英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
We美国地下石材矿山的支柱强度
G.S. Esterhuizen , D.R. Dolinar, J.L. Ellenberger
国家职业安全和健康研究所,邮政信箱18070，匹兹堡，PA 15236.美国
文章历史：
2009年12月18日出版
2010年6月4日修改版本出版
2010年6月10日被人们所接受
2010年7月2日网上可查找
关键词
支柱设计
支柱实力
石材矿山
石灰岩
房柱
摘要
美国东部和中西部的石材矿山利用房柱式采矿法来开采相对平坦的地势沉积地层。支柱性能的调查用于识别潜在的不稳定模式。我们发现支柱已经成功地为上覆岩层提供支持，但我们也观察到少数个别不可用的支柱。我们观察到的支柱的失败与硬脆性岩石剥落，沿着预先存在的角度的不规则形剪切或者对层面软填充材料逐步挤压有关。如今已经提出了一种方法是基于对稳定支柱和不稳定支柱的观察辅以数值模式来估测支柱实力和选择设计的安全系数。现发明的支柱强度公式可以用来设计稳定的石矿支柱，提供类似于研究中所涉及到的岩石条件。
Elsevier Ltd发表
- 介绍
在美国有超过120座正在运营中的地下石矿采用房柱采矿法。传统矿业一般从平稳或者平缓起伏的沉淀物中开采，开采范围一般是从高硅石灰石到化学级的白云石和石灰石。大型机械化设备例如50吨的自卸卡车和5-m3的轮式装载机用于达到所要求的经济规模。矿业设备为了有效的运营而会要求适当尺寸的开口。沉淀物某一块的厚度允许的话，第二阶段开采底板矿可以用台阶式开采。
房柱式采矿提供了局部和整体的稳定性两个功能，局部稳定性被定义为提供稳定的支撑（柱壁）和稳定的顶板条件，允许安全进入工作区。地下石矿山[1]中的损坏从顶板到支柱柱壁的地面瀑布就占据了15％，这些都与局部的不稳定性有关。局部稳定性的定义是支柱需要能够支持上覆岩层到地面表层的重量，不充分的局部稳定可能导致矿井超过一大段上的支柱坍塌，这是一个很严重的安全隐患 [2,3]。对文献的审查发现，在美国石材矿山已经发生了2起无人员损伤或死亡的支柱倒塌事故[3]。对其中一起案例进行评估，发现它是由支柱冲压薄弱的底板地层造成的，而另一起是由于不规则尺寸的支柱坍塌造成的[4]。没有足够的数据来估测支柱应力是怎样造成后一个事故的。
近年来，坚硬脆性岩石细柱的设计受到了相当的重视[ 5，8 ]，然而，对于石矿中的支柱来说一个被广泛接受的设计方法并不存在。本文中所描述的研究的目标是通过提供一个设计支柱的方法来减少岩石坍塌的危险和石矿山脉中隐藏的多支柱的坍塌。通过一次在美国东部和中西部正在运营的石矿山中对矿业操作和支柱性能的调查，此次研究的目标最终得到了实现。挖掘维度的数据收集，柱及顶板稳定性条件、间距和方向的不连续以及利用岩体评级（RMR）系统Bieniawski [ 9 ]评估岩体条件。岩石样品会被采集用于实验室强度测试。现场数据与数值模拟结果被用于开发一种方法来估测的支柱力量和选择一个适当的安全系数的设计。
2．地质环境
在这项研究中包括的石材矿山都集中在内陆平原和阿巴拉契亚高地地形区[ 10 ]。石材矿床一般位于平整的或者缓倾斜的内陆平原地区，包括的岩石到处散布的古生代，从奥陶纪时代到宾夕法尼亚。总的来说，在阿巴拉契亚高地遇到的岩石与那些在同一时代的内陆平原地区发现的岩石是相似。他们的区别在于他们已经通过山势形成过程所转化，由折叠和故障沉积岩组成细长的地带。位于地层倾角大于10度的矿山被排除在研究之外。
3．岩体特征
在三十四个不同的作业矿山中，我们根据九十二个调查点对岩体的特征进行了评估。在宾夕法尼亚国家匹兹堡的国家职业安全与健康研究所（NIOSH）实验室中采集岩石样品进行强度测试。单轴抗压强度（UCS）测试是从岩石样品上钻取名义上为直径50毫米的芯。依据ASTM[ 11 ]标准制备和测试核心。结果总结在表1，分为三个强度类别。可以看出，在完整的岩石表层被开采的时候，岩石强度中有着相当大的变化。平均强度值的范围是从最弱的表层44兆帕到最强的为301兆帕。
岩石表层的不连续性被归类于基床相关的不连续性，这是近水平的，关节通常是陡峭的倾斜的不连续性。基床的不连续性在矿业中是最突出的特点。平均床层间距为0.98米，其中42%被观察到的打击长度在3-10m的范围内下降。在某些情况下，持久层可以追溯到超过100米。基床的不连续性通常是非常粗糙和致密的或涂有薄碳质材料。有时，基床不连续性包含了弱填充材料如硬粘土矿物、方解石、含碳物质。可以观察到基床中薄弱材料的推出导致了支柱片帮的不稳定性。
