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界壳理论在采空区失稳判定与危害控制研究中的应用探讨
2011-08-08
地下开采留下的大量采空区是影响矿山安全生产最主要的危险源之一。文中介绍了界 壳理论的基本观点,并对其物量交换率等方面作了进一步延伸;在系统研究采空区失稳发生机制和 采空区崩塌诱发危害及其控制的基础上,探讨了采空区界壳结构支撑能力退化与采空区失稳的关 系、界壳上的物量交换与采空区危害控制的关系。
黄 金 GOLD 2 005年 第 12期 /第 26卷 采 矿 工 程 1 9 界 壳 理 论 在 采 空 区 失 稳 判 定 与 危 害 控 制 研 究 中 的 应 用 探 讨 , 2 1 1, 2 ,李 明 郑 怀 昌 ( 1. 山 东 理 工 大 学 ; 2. 北 京 科 技 大 学 ) 摘 要 :地 下 开 采 留 下 的 大 量 采 空 区 是 影 响 矿 山 安 全 生 产 最 主 要 的 危 险 源 之 一 。 文 中 介 绍 了 界 壳 理 论 的 基 本 观 点 ,并 对 其 物 量 交 换 率 等 方 面 作 了 进 一 步 延 伸 ;在 系 统 研 究 采 空 区 失 稳 发 生 机 制 和 采 空 区 崩 塌 诱 发 危 害 及 其 控 制 的 基 础 上 ,探 讨 了 采 空 区 界 壳 结 构 支 撑 能 力 退 化 与 采 空 区 失 稳 的 关 系 、界 壳 上 的 物 量 交 换 与 采 空 区 危 害 控 制 的 关 系 。 关 键 词 :采 空 区 ;界 壳 ;失 稳 ;危 害 ;交 换 率 + 中 图 分 类 号 : TD8531391 12  文 献 标 识 码 : B  文 章 编 号 : 1001 - 1277 (2005) 12 - 0019 - 04 [ 2 ] 。   矿 产 资 源 地 下 开 采 留 下 了 大 量 的 采 空 区 ,易 于 导 和 环 境 间 的 有 序 交 换 、协 调 发 展 的 问 题 致 矿 山 采 空 区 灾 害 ;特 别 是 自 20世 纪 80年 代 以 来 , 我 国 矿 业 开 采 秩 序 较 为 混 乱 ,非 法 、无 规 划 乱 采 滥 挖 在 一 些 国 有 矿 山 周 边 留 下 了 大 量 的 不 明 采 空 区 ,是 影 在 对 系 统 的 不 断 深 入 研 究 过 程 中 ,虽 然 对 系 统 3 要 素 ,即 系 统 的 结 构 、功 能 和 行 为 有 着 深 入 的 认 识 ,但 对 于 分 隔 系 统 和 系 统 相 邻 并 与 其 依 存 的 环 境 的 系 统 周 界 却 研 究 甚 少 。 系 统 以 它 的 周 界 (系 统 边 界 )与 环 境 相 分 离 ,无 论 从 系 统 向 环 境 ,或 是 从 环 境 向 系 统 的 物 质 、能 量 、信 息 (通 称 为 物 量 )的 传 输 ,都 必 须 经 过 这 一 周 界 。 这 样 ,系 统 周 界 对 系 统 的 形 成 与 发 展 ,对 系 统 状 态 的 变 化 都 起 着 重 要 作 用 乃 至 决 定 性 作 用 。 界 壳 由 界 门 和 界 壁 组 成 。 界 壁 (W )起 着 卫 护 系 统 和 环 境 的 生 存 与 发 展 的 作 用 ,或 者 说 限 制 系 统 内 和 环 境 间 物 质 、能 量 的 任 意 交 换 ,保 持 系 统 的 相 对 稳 定 性 。 如 尾 矿 库 系 统 的 尾 矿 坝 、拦 水 沟 等 。 界 门 (G)是 指 系 统 和 环 境 间 物 质 、能 量 和 信 息 的 交 换 通 道 。 如 尾 矿 库 系 统 的 排 洪 道 、滤 水 井 系 统 等 。 界 门 对 系 统 的 形 [ 1 ] 响 矿 山 安 全 生 产 最 主 要 的 危 险 源 之 一 ;非 法 、无 规 划 开 采 形 成 的 采 空 区 ,由 于 其 采 矿 空 间 的 不 确 定 性 、 信 息 的 不 完 备 性 等 特 点 加 大 了 采 空 区 处 理 与 控 制 难 度 ,对 主 采 矿 山 构 成 了 巨 大 威 胁 。 