矿柱形状、计算与矿体开采的关系——黑金刚播报
发布时间：
2025-08-15
矿柱形状
矿柱的形状对其强度有着至关重要的影响，这是采矿工程中不可忽视的关键因素。矿柱在地下开采环境中，承担着支撑上覆岩层、维护采场稳定性的重任，其形状的差异直接决定了自身的承载能力和稳定性。
从力学原理的角度深入剖析，矿柱的宽度与高度的比例关系，深刻影响着其内部应力的分布和传递方式。当矿柱的宽度越大，高度越小，处于三向压缩状态的部分就越大。在这种三向压缩状态下，矿柱内部的岩石颗粒之间相互挤压、紧密排列，极大地增强了矿柱的抗压强度。这就如同建筑中的承重柱，宽厚的柱子能够承受更大的重量。例如在某金属矿山的开采中，采用了宽高比较大的矿柱，在长期的开采过程中，该矿柱始终保持着良好的稳定性，有效地支撑了上覆岩层，确保了采场的安全。相反，如果矿柱的宽度较小，高度较大，处于三向压缩状态的部分相应减少，矿柱的强度就会显著降低，在受到上覆岩层压力时，更容易发生变形、破坏，进而威胁到采场的安全。
水平和缓倾斜矿体的矿柱计算
在水平和缓倾斜矿体的开采中，矿柱计算是确保开采安全与效率的关键环节，其计算方法和限定条件直接关系到矿柱的稳定性和承载能力。
许用承载强度计算法
利用许用承载强度计算矿柱必需截面时，我们使用公式：
在这个公式里，各个参数都有着明确的含义和重要的作用。Sy 代表矿柱的截面积，它是我们计算的目标，其大小直接决定了矿柱的承载能力。S 是矿柱支撑的上部覆岩面积，该面积越大，矿柱所承受的压力也就越大，例如在某大型露天煤矿的开采中，大面积的覆岩使得矿柱需要具备更大的截面积来支撑。H 为开采深度，随着开采深度的增加，地压也会相应增大，对矿柱强度的要求就更高。K 是载荷系数，它与岩石性质密切相关，不同的岩石性质，其载荷系数也不同，比如坚硬的花岗岩和较软的页岩，载荷系数就有很大差异。n 为安全系数，安全系数的设定是为了确保在各种复杂情况下，矿柱仍能安全稳定地工作，一般会根据矿山的实际情况和相关标准来确定，通常取值在 1.5 - 2.5 之间 。通过这个公式，我们可以根据具体的开采条件和岩石性质，精确计算出满足强度要求的矿柱截面积，为后续的开采工作提供重要依据。
限定条件下的最小宽度
1.防止矿柱被爆破崩坏：为防止矿柱被爆破崩坏，应使矿柱宽度 c>2w。其中，w 代表爆破的最小抵抗线，它是指从装药重心到自由面的最短距离。在爆破过程中，爆炸能量会沿着最小抵抗线方向释放，如果矿柱宽度过小，就容易受到爆破冲击力的破坏。例如，在某金属矿山的开采中，由于前期对矿柱宽度的设计未充分考虑爆破影响，导致在一次爆破作业中，部分矿柱被崩坏，进而引发了采场局部坍塌，严重影响了开采进度和安全。当矿柱宽度满足 c>2w 时，能够有效分散爆破冲击力，保护矿柱的完整性，确保采场的稳定性。
2.防止矿柱纵向弯曲：要求 在c在0.25h - 0.75h区间，h 为矿柱的高度。矿柱在承受上覆岩层压力时，就像一根细长的柱子，如果宽度与高度的比例不合适，就容易发生纵向弯曲失稳。当矿柱高度一定时，增加矿柱宽度可以提高其抗弯曲能力。例如，在一些地下开采的煤矿中，由于煤层较厚，矿柱高度较大，如果不按照此要求控制矿柱宽度，矿柱就容易在长期的压力作用下发生弯曲变形，最终导致采场顶板下沉、垮落。
3.保持矿柱中心部位稳固：采用爆破崩矿时，要求 c在3 - 5m，以保持矿柱中心部位稳固。在爆破崩矿过程中，爆炸产生的应力波会在矿柱内传播，如果矿柱宽度过小，矿柱中心部位就难以保持稳固，容易出现裂缝、破碎等情况。以某铁矿的开采为例，在采用爆破崩矿时，起初设置的矿柱宽度不足，导致矿柱中心部位在爆破后出现了明显的破碎带，大大降低了矿柱的承载能力。而当将矿柱宽度增大到满足 c在3 - 5m 的要求后，矿柱中心部位的稳固性得到了有效保障，确保了采场的安全开采。
4.防止矿柱压入顶板：如果顶板岩石强度低于矿石强度，为防止矿柱压入顶板，应加大矿柱面积。当顶板岩石强度较低时，矿柱在承受压力时，就有可能将顶板岩石压碎并陷入其中，从而破坏顶板的稳定性。此时，增大矿柱面积可以分散压力，降低单位面积上的压力值，避免矿柱压入顶板。例如，在某铅锌矿的开采中，由于顶板岩石较为松软，矿石强度相对较高，在最初的开采中，因未及时加大矿柱面积，导致部分矿柱压入顶板，引发了顶板局部垮落。后来通过加大矿柱面积，成功解决了这一问题，保障了开采的安全进行。