两个或更多的陡峭的接合点设置呈现出来都可以在已经调查的地点被观察到。大部分的接合点几乎是垂直的，紧而无充填或风化的。接合点的平均间距为0.41米。94%的接合点轨迹长度在15厘米到3米的范围内减少。上限至10米。接合点通常是紧的，粗糙的，无充填或风化的平面。相关案例表明，接合点风化的和包含有软方解石或粘土填充的，通常位于地表露头的位置。陡峭的接合点没有出现对支柱稳定性的影响，而角关节则观察到会导致阻塞物从支柱片帮中漏出来。
间隔大而广的不连续性从屋顶延伸到地面或跨越可看到的位置的挖掘的宽度的40%处。这些大的不连续性被分别记录，因为它们的罕见的发生和挖掘稳定性的潜在影响。平均倾角为82度，平均间距为7.9米，其中72%的间距小于12 m，测量间距分布遵循负指数分布的形状。不连续的表面是粗糙的，平面的，有薄的软填充材料。这些大角度的不连续性，可以导致安全隐患可以贯穿顶部或者支柱片帮。同时，他们队支柱强度有着显著的影响，特别是如果他们横贯如图1所示的那样高的，细长的支柱。
地下水条件一般在受潮或滴干的条件下观察到92个位置中只能六个能被标志。潮湿的环境被认为会导致支柱失稳由于其中弱的基床填充材料的被水分所软化。
每个地下数据采集现场都会进行岩体分类。两个垂直的典型的带有支柱的两面的岩面通过利用岩体等级分类1989版（RMR）系统[ 9 ]所区分。RMR利用岩体质量指标（RQD）[ 12 ]这是获得的最好的岩芯记录。由于岩心在矿点是不可得到的，利用劳布舍尔[ 13]提出的断裂频率法确定了组合RQD和接合点间距评级。各种分类参数的平均值和标准偏差，以及他们的等级评定都在表2中总结了。组合的不连续性间距和RQD评级显示作为“不连续性频率”评级出于可能的40点。表格显示计算出的平均RMR为74.9，根据RMR系统[ 9 ]将其划分为好的岩石。RMR值的分布如图2所示，表明RMR值在60至85之间发生变化更不用说100了。事实上，只有大约一半的矿山需要在10–15米宽的开口处定期安装屋顶加固是正在被开采的岩体的质量证据。
岩石分类数据在采矿范围内被收集起来，因此是支柱材料形成的代表。底板及上覆岩层未进行分类。上覆和下伏地层在实力和构成上与被开采的地层是相似的，或者可能由更弱的沉淀的岩石组成例如页岩或粉砂岩这些岩石都能被强有力地分层 [ 14 ]。虽然低强度的顶板或地面层会对支柱性能有影响，但它没有表现出对研究中包含的任何一所矿山的支柱的稳定性有影响。然而，顶板和地板的力量不应该被地质技术的调查排除在外，因为其中一个报导的支柱倒塌[ 4 ]被评估出由于支柱冲压成薄弱层地层所造成的。
4．观测支柱性能
关于美国东部和中西部的地下矿山的稳定和不稳定的支柱的调查确定来了的支柱不稳定的原因，并为估测支柱实力提供了数据 [ 15 ]。由于矿山工作的深度或支柱的尺寸被确定为调查的目标，矿山都有着不稳定的支柱。在地下工作区域收集的数据包括预期的设计尺寸和实际的支柱和空间尺寸。在矿山的旧地区，一开始设计的容积是未知的，测量的容积被假定为充分代表预期的设计。表3总结了调查的支柱布局的尺寸和覆盖深度。在每个布局中的大概数量的支柱被记录到大小最接近的秩序和由表面形貌和矿山地图所决定的表层深度。LaModel应力分析软件[ 16 ]是用来估测平均柱应力的，在这种情况下，在情况下，支流面积法认为是不恰当。从一个废弃的石灰石矿收集到的数据不作为此次研究中的一部分，由于其巨大的深度和记录的稳定的条件，它是被加在记录上的[ 17 ]。
所有的支柱布局调查被认为是成功的，它提供了全球稳定，因为他们对超过地表的负重都提供了令人满意的支持。然而，并不是所有的支柱布局在稳定的屋顶跨度和支柱肋骨的形式下提供的局部稳定性都是成功的。观察到十八例个别不稳定的支柱。表4介绍了有关的尺寸、估计应力、岩石强度和与失败的支柱有关的注意事项。不稳定导致危险，局部条件要求区域应设置路障，并在某些情况下，挖掘行动必须停止或重新定向，避免危险情况。因此，支柱可以被认为在提供局部稳定这方面没有发挥它的功能。这些失败的支柱是1000多个进行了评估的支柱一个小比例，。
调查还表明，以下因素可以导致支柱故障或不稳定：
（a）大角度的不连续性通常从顶板延伸到底层，因此会发生滑动，沿着这些不连续性，能显著削弱这些细长柱[ 18 ]。观察到的十八个不稳定的支柱，有七个受这些大的角度不连续性所影响。图3显示的是一个支柱，被2个角度不连续性削弱，在一个相对低的支柱应力情况下导致失败的支柱。