矿 山 采 空 区 灾 害 是 非 先 天 的 、人 为 形 成 的 地 质 灾 害 ,一 般 随 着 采 空 区 深 度 、大 小 及 矿 柱 、围 岩 的 稳 固 性 和 “ 活 化 ”程 度 的 不 同 ,表 现 的 形 式 也 不 尽 相 同 ,有 的 表 现 为 缓 慢 沉 降 ,有 的 则 表 现 为 突 然 陷 落 ,但 其 结 果 都 会 对 地 上 、地 下 一 定 范 围 内 的 人 机 环 境 构 成 不 同 程 度 的 危 害 和 破 坏 ;然 而 ,由 于 采 空 区 致 灾 机 理 的 复 杂 性 ,迄 今 为 止 ,国 内 外 缺 乏 对 采 空 区 危 害 的 系 统 分 析 与 研 究 。 成 、生 存 与 发 展 都 有 着 决 定 性 作 用 。 界 壳 开 放 度 (λ ) 是 指 系 统 界 门 所 占 面 积 (A )与 周 界 和 环 境 接 触 的 面 积 (Ah )之 比 ,即 λ =Aj /Ah。 界 壳 开 放 度 是 用 于 调 控 系 统 和 环 境 之 间 物 量 交 换 的 重 要 界 壳 要 素 。 界 壳 交 1   界 壳 理 论 的 基 本 思 想 及 延 伸 j 1. 1  界 壳 理 论 的 一 般 概 念 自 然 界 中 存 在 着 形 形 色 色 的 系 统 ,通 过 形 式 不 同 的 界 壳 与 环 境 分 离 并 保 持 自 身 的 功 能 、能 量 与 物 质 , 又 通 过 界 壳 与 环 境 进 行 不 断 的 物 质 、能 量 和 信 息 的 交 换 ,保 持 系 统 的 相 对 稳 定 和 不 断 演 化 。 界 壳 可 以 是 有 形 的 ,也 可 以 是 无 形 的 ,无 形 的 界 壳 往 往 是 一 些 概 念 上 的 规 定 。 换 率 (δ )是 指 通 过 界 门 的 实 际 交 换 量 (ψ 系 统 间 可 交 换 物 量 (ψ )之 比 ,即 δ =ψ /ψ 1. 2   界 壁 与 界 门 的 物 量 交 换 率 讨 论 )与 环 境 和 s e s e 。 按 照 界 壳 理 论 的 基 本 观 点 :界 壳 内 (或 系 内 )物 质 通 过 界 门 与 环 境 产 生 物 量 交 换 ,系 统 与 环 境 产 生 物 量 交 换 的 数 量 不 但 取 决 于 系 统 内 具 有 的 可 供 交 换 的 物 量 数 量 ,还 受 到 界 门 能 够 通 过 的 物 量 数 量 的 限 制 。 即 界 门 决 定 了 系 统 与 环 境 间 物 量 交 换 的 效 率 。 这 点 和 一 般 系 统 理 论 、控 制 论 、耗 散 结 构 理 论 等 是 有 区 别 的 ,后 者 认 为 系 统 与 环 境 间 的 物 量 交 换 没 有 上 述 界 壳 交 换 率 的 限 制 。 界 壳 概 念 是 学 者 曹 鸿 兴 于 1988年 提 出 的 ,旨 在 研 究 系 统 周 界 的 一 般 原 理 ,称 之 为 界 壳 理 论 。 主 要 涉 及 界 壳 的 结 构 、功 能 和 行 为 ,界 壳 的 数 学 描 述 ,界 壳 对 系 统 和 环 境 的 保 护 与 交 换 作 用 的 机 理 等 。 其 目 的 在 于 解 决 在 什 么 样 的 界 壳 的 结 构 、功 能 及 行 为 下 ,如 何 通 过 界 壳 对 系 统 和 环 境 的 保 护 与 交 换 作 用 ,实 现 系 统 收 稿 日 期 : 2005 - 10 - 13 作 者 简 介 :郑 怀 昌 (1964 - ) ,男 ,山 东 五 莲 人 ,山 东 理 工 大 学 副 教 授 ,北 京 科 技 大 学 博 士 生 ,主 要 从 事 矿 床 开 采 和 矿 山 安 全 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 ; 山 东 省 淄 博 市 ,山 东 理 工 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 , 255049 2 0 采 矿 工 程 黄 金 然 而 ,在 许 多 自 然 系 统 和 人 造 工 程 系 统 中 ,绝 对 与 内 部 矿 柱 (界 壳 )支 撑 能 力 (界 壳 支 撑 度 )下 降 这 对 矛 盾 演 变 的 过 程 。 