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石膏矿山顶板破坏机理探讨
2011-08-08
根据近几年对石膏矿山的现场调查,结合岩体力学的相关理论和数值模拟技术,对石膏矿采场顶板冒落及 大规模采空区顶板冒落机理作了简要探讨, 据此提出了预防采空区冒落的措施。
防试 验 研 究 防 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2007 年 第 3 期   文 章 编 号 :1008 - 7524 (2007) 03 - 0025 - 03 Ξ 石 膏 矿 山 顶 板 破 坏 机 理 探 讨 1 ,2 2 2 郑 怀 昌 ,张 晓 君 ,刘 志 河 ( 1. 北 京 科 技 大 学 ,北 京 100081 ;2. 山 东 理 工 大 学 ,山 东 淄 博 255049)   摘 要 :根 据 近 几 年 对 石 膏 矿 山 的 现 场 调 查 ,结 合 岩 体 力 学 的 相 关 理 论 和 数 值 模 拟 技 术 ,对 石 膏 矿 采 场 顶 板 冒 落 及 大 规 模 采 空 区 顶 板 冒 落 机 理 作 了 简 要 探 讨 , 据 此 提 出 了 预 防 采 空 区 冒 落 的 措 施 。 关 键 词 :石 膏 矿 ; 顶 板 冒 落 ; 机 理 ; 数 值 模 拟 中 图 分 类 号 : TD327 文 献 标 识 码 :B 0 引 言 近 几 年 来 ,国 内 石 膏 矿 山 大 规 模 冒 顶 塌 方 事 模 采 空 区 顶 板 冒 落 机 理 作 简 要 探 讨 。 1   顶 板 冒 落 形 式 及 破 坏 征 兆 故 频 繁 发 生 。 如 :广 西 合 浦 县 某 石 膏 矿 2001 年 5 月 发 生 重 大 冒 顶 事 故 ,造 成 29 人 死 亡 ,直 接 经 济 损 失 456 万 元 。 2002 年 5 月 20 日 ,在 山 东 省 枣 庄 市 峄 城 区 境 内 发 生 了 ML3. 6 矿 震 ,此 次 矿 震 为 现 场 观 测 发 现 ,石 膏 矿 山 采 用 房 柱 法 开 采 时 出 现 的 顶 板 破 坏 主 要 有 三 种 形 式 : a. 拱 形 冒 落 在 局 部 不 稳 固 区 段 ,特 别 是 护 顶 层 厚 度 不 足 时 ,矿 房 顶 板 发 生 冒 落 。 冒 落 后 ,可 见 顶 板 成 拱 形 自 稳 ,这 符 合 岩 体 力 学 中 的 自 然 平 衡 拱 理 论 。 b. 矿 房 顶 板 整 体 一 次 冒 落 1 4 970 年 以 来 山 东 境 内 发 生 的 最 大 矿 震 ,矿 震 是 由 [ 2 ] 。 河 北 省 隆 个 石 膏 矿 采 空 区 的 顶 板 塌 陷 所 致 尧 县 某 石 膏 矿 ,2003 年 11 月 发 生 大 面 积 冒 顶 塌 2 方 事 故 ,死 亡 5 人 ,地 表 形 成 30000m 的 塌 陷 区 。 开 采 过 程 中 曾 出 现 有 两 个 矿 房 ,在 开 采 完 毕 一 段 时 间 后 ,矿 房 顶 板 及 上 覆 围 岩 整 体 突 然 垮 下 , 在 地 表 明 显 可 见 塌 陷 坑 形 状 与 矿 房 形 状 一 致 ,事 后 总 结 分 析 ,该 矿 房 上 部 无 其 它 石 膏 矿 层 ,且 护 顶 层 厚 度 不 足 ,是 其 冒 落 的 根 本 原 因 。 