急倾斜矿体的矿柱计算
顶柱与底柱
在急倾斜矿体的开采过程中，顶柱和底柱起着不可或缺的作用，但其支撑能力却受到自身受力特点的极大限制。顶柱位于矿房的顶部，在矿体开采时，它犹如一个盾牌，阻挡着上方覆岩的压力。然而，由于其特殊的位置和受力方式，顶柱主要承受着剪应力和弯曲应力。这些复杂的应力作用，使得顶柱无法像理想状态下那样均匀地承受载荷，而只能承担部分压力。就像一根两端支撑的梁，在受到侧向力时，会产生弯曲变形，顶柱在剪应力和弯曲应力的作用下，内部结构会逐渐发生变化，导致其承载能力大打折扣。在某急倾斜矿体的开采中，由于顶柱所受的剪应力和弯曲应力过大，在开采到一定阶段后，顶柱出现了明显的裂缝和破碎现象，大大降低了其支撑效果。
底柱则位于矿房的底部，它的主要作用是保护底部的运输巷道等设施。但不幸的是，底柱往往会受到放矿巷道的严重切割。这些切割就如同在一座坚固的堡垒上开了许多口子，使得底柱的完整性遭到极大破坏，其对围岩的支撑能力也随之大幅下降。例如，在某铅锌矿的急倾斜矿体开采中，底柱被放矿巷道切割得支离破碎，在承受上覆岩层压力时，无法有效地将力传递出去，导致底部围岩出现了较大的变形和位移，严重影响了开采的安全进行。由于顶柱和底柱的这些受力特点，在进行矿柱计算时，它们的支撑能力仅能按安全系数来考虑。这意味着在实际的开采设计中，需要通过合理确定安全系数，来确保顶柱和底柱在有限的支撑能力下，仍能在一定程度上保障开采的安全。
间柱
间柱在急倾斜矿体的开采中扮演着极为关键的角色，是支撑围岩的主体部分。它就像一座坚固的桥梁，连接着矿房之间的岩体，承受着来自周围岩体的巨大压力，维持着采场的稳定性。间柱的宽度计算至关重要，其中一种常用的方法是按覆岩压力计算，公式为：
在这个公式里，a 代表矿房宽度，它反映了开采空间的大小，矿房宽度越大，间柱所需要承受的压力也就越大；c 是间柱宽度，这是我们计算的目标，合适的间柱宽度是保证其支撑能力的关键；Sy 为矿柱支撑的上部覆岩面积，该面积越大，间柱所承受的载荷就越大；H 为开采深度，随着开采深度的增加，地压增大，对间柱的强度要求也更高；K 是载荷系数，与岩石性质密切相关，不同的岩石性质会导致载荷系数的不同，从而影响间柱宽度的计算；n 为安全系数，安全系数的设定是为了确保间柱在各种复杂情况下仍能安全稳定地工作 。通过这个公式，我们可以根据具体的开采条件和岩石性质，精确计算出满足支撑要求的间柱宽度，为急倾斜矿体的安全开采提供重要保障。间柱通常厚大且连续，在受力时呈三向受力状态。这种三向受力状态使得间柱内部的应力分布更加均匀，能够充分发挥其岩石的强度，从而提高间柱的承载能力 。例如，在某大型铜矿山的急倾斜矿体开采中，合理设计的间柱有效地支撑了围岩，在整个开采过程中，采场始终保持着良好的稳定性，保障了开采工作的顺利进行。
小结
矿柱在采矿工程中具有不可替代的重要作用，是确保开采安全与效率的关键要素。在不同类型矿体的开采中，矿柱的设计和计算要点各有不同，但都紧密围绕着保障采场稳定性和有效承载上覆岩层压力这一核心目标。
在水平和缓倾斜矿体开采时，矿柱形状对其强度的影响显著，合理的宽高比能使矿柱处于良好的受力状态，增强其承载能力。通过许用承载强度公式计算矿柱必需截面，需综合考虑开采深度、覆岩面积、岩石性质等因素，以确保矿柱具备足够的强度来支撑上部覆岩。而限定条件下的最小宽度要求，则从防止爆破崩坏、纵向弯曲、保持矿柱中心稳固以及防止压入顶板等多个方面，为矿柱的尺寸设计提供了全面的约束，有效保障了矿柱在复杂开采环境下的稳定性。
急倾斜矿体开采中，顶柱和底柱虽在支撑围岩方面存在一定局限性，但它们依然是整个开采结构中不可或缺的部分，其支撑能力的合理评估和安全系数的准确设定，对于保障开采安全至关重要。间柱作为支撑围岩的主体，其宽度计算方法基于覆岩压力等因素，通过精确的公式计算，能够确定满足支撑要求的间柱宽度。间柱厚大且连续的结构特点，使其在三向受力状态下能够充分发挥承载作用，维持采场的稳定性.
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