在 初 期 开 挖 过 程 中 ,随 着 采 空 区 范 围 的 扩 大 ,作 用 在 采 空 区 周 围 一 定 范 围 内 的 介 质 上 的 应 力 不 断 发 生 变 化 ,局 部 介 质 因 本 身 不 足 (弱 岩 层 或 结 构 破 坏 严 重 岩 体 )或 应 力 集 中 而 破 坏 ,如 果 这 个 破 坏 不 断 发 展 直 至 发 展 到 地 表 ,则 大 规 模 采 空 区 就 不 会 出 现 ,反 之 当 局 部 破 坏 发 展 到 一 定 程 度 而 停 止 ,则 采 空 区 处 于 暂 态 稳 定 ,这 个 过 程 表 现 出 了 自 组 织 行 为 。 处 于 暂 态 稳 定 的 采 空 区 界 壳 由 于 其 构 成 介 质 本 身 的 流 变 和 微 结 构 扩 展 而 产 生 支 撑 度 不 断 下 降 ,采 空 区 系 统 孕 育 着 突 变 ,在 微 扰 动 下 系 统 将 突 然 趋 向 于 崩 塌 , 从 而 造 成 灾 害 。 不 产 生 能 量 和 物 质 交 换 的 界 壁 是 一 个 非 常 严 格 的 条 件 ,即 很 多 情 况 下 ,物 质 或 能 量 可 以 通 过 界 壁 进 行 部 分 的 交 换 ;如 一 个 制 造 合 格 的 保 温 瓶 ,在 瓶 口 规 范 密 封 的 情 况 下 ,瓶 中 的 热 水 经 过 一 段 时 间 后 温 度 下 降 了 ,即 完 好 的 界 壳 有 物 量 交 换 。 为 严 格 起 见 作 进 一 步 延 伸 :界 壳 的 交 换 率 包 括 通 过 界 门 进 行 交 换 的 通 过 交 换 率 (δ )和 通 过 界 壁 的 交 换 率 (δ ) ;当 系 统 的 开 放 2 度 很 大 时 ,通 过 界 壁 的 交 换 率 (δ )可 以 忽 略 不 计 ,反 之 当 系 统 的 开 放 度 较 小 时 ,通 过 界 壁 的 交 换 率 (δ 1 2 ) 2 的 作 用 必 须 予 以 计 算 ,否 则 系 统 内 物 质 或 能 量 的 计 算 将 会 出 现 很 大 的 漏 失 。 1 . 3界 壳 的 结 构 在 采 空 区 稳 定 性 分 析 和 失 稳 研 究 中 ,往 往 以 采 空 区 系 统 中 关 键 部 位 是 否 达 到 某 种 破 坏 准 则 作 为 采 空 区 破 坏 与 失 稳 的 依 据 ;岩 层 的 失 稳 与 破 坏 是 既 有 联 系 又 有 区 别 的 两 个 不 同 概 念 ,长 期 以 来 一 直 沿 用 连 续 介 质 强 度 理 论 ,以 局 部 破 坏 代 替 整 体 破 坏 ,一 旦 材 料 的 某 个 局 部 区 域 满 足 破 坏 准 则 ,则 认 为 结 构 发 生 了 破 坏 或 丧 失 了 功 能 。 实 际 上 经 常 可 以 发 现 ,硐 室 、巷 道 、采 场 乃 至 采 空 区 的 工 程 围 岩 已 经 发 生 破 坏 ,但 仍 然 能 够 服 务 于 生 产 ,即 局 部 破 坏 并 不 意 味 着 岩 体 结 构 整 体 功 有 形 的 界 壳 具 有 一 定 的 空 间 结 构 和 强 度 。 此 处 的 强 度 是 广 义 的 :包 括 力 学 意 义 上 的 材 料 强 度 、抵 抗 电 击 穿 的 绝 缘 度 、防 止 化 学 物 质 腐 蚀 的 耐 腐 蚀 度 等 , 即 抵 御 系 统 外 或 系 统 内 物 量 过 量 释 放 的 能 力 ,以 d ( t) 表 示 ,自 然 界 中 物 质 能 力 一 般 是 会 放 生 退 化 或 衰 变 的 ,因 此 其 强 度 是 时 间 的 函 数 。 界 壳 结 构 的 研 究 包 括 界 壳 空 间 结 构 形 态 、总 体 结 构 性 能 、微 结 构 性 能 、结 构 及 其 性 能 的 演 变 等 。 反 映 界 壳 结 构 性 能 的 特 征 有 多 个 方 面 ,其 中 关 键 是 研 究 界 壳 对 物 质 、能 量 通 过 (开 放 )和 交 换 特 性 相 对 应 的 特 征 。 如 :结 构 的 强 度 、稳 定 性 等 。 