和根据煤矿开采条件设计矿柱大小。这意味着开采实践和经验将在编制设计指南中被使用。此外，这些实践将会用作合并最多最新的科学知识与与煤矿实际的应用指南相兼容，来促进和改善矿山规划，同时优化正在进行中的采矿业务。
1.1 美国的房柱采矿法
美国采用的煤矿开采的房柱法设计一个被称作后退式开采的系统。在这种方法中，矿房（开放的）和矿柱在矿山开采中前进，然后随后矿柱恢复“后退”,这会导致煤矿回采率更高，达到了70%。
但是，在美国矿房法后退式开采的技术根据当地的具体条件有广泛的变化。美国的煤矿平均回采率刚好在50%左右，但是矿柱的实际平均回采率仅有26%，即使在一些地区（宾夕法尼亚州西部和北部的西弗吉尼亚州），这个比例在60%—70%（Kauffma等，1981）。显然，仍然有许多改进的地方。
尽管房柱采矿法中矿柱的稳定性是非常重要的，在美国矿房顶板的岩层稳定性控制也是一个重要的方面。于是，顶板跨距和加固方式的选择必须能用一个通用的设计公式来确定。这可能不是在其他国家采用的房柱采矿法的情况。在那些地方，通常矿柱被当做主要关注的对象，因为他们普遍的不采用回复式后退开采，而是开采结束后就永久离开。
第二章 关于美国采矿条件的调查
在1979年，宾夕法尼亚州立大学在美国发起了一个全国性的调查，关于房柱采矿法的设计实践和开采参数。这个调查包括了这些地下开采参数、煤层厚度、顶板跨距、矿柱高度、矿柱宽度、矿柱长度、宽高比、回采率和设计方案的综合研究。总共174种可行的方案对于煤矿矿柱（见表1）的可行性分析加上58个顶板冒落的情况来分析顶板跨距。这些矿柱的案例仅仅包括了美国的三个矿柱失败的实例。但是，20个矿柱失败的案例被其他国家的作者收集了。虽然应该注意到的是，矿柱的失败案例不是建立一种改进矿柱设计方案的至关重要的地方，恰恰相反，通过一项由 Salaoon和 M.Jnro(1967)在南非的研究项目表明，没有矿柱强度公式能够在任何情况下实用，因为1911年以来在美国已经有许多公式被使用过了，而且这个研究的目的是寻找一个最有效、最安全的煤矿矿柱设计公式。
表1.美国煤矿开采房柱法参数范围调查（宾夕法尼亚州立大学的174个案例调查）
范围 典型
地表以下深度 25-480m 150m
煤层或矿柱高度 1-4.5 m 2 m
入口宽度 3.7-8.2 m 4.8-6.1 m
矿柱宽度 5-23 m 15m
矿柱长度 6.1-27 m 20 m
宽高比 2-16, 8.0
长宽比 1-3 1.25
回采率 25%-85%' 50%
所得到的结果在图1中显示。这个调查所涉及的煤层通常是在美国发现的。但是，38%的数据包括了匹茨堡的煤矿。正如图1中显示的，美国矿房法采矿的平均深度为150M，变化范围在25M—480M。最典型的煤层厚度，与矿柱高度相同，为2M，变化范围在1—4.5M。顶板跨距，在美国被称为入口宽度，典型宽度在4-6M，变化范围为3.6-8.2M。典型的矿柱宽度为15M，变化范围是5m-23m，典型的矿柱长度为20m。平均回采率为50%，变化范围为25%-85%。图1的一个重要的关注点是典型的宽高比为8.0，变化范围2-16.