（b）柱子中薄弱带的挤出会导致支柱片帮的逐渐剥落[19]。图4显示了一个支柱通过这种失败的机制已经被严重损坏。看来，薄弱带的水分是这次失败的主要因素。在附近地区的支柱似乎是不受影响的。
（C）深覆盖或高提取率所造成的高支柱应力可引起支柱片帮的碎裂。有人发现，当平均支柱应力超过支柱材料的单轴抗压强度的10%，支柱开始碎裂。在这种情况下支柱往往呈现出沙漏的形状。图5展示了一个已经损坏的支柱由于片帮的剥落呈现出沙漏形状。图6展示较深的石材矿山里稳定的支柱由于较小的剥落会导致凹的支柱片帮。
被支柱所包围的损坏了的支柱通常显得稳定，显示干扰最小的迹象。根据所观察到的现象得出了这样的结论，损坏的支柱代表了可能的支柱应力的低端的分布，而不是平均强度。其结果是，包含损坏的支柱的布局中的平均安全系数可以被认为实质上高于个别损坏的支柱。然而，从设计和安全的角度来看，确定这些低强度条件是很重要的，当设计一个被建议的支柱布局应该考虑到种种条件。
5。柱强度估计
支柱的稳定性可以通过计算安全系数（FOS）评估出，就是支柱强度的平均应力和支柱的比例。支柱中同样大小的并位于一个规则的图案的平均应力可以通过使用支流区域的方法比较容易地估计出。它假定上覆岩层重量均匀的分布在支柱中。这提供了对支柱应力的上限和不考虑间柱的存在或实体桥台可以降低平均支柱应力。支流区域法是无效的，例如不规则的支柱，有限的采矿程度或可变的深度覆盖，数值模型可以被用来估计的平均支柱应力。
估计支柱强度是比较困难的并且在采矿业已经成为许多研究的主题。由于支柱力学的复杂性，基于损坏的和稳定的支柱系统的统计由经验产生的支柱力量方程，已被广泛接受[ 27 ]。在石材矿山中极少发生支柱故障，因此单独字段数据不足以建立一个基于统计的支柱强度公式。最初由Roberts等人开发了一种凭经验开发支柱强度的估计方法[ 7 ]作为起点。该方法是基于密苏里主要矿山带中观察到的大量倒塌和稳定的支柱，其中铅矿化赋存于白云质灰岩中[ 20 ]。岩石强度，岩体评级和挖掘维度和那些在石材矿山中的是相似的 [ 15 ]。该方法预测支柱力量可以表示为一个结合岩石的UCS动力方程，支柱的宽度（W）和高度（H）如下：
（1）
公式（1）用来计算石灰石矿山数据中的平均支柱应力和安全系数，判断是否包含合理的结果。在此次计算中，最小宽度和最高面的支柱被用作计算的宽度和高度。这意味着长矩形柱的强度和部分冰柱子可能被低估。六个案列中损坏的支柱被大的角度不连续性削弱，计算时将其排除在外，因为他们的实力受到不连续性的性能所支配并应单独评估。
图7中显示的结果展示了成功的支柱布局中安全系数的分布和个别损坏的支柱。可以看出，成功的支柱布局中安全系数值均大于1.0。正如预期的那样，安全系数值得最大浓度值一般会下降4.0-5.0。成功案例的最小安全系数为1.5，这被认为是合理的，因为没有实例观察到大量支柱所表现出痛苦和超载的迹象，人们可以预期到如果平均安全系数打到1.0。在计算损坏的柱子的安全系数时，使用LaModel[16]程序获得改善的对于支柱应力的判断实际的煤柱尺寸和局部矿业布局是不存在的。然而，每个矿井的平均岩石强度都被运用到计算中。可以看出损坏的柱子的安全系数下降范围是1.0-4.0之间，平均值是2.35。相对的安全系数的高价值并不完全出人意料，因为损坏的柱子在数列中代表最弱的。
通过在石灰石矿山中观察到的稳定的和损坏的支柱性能得出的结论方程（1）可以提供合理的协议。然而，观察结果表明大角度的不连续性和薄弱的基床带对支柱稳定性有着重大的影响，应将其明确纳入支柱力量方程。此外，几座石灰石矿脉正在利用的矩形柱以协助顶板控制和通风控制。这些矩形柱被预期会强于方柱并且也应安置在支柱设计方程中。
调整式（1）指出，考虑到大角度不连续性的存在和矩形柱形状的影响。由于这种故障模式的罕见发生，使得它难以概括关于导致失败的特定条件以及核实建议性的调整，所以薄弱的基床带不做修改。在提出的矿区中薄弱的顺层地带应被确定，详细的对于薄弱带的特征以及他们可能对支柱应力的影响的岩土力学研究被提倡。
6.大角度不连续性的调
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[150796]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