界 壳 结 构 有 时 候 是 分 层 的 ,靠 近 系 统 部 分 由 于 与 系 统 具 备 相 近 的 特 征 , 靠 近 环 境 的 部 分 与 环 境 有 部 分 共 同 的 特 征 ,在 界 壳 空 间 结 构 上 沿 法 线 有 一 定 变 化 梯 度 ,这 个 梯 度 对 界 壳 的 物 质 与 能 量 交 换 率 产 生 影 响 。 [ 3 ] 。 传 统 的 连 续 介 质 理 论 不 能 准 确 的 表 征 能 的 丧 失 岩 体 工 程 的 稳 定 性 ,特 别 是 像 地 下 采 空 区 、岩 溶 等 这 样 一 些 没 有 人 员 进 入 的 地 下 空 间 。 文 献 [ 4 ]将 局 部 与 整 体 破 坏 定 义 为 “ 岩 石 破 坏 ”和 “ 岩 石 工 程 破 坏 ”, 提 出 了 以 岩 石 工 程 周 围 关 键 区 域 的 力 学 状 态 达 到 某 种 条 件 作 为 岩 石 工 程 破 坏 的 准 则 ;文 献 [ 5 ]用 破 坏 了 的 围 岩 暴 露 面 积 与 围 岩 面 积 的 比 值 作 为 破 坏 标 准 ;文 献 [ 6 ]基 于 统 计 断 裂 力 学 提 出 了 表 征 岩 体 破 坏 的 最 弱 链 杆 模 型 ,以 积 累 破 坏 概 率 描 述 岩 体 破 坏 程 度 ;然 而 ,这 些 对 岩 体 破 坏 的 定 义 或 判 断 仅 能 描 述 岩 体 破 坏 的 “ 跳 跃 ”,以 及 发 生 的 非 连 续 突 变 破 坏 (失 稳 ) 。 围 岩 系 统 失 稳 是 局 部 围 岩 渐 进 破 坏 过 程 的 损 伤 演 化 最 界 壳 的 交 换 率 随 着 时 间 的 增 长 其 性 能 可 能 会 发 生 退 化 ,因 此 界 壳 的 交 换 率 还 可 能 是 时 间 的 函 数 。 反 映 界 壳 结 构 的 要 素 有 界 壳 支 撑 度 和 界 壁 抵 抗 力 。 支 撑 界 壳 存 在 的 结 构 元 称 为 界 壳 支 撑 ,即 是 什 么 使 界 壳 得 以 存 在 的 。 界 壳 的 卫 护 能 力 称 为 界 壁 抵 抗 [ 7 ] 力 ( F) ,界 壁 抵 抗 力 的 大 小 , 反 映 了 界 壳 对 系 统 和 环 境 卫 护 作 用 的 强 弱 ; 它 是 界 壁 结 构 ( C ) 、内 外 攻 击 A ) 、系 统 和 环 境 状 态 需 求 (D )的 函 数 , 即 F = f ( C, 终 导 致 突 变 的 结 果 ;这 是 工 程 岩 体 的 非 线 性 使 连 续 变 化 的 “ 因 ”产 生 不 连 续 变 化 的 “ 果 ”。 采 空 区 失 稳 主 要 是 在 对 采 空 区 系 统 起 支 撑 作 用 的 界 壳 结 构 达 到 了 破 坏 极 限 ,因 此 对 采 空 区 系 统 起 支 撑 作 用 的 界 壳 结 构 的 确 定 是 采 空 区 失 稳 判 定 作 用 的 前 提 ,借 鉴 煤 矿 地 压 研 究 中 提 出 的 “ 关 键 层 ”理 论 和 矿 柱 “ 柱 核 区 ”的 概 念 ,结 合 非 煤 矿 山 岩 层 变 形 与 力 学 特 征 建 立 采 空 区 系 统 的 界 壳 结 构 是 完 全 必 要 和 可 能 的 。 ( A, D ) 。 衡 量 支 撑 的 大 小 用 支 撑 度 来 表 征 。 支 撑 度 大 的 界 壳 能 更 强 地 抵 御 外 部 物 量 的 侵 入 或 内 部 物 量 的 溃 出 ,有 厚 度 无 支 撑 度 ,或 无 厚 度 有 支 撑 度 均 难 以 卫 护 系 统 的 安 全 ,只 有 具 有 一 定 厚 度 和 支 撑 度 的 界 壳 才 能 有 效 地 抵 御 外 部 物 量 的 侵 入 或 内 部 物 量 的 溃 出 ,保 持 系 统 的 稳 定 性 。 3 采 空 区 可 能 诱 发 的 危 害 及 其 控 制 2   采 空 区 失 稳 发 生 机 制 可 能 导 致 人 员 伤 害 或 财 物 损 失 事 故 的 、潜 在 的 不 大 规 模 地 下 采 空 区 从 形 成 到 崩 塌 的 演 变 过 程 实 安 全 因 素 统 称 为 危 险 源 。 在 自 然 和 社 会 诸 系 统 中 ,存 在 着 形 式 多 样 的 危 险 源 。 