调查的数据将被用于一个最近的章节来建立美国煤矿开采的安全因素。
第三章 顶板跨距的选择
建议将美国煤矿开采顶板跨距的安全评估由一个工程岩石质量分级体系的方式来完成，特别是地质力学的分类，作为修改煤矿开采的建议。不推荐依赖梁理论，因为假设的不确定性和需要输入的数据中。（又名破裂模型）
岩石分类是一种著名的评估地下通道口的岩石稳定性的分类方法。主要是发达国家为了土木工程隧道和硐室设计，他们接受了近年来越来越多的对于顶板稳定性评价的关注。在采矿种，一个美国详细的关于岩石分类的应用表明，硬岩采矿是由矿务局在1980年在煤矿开采中开创，自1978年以来彼尔姆州的研究人员一直在研究的岩石分类方法系统。结果是，58种顶板冒落的案例被编写。通过地质力学分类促进了煤矿安全顶板跨距的设计方法。（也称为岩石质量等级，RMR系统）
许多一步一步的程序使用地质力学分类的详细信息都被给出，但是参考图2的地质力学分类。这个图给出了一系列岩石质量等级的抗压强度和顶板跨距的关系。例如，顶板RMR等级为35意味着最大跨度为5M，可以从图2中的等级线35从顶线截取读出。此外，如果顶板跨距只有1.5米，它应该持续不受支持。（以从图2中的等级线35从底线截取读出）
如果开采实践需要一个在RMR35的岩层顶板跨度4.0米，那么这将从图2可见，跨距4m，RMR等级35.持续时间为8小时。意味着这样的跨度可持续完全不支持的8个小时，但它会在那段时间后崩溃。怎样才能确保长期稳定？答案就在适当的支护措施。地质力学分类提供了顶板支护的选择指南，以确保各种岩体的长期稳定性。这个指南在其他文献中（unal，1982）。应当认识到，必须在采煤时考虑通过使用隧道效应对不同目标进行比较。因此，对于煤矿，适当的因素如开采和使用年限、岔道设计必须作为支护条件被考虑。
此外，煤矿顶板跨度的选择应从实践经验和从地质力学的预测分类，并将矿业法规应用于评估。例如，联邦法（EM30）规定的入口宽度应不超过6m，支护必须采用顶板螺栓或锚杆和其他支护，如木支护。CFR30的75条，如果顶板为稳固的直接顶，地下煤层开采顶板控制和特别是顶板螺栓长度绝不小于0.75m加0.3m。该螺栓间距和螺栓与棱之间的距离不应超过1.5m。
第四章 矿柱设计
4.0矿柱大小
矿柱的设计包括确定矿柱适当尺寸。因此，在决定最适合的矿柱尺寸时，下列条件应当被考虑：矿柱载荷、矿柱长度、安全因素。
有两种矿柱设计方法。极限强度法认为抗压强度到达极限时矿柱会毁坏。这意味着当超过极限强度时轴的荷载变化为0。渐变崩溃理论认为强调非均匀的应力破坏了矿柱。矿柱的破坏从一个关键的点渐变传播到整体的崩溃。在美国，1969年煤矿健康安全规定当时的地下结构安全理念，即所述结构元件（顶板，底板，棱）开口必须保持在完美或接近完美的条件才能被安全使用。美国安全概念使用启动故障的概念作为标准，而不是最终的失败，相反的是在其他国家已经实行。这导致了进一步的安全控制。
4.1矿柱载荷
最简单的方法来确定的支柱负载，或LMR正确的平均支柱压力的是由支护区域理论。如果许多著名的假设成立，矿柱载荷可以通过公式计算。
应该指出的是，支护区域理论代表矿柱应力载荷的平均上限。事实上，测量表明这个理论高估了矿柱荷载的40%。
在公式1中，垂直覆压力每米升高了大概0.025Mpa，已经现场测量证实。对于方形矿柱，W=L，公式1可以表述为：sp=0.025H（w b/w）2 如果将术语回采E介绍为采出矿量和矿山储量之比，那么对于方形矿柱：e=1-（w/w B）2
4.2矿柱长度
矿柱的长度，单位区域的极限载荷取决于三个因素：大小或体积效应，（强度降低架小
煤炭化验标本全尺寸煤柱）；矿柱几何形状的影响；煤炭材料的特性。虽然近几年，许多矿柱强度公式已经被提出，两种类型的表达式是主要的：ap=a1(A Bw/h)
Ap=Kwa/hb
Ap是矿柱长度，a1是立方矿柱的长度关键式样尺寸（结合尺寸缩放效果强度）K是煤层特性的常数，a和B 是表达该形状效应的常量，w是矿柱宽度，h是矿柱高度。A和B是常数。