文 献 [ 8 ]将 危 险 源 划 分 为 质 上 是 应 力 转 移 与 集 中 和 采 空 区 一 定 范 围 内 的 围 岩 2 005年 第 12期 /第 26卷 采 矿 工 程 2 1 两 类 ,第 一 类 危 险 源 是 指 产 生 能 量 的 能 量 源 或 能 量 的 载 体 ,是 事 故 发 生 的 根 本 根 源 。 为 保 证 系 统 安 全 ,避 免 事 故 发 生 应 该 为 该 类 危 险 源 设 置 屏 蔽 。 第 二 类 危 险 源 是 指 导 致 约 束 、限 制 能 量 措 施 失 效 或 破 坏 的 各 种 不 安 全 因 素 ,即 界 壳 功 能 部 分 或 全 部 丧 失 。 括 采 空 区 支 撑 界 壳 结 构 ,可 分 为 有 内 部 职 称 (如 空 场 采 矿 法 开 采 的 采 空 区 )和 无 内 部 职 称 (如 崩 落 采 矿 法 开 采 形 成 的 采 空 区 )两 种 结 构 形 式 ;界 壁 结 构 还 与 构 成 界 壁 的 介 质 (岩 体 )物 理 力 学 性 质 密 切 相 关 。 内 外 攻 击 (A )包 括 外 部 应 力 和 内 部 开 采 造 成 的 应 力 集 中 , 以 及 界 壳 的 弹 性 应 变 能 积 聚 。 系 统 和 环 境 状 态 需 求 (D )是 指 采 空 区 维 持 稳 定 的 时 间 。 因 此 ,界 壳 结 构 支 大 规 模 地 下 采 空 区 是 一 个 巨 大 的 蓄 能 系 统 ,高 悬 的 顶 板 存 在 巨 大 的 势 能 、矿 柱 与 顶 底 板 岩 石 积 聚 巨 大 的 应 变 能 、采 空 区 内 存 积 的 水 具 有 的 势 能 等 ,是 重 大 的 矿 山 危 险 源 。 大 规 模 地 下 采 空 区 灾 害 的 产 生 ,是 由 于 大 面 积 的 采 空 区 顶 板 突 然 崩 塌 ,产 生 的 能 量 对 井 上 下 人 员 与 设 备 、设 施 产 生 的 伤 害 与 破 坏 ;由 于 事 故 发 生 具 有 突 发 性 、高 能 释 放 的 特 点 ,因 此 危 害 程 度 严 重 。 采 空 区 灾 害 的 危 害 程 度 取 决 于 采 空 区 系 统 崩 塌 产 生 的 能 量 以 及 能 量 释 放 方 式 ,采 空 区 灾 害 的 表 现 形 式 是 多 方 面 的 ,主 要 是 冲 击 气 浪 、矿 震 等 动 力 危 害 ,这 些 危 害 发 生 的 根 本 原 因 及 危 害 产 生 的 破 坏 强 度 ,取 决 于 采 空 区 系 统 蓄 积 的 能 量 以 及 能 量 释 放 与 转 换 方 式 。 然 而 ,采 空 区 系 统 积 聚 的 能 量 并 不 是 全 部 转 换 为 对 矿 山 人 员 及 设 备 产 生 破 坏 上 ,一 方 面 积 聚 的 能 量 在 对 采 空 区 支 撑 结 构 产 生 破 坏 时 ,克 服 结 构 结 合 力 而 消 耗 ,部 分 能 量 传 递 给 未 达 到 破 坏 极 限 的 岩 体 等 ,部 分 能 量 在 采 空 区 产 生 崩 塌 的 过 程 中 从 其 它 通 道 逸 出 撑 功 能 F = f (C, A, D ) ( t) 。 图 1界 壳 结 构 支 撑 能 力 与 时 间 的 关 系 如 空 场 采 矿 法 矿 块 中 由 矿 柱 和 顶 地 板 构 成 的 支 撑 采 场 的 结 构 ,相 对 于 矿 房 开 采 而 言 就 是 一 个 界 壳 , 在 矿 房 开 采 初 期 ,由 于 开 采 破 坏 了 地 下 空 间 的 应 力 平 衡 和 空 间 平 衡 ,可 能 出 现 局 部 不 稳 固 ,经 过 人 工 加 固 或 自 然 冒 落 ,同 时 采 场 周 围 介 质 中 的 应 力 重 新 分 布 (自 组 织 过 程 ) ,逐 渐 趋 于 平 衡 ,当 矿 块 开 采 完 后 ,即 使 在 应 力 没 有 放 生 变 化 的 情 况 下 ,由 于 岩 体 的 流 变 以 及 内 部 微 裂 隙 的 扩 展 ,使 得 岩 体 广 义 刚 度 系 数 下 降 , 界 壳 支 撑 功 能 退 化 ,最 终 导 致 采 场 垮 落 。 界 壳 结 构 支 撑 功 能 丧 失 。 (如 采 空 区 崩 塌 时 产 生 的 冲 击 气 浪 从 “ 天 窗 ”逸 出 ) , 即 产 生 了 采 空 区 系 统 界 内 和 环 境 之 间 的 能 量 交 换 。 实 践 证 明 ,当 采 空 区 与 环 境 之 间 的 能 量 交 换 通 道 足 够 大 时 ,将 不 会 产 生 冲 击 气 浪 危 害 (如 采 空 区 有 直 达 地 表 的 塌 陷 区 ) 。 4. 2  界 壳 上 的 物 量 交 换 与 采 空 区 危 害 控 制 如 上 所 述 ,采 空 区 造 成 的 危 害 主 要 是 由 于 采 空 区 崩 塌 时 积 聚 的 能 量 释 放 和 压 缩 空 气 产 生 冲 击 气 浪 造 成 的 ,因 此 控 制 危 害 的 破 坏 程 度 即 是 要 减 少 崩 塌 过 程 中 能 量 的 释 放 增 大 空 气 释 放 途 径 。 4   界 壳 理 论 在 采 空 区 失 稳 及 危 害 控 制 中 的 应 用 4. 1  界 壳 结 构 支 撑 功 能 退 化 与 采 空 区 失 稳 采 空 区 系 统 的 界 壳 结 构 是 由 岩 体 构 成 的 ,即 在 开 采 过 程 中 有 计 划 预 留 的 或 经 过 一 段 时 间 冒 落 而 稳 定 的 采 空 区 顶 板 、矿 柱 共 同 组 成 的 结 构 体 ;由 于 岩 体 内 天 然 或 次 生 裂 隙 的 存 在 ,以 及 岩 体 的 非 均 匀 性 ,因 此 在 外 力 长 时 间 作 用 下 ,界 壳 结 构 的 支 撑 能 力 是 下 降 的 ,见 图 1。 支 撑 能 力 下 降 的 原 因 主 要 是 岩 石 的 流 变 性 和 节 理 裂 隙 扩 展 造 成 的 。 从 力 学 角 度 看 ,即 使 在 应 力 没 有 发 生 变 化 的 情 况 下 ,当 应 力 达 到 趋 于 逐 步 下 降 的 支 撑 能 力 时 ,界 壳 某 处 即 产 生 破 坏 ,相 邻 介 质 因 失 去 约 束 而 连 锁 破 坏 ,造 成 采 空 区 崩 塌 。 从 能 量 角 度 看 ,一 方 面 界 壳 结 构 体 在 外 在 作 用 下 不 断 积 蓄 应 变 能 ;另 一 方 面 因 为 岩 石 的 流 变 性 和 节 理 裂 隙 扩 展 使 得 界 壳 结 构 的 刚 度 下 降 ,在 外 部 微 扰 动 下 ,达 到 结 构 体 的 能 量 破 坏 极 限 ,造 成 采 空 区 崩 塌 。 以 界 壁 抵 抗 力 从 能 量 释 放 来 看 ,采 空 区 破 坏 产 生 的 能 量 向 外 界 释 放 (或 交 换 )量 是 有 限 的 ,因 此 控 制 措 施 只 能 是 降 低 能 量 的 产 生 ,而 采 空 区 破 坏 释 放 的 能 量 取 决 于 岩 体 本 身 的 物 理 力 学 性 质 ,即 其 积 聚 能 量 的 能 力 ,强 度 高 、 刚 度 大 的 岩 体 积 聚 的 能 量 也 就 大 ,煤 矿 地 压 控 制 中 通 过 注 水 软 化 岩 层 就 是 为 了 降 低 其 积 聚 能 量 的 能 力 。 在 硬 岩 矿 山 中 ,常 常 采 取 在 采 空 区 内 预 留 缓 冲 层 的 方 法 ,可 以 起 到 延 长 顶 板 下 落 时 间 ,减 少 顶 板 作 用 在 底 板 上 的 冲 击 能 量 集 中 释 放 。 从 物 量 交 换 角 度 来 看 ,采 空 区 内 的 大 量 空 气 在 采 空 区 突 然 崩 塌 过 程 中 受 到 急 剧 压 缩 ,由 于 采 空 区 内 空 气 和 外 界 空 气 的 交 换 通 道 (界 门 )很 少 ,因 此 该 过 程 可 描 述 为 具 有 很 大 面 积 的 活 塞 急 剧 下 压 ,而 出 口 却 远 远 小 于 活 塞 面 积 ,因 此 形 成 高 速 的 冲 击 气 浪 ,成 为 多 数 矿 山 采 空 区 破 坏 的 主 要 方 面 ;从 界 壳 理 论 分 析 扩 大 ( F)来 表 征 界 壳 结 构 支 撑 功 能 ,其 中 界 壁 结 构 (C)包 2 2 采 矿 工 程 黄 金 [ [ [ [ [ 1 ] 国 家 安 全 生 产 科 技 发 展 规 划 (2004~ 2010) [ Z]. 