尺寸效应：临界尺寸的概念是在实际岩层控制工程非常重要的。这意味着对煤炭的隔间试样强度，直到它变成从一个“临界试样尺寸”不断增加的特殊尺寸减小。这个在图3中描绘。这个现象的意义，当然，该强度值临界尺寸（大概1M的煤层）直接反应了全尺寸矿柱的性质。
尺寸效应特征用于区别在实验室测试的小尺寸试样强度之间和原位开采的大型矿柱。美国的研究表明煤矿特性的标定实验室中测得的数据字段值可以令人满意，由下面的等式来实现：
适用于立方矿柱高度Hgt;36英寸（0.9米），或者：
适用于立方矿柱的高度h小于超过36英寸（0.9米）。
在上述等式中，必须确定每个煤层常数k和从Gaddy的公式中获得：
ac为煤的单轴抗压强度标本在实验室测试，并具有直径或立方体侧面尺寸D（英尺）。
应当指出的是，虽然没有在一个实验室检查结果取决于圆柱立方体试件的使用，实际工程中这种差异中的不显著的D范围在2至4英尺（50-100mm）
虽然煤在临界尺寸强度由Hustrulid公式确定最为方便，许多其他方法也可以使用。他们是：原位大型实验、petite sismique地理实验、Protodyakonov方法和HoekBraom岩体强度准则。
形状效应
从所有可用的矿柱强度公式，以下五种形式广泛的应用于美国房柱式采煤中：
所有这些结构式已在煤广泛应用采矿，使用匹兹堡煤层作为一个例子，上述式也可以使用。由加迪（1956年），Hustrulid（1976）和Bieniawski（1982）的研究，下面的值是匹兹堡的煤炭特征：k=5580 用公式11，
上述值将被用于方程9,10，13
对于等式（12），常数1320表示长度在磅/平方的一英尺的立方体试样定。对于美国的条件，适当的常数由Hustrulid等式（7）确定。
因此，对于匹兹堡的煤矿：
，这五个公式现在可以重写为：
图4中的上述五个公式绘制为强度与宽度与高度的比率。很明显，对于较高的宽度与高度的比率，由公式（19）预测的最低强度而方程（21）预测的最高强度。同时，公式（18)的形式将保持较高的宽高比。由方程（21）预测的较高强度值是一致相同的事实，对于高宽高比，如图5中绘制的实验数据，强度迅速增加。
事实上，矿柱宽高比率大于10几乎是坚不可摧的。这是由PSU调查进一步证实（一前一节中所述）显然，美国的矿柱一般都过度设计为5以上的宽高比。事实上，这方面的详细研究正在进行，PermState透露，由公式21预测，煤矿矿柱的理论强度是相当高的。鲍尔基于岩体性质计算的矿柱强度，例如：矿体的内聚力和内摩擦角，矿柱顶板的内聚力和摩擦角，以及矿柱尺寸宽度，长度和高度。不过，应注意的是，于瓦格纳执行（1974）的地下矿柱试验结果已经表明，相同的宽度和高度，矩形横截面的矿柱比方柱强约40％。他测量了压力在变形的不同阶段跨越支柱的分布，发现矿柱的周长越大能够承载相对小的压力，但此矿柱的横向限制了强度，提高矿柱中心的强度。他还认为，宽高比大于10的长方形矿柱不太可能崩溃，除非顶板和底板施加巨大压强。此外，观察到，所有在图4中利用支流区域理论（测定的安全系数）的五大支柱强度公式其中约40％高估了矿柱载荷（应力支柱），它是非常重要的。必须强调的是，为实验室确定由公式结果字段的公式（6）中绝对必要的K值，它代表煤的性质，对于每个煤矿局部都是确定的，因为有太多美国各个煤层的实例。
因此，虽然方程（21）预测三种方法的最高强度，因为长度的保留以下观点是正确的：
1.支流区域理论高估了矿柱负荷
2.相同宽度时长方形矿柱比正方形矿柱强度大
3.高的宽高比导致强度迅速提高
4.3改进矿柱设计
由于这项研究的目的是要提供对矿房法采煤的改进设计，可以相信，矿柱强度公式（21），是这方面的最大的贡献。这是因为式通过与其他公式相比，这将导致煤矿的更大回收率，因而将改进更经济，安全的采矿操作提供最高矿柱强度。因此，对于矿柱的改进设计，建议使用下面的
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