北 京 :国 家 安 全 生 产 监 督 管 理 总 局 , 2004. 界 门 宽 度 或 面 积 ,即 增 大 系 统 的 开 放 度 ,可 以 增 加 系 内 物 量 与 环 境 的 交 换 率 ,从 而 降 低 该 类 物 量 的 非 期 望 转 移 ,在 我 国 的 许 多 硬 岩 矿 山 通 过 开 “ 天 窗 ”的 方 式 控 制 或 降 低 采 空 区 崩 塌 时 的 危 害 ,可 以 用 上 述 思 想 解 释 。 2 ] 曹 鸿 兴 . 系 统 周 界 的 一 般 理 论 ——— 界 壳 论 [M ] . 北 京 :气 象 出 版 社 , 1997. 3 ] 王 来 贵 ,刘 向 峰 ,于 江 ,等 . 采 场 大 面 积 悬 顶 系 统 贮 能 及 释 放 研 究 [ J ]. 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 , 2003, 22 (6) : 767~ 768. 4 ] 高 谦 ,杨 志 强 ,杨 志 法 . 地 下 大 跨 度 采 场 围 岩 突 变 失 稳 风 险 预 测 J ]. 岩 土 工 程 学 报 , 2000, 22 (5) : 523~ 527. 5 ] 唐 春 安 ,徐 小 荷 . 失 稳 条 件 下 岩 石 的 应 力 - 应 变 全 过 程 曲 线 A ]. 中 国 岩 石 力 学 及 工 程 学 会 . 岩 石 力 学 在 工 程 中 的 应 用 ——— 5   结 语 [ 界 壳 理 论 是 一 个 新 兴 的 学 科 分 支 ,其 在 工 程 领 域 中 的 应 用 目 前 尚 未 见 报 道 ,需 要 不 断 的 扩 展 ,采 空 区 失 稳 与 致 灾 研 究 是 复 杂 的 安 全 系 统 工 程 ,需 要 不 断 的 吸 取 相 关 理 论 作 为 支 撑 ;从 能 量 意 外 释 放 理 论 分 析 事 故 发 生 机 理 ,有 许 多 的 研 究 领 域 与 界 壳 理 论 是 交 叉 的 ,因 此 研 究 界 壳 理 论 在 采 空 区 失 稳 及 其 诱 发 灾 害 机 理 与 控 制 ,以 及 其 它 矿 山 系 统 安 全 或 事 故 机 理 与 预 防 中 的 应 用 将 有 很 广 泛 的 空 间 。 [ 第 二 次 全 国 岩 石 力 学 与 工 程 学 术 会 议 论 文 集 [ C ] 1北 京 :知 识 出 版 社 , 1989. 303~ 310. [ 6 ] 朱 德 仁 . 岩 石 工 程 破 坏 准 则 [ J ]. 煤 炭 学 报 , 1994, 19 ( 1) : 15~ 2 0. [ [ 7 ] 卡 曹 罗 夫 И И 著 . 聂 孟 荀 译 . 岩 石 力 学 [M ]. 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 , 1985. 8 ] 陈 宝 智 . 安 全 原 理 (第 二 版 ) [M ]. 北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 , 2002. [参 考 文 献 ] D iscussion on the application of boundary theory in determ ina tion of instab ility of m ined2out area and damage control 1 , 2 1, 2 Zheng Huaichang ,L iM ing ( 1. Shandong U niversity of Technology; 2 U niversity of Science and Technology B eijing) Abstract: The m ined2out area due to underground m ining is one of the main risk sources ofm ines. The paper in2 troduces the basic viewpoint of boundary theory and the exchange ratio of the boundary. Based on systematic study on the mechanism of instability of m ined2out area, the relation between the devolution of capability of boundary about sustain and instability of m ined2out area, the relation between the exchange of material and the control of hazard due to m ined2out area are discussed. Keywords:m ined2out area; boundary; instability; damage; exchange ratio (编 辑 :邢 万 芳 ) “ 十 一 五 ”重 点 扶 持 大 型 黄 金 企 业 国 家 发 改 委 工 业 司 副 司 长 熊 必 琳 日 前 透 露 ,“ 十 一 五 ”期 间 ,国 家 将 坚 持 以 存 量 发 展 为 主 的 方 针 ,重 点 扶 持 大 型 黄 金 企 业 的 发 展 ,对 重 点 成 矿 区 、成 矿 带 将 实 行 国 家 统 一 规 划 勘 探 和 开 发 。 熊 必 琳 说 ,在 多 次 征 求 意 见 后 ,我 国 黄 金 工 业 “ 十 一 五 ”发 展 规 划 目 前 已 形 成 初 稿 ,其 总 体 发 展 思 路 是 :树 立 和 落 实 科 学 发 展 观 ,按 照 走 新 型 工 业 化 道 路 的 要 求 ,坚 持 以 存 量 发 展 为 主 的 方 针 ,依 托 现 有 企 业 加 快 黄 金 行 业 结 构 调 整 的 步 伐 ,加 强 黄 金 地 质 勘 探 和 黄 金 资 源 的 保 护 ;把 实 施 “ 走 出 去 ”战 略 放 在 更 加 突 出 的 位 置 ,鼓 励 企 业 开 发 境 外 黄 金 矿 产 ;促 进 黄 金 行 业 技 术 进 步 和 产 业 升 级 ,提 高 难 选 冶 金 矿 资 源 和 现 有 矿 区 深 部 资 源 的 利 用 程 度 ,提 高 黄 金 工 业 的 技 术 含 量 ;加 强 调 控 和 引 导 ,制 定 符 合 我 国 黄 金 行 业 实 际 的 规 划 、产 业 政 策 ;积 极 扶 持 大 型 黄 金 企 业 的 发 展 ,逐 步 改 善 黄 金 行 业 小 而 散 的 局 面 ,形 成 大 型 黄 金 企 业 主 导 黄 金 工 业 的 局 面 ,提 高 我 国 黄 金 行 业 的 整 体 竞 争 力 。 为 保 证 黄 金 工 业 持 续 发 展 ,“ 十 一 五 ”期 间 ,国 家 将 实 施 矿 山 探 矿 增 储 、难 采 选 金 矿 资 源 利 用 产 业 升 级 、循 环 经 济 示 范 等 一 批 重 点 工 程 ,并 且 要 促 进 “ 滇 、黔 、桂 ”金 三 角 开 发 、甘 肃 阳 山 金 矿 开 发 、江 西 金 山 金 矿 田 开 发 、 小 秦 岭 和 胶 东 金 矿 集 中 区 深 部 勘 探 开 发 等 一 批 重 点 项 目 。 熊 必 琳 表 示 ,“ 十 一 五 ”期 间 ,国 家 还 要 积 极 推 进 黄 金 矿 产 开 发 和 管 理 体 制 改 革 ,总 的 设 想 是 :提 高 黄 金 行 业 准 入 门 槛 ,淘 汰 落 后 生 产 能 力 ,实 施 资 源 整 合 ,继 续 培 育 国 内 大 黄 金 集 团 公 司 的 发 展 ;改 革 目 前 的 金 矿 勘 探 、 开 发 方 式 ,对 重 点 成 矿 区 、成 矿 带 实 行 国 家 统 一 规 划 勘 探 、开 发 ;借 鉴 和 实 施 “ 借 金 还 金 ”等 国 际 上 成 熟 的 项 目 融 资 经 验 ,探 索 和 改 进 黄 金 矿 产 的 开 发 模 式 。 (转 自 中 国 黄 金 协 会 网 )
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