2 005 年 11 月 河 北 邢 台 县 会 宁 镇 尚 汪 庄 康 立 石 膏 矿 发 生 坍 塌 事 故 ,造 成 了 33 人 死 亡 ,4 人 失 踪 ,直 接 经 济 损 失 744 万 元 的 严 重 后 果 。 湖 南 石 门 县 天 德 石 膏 矿 老 采 空 区 于 2006 年 8 月 19 日 18 时 30 分 左 右 突 然 发 生 大 面 积 整 体 垮 塌 ,巨 大 的 冲 击 波 使 正 在 井 下 作 业 的 18 名 矿 工 躲 闪 不 及 ,酿 成 重 大 矿 难 。 c. 大 规 模 采 空 区 冒 落 在 石 膏 矿 区 开 采 10 余 年 后 ,陆 续 出 现 了 不 同 矿 山 大 规 模 采 空 区 突 然 冒 落 的 事 件 ,出 现 大 规 模 采 空 区 冒 落 主 要 征 兆 有 :a) . 靠 近 采 空 区 中 间 位 置 的 下 部 首 先 出 现 矿 柱 片 帮 现 象 ,且 片 帮 速 度 呈 增 加 趋 势 ,片 帮 范 围 由 中 间 矿 柱 向 相 邻 矿 柱 传 递 ,自 下 向 上 传 递 ;b) . 空 区 内 传 出 “ 咔 嚓 ”声 响 ,频 率 和 能 级 不 断 加 大 ;c) . 局 部 矿 段 还 伴 随 底 鼓 现 象 。 2   石 膏 矿 采 矿 方 法 特 征 及 地 压 管 理 特 点 2. 1 石 膏 矿 采 矿 方 法 特 征 大 规 模 石 膏 矿 顶 板 突 然 冒 落 ,瞬 间 释 放 大 量 的 能 量 ,预 测 不 准 或 防 范 措 施 不 当 都 可 能 导 致 重 大 财 产 损 失 和 人 员 伤 亡 事 故 ,准 确 预 报 并 控 制 事 故 发 生 的 基 础 是 对 顶 板 冒 落 机 理 的 正 确 认 识 。 目 前 ,对 于 石 膏 矿 山 大 规 模 顶 板 冒 落 的 发 生 机 理 研 [ 1 ,2 ] ,笔 者 根 据 近 几 年 在 山 东 3 个 石 膏 矿 究 很 少 区 (平 邑 、峄 城 、泰 安 ) 的 现 场 调 查 ,结 合 岩 体 力 学 的 相 关 理 论 和 数 值 模 拟 对 石 膏 矿 顶 板 冒 落 及 大 规 山 东 的 3 个 石 膏 矿 区 (平 邑 、峄 城 、泰 安 ) 开 采 Ξ 收 稿 日 期 :2006 - 12 - 03   基 金 项 目 :山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 ( Y2006E06) ,山 东 理 工 大 学 科 研 基 金 . 防 25 防 防试 验 研 究 防 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2007 年 第 3 期 对 象 均 为 湖 相 沉 积 矿 床 ,矿 床 多 为 多 层 矿 与 围 岩 互 层 产 出 ,围 岩 以 泥 质 页 岩 ,粉 砂 岩 为 主 ,抗 压 强 度 低 ,抗 风 化 能 力 差 ,稳 固 性 低 ;在 开 采 过 程 中 ,都 是 采 用 房 柱 法 开 采 。 预 留 0. 5~ 3 m 不 等 的 石 膏 矿 层 作 为 护 顶 层 ,当 底 板 岩 石 松 软 时 还 要 预 留 开 采 遗 留 的 采 空 区 未 作 任 何 处 理 。 然 而 ,石 膏 矿 与 其 他 硬 岩 在 力 学 特 征 上 存 在 很 大 的 差 别 ;主 要 体 现 在 石 膏 矿 力 学 性 质 的 特 殊 性 ,即 介 于 硬 岩 与 松 软 矿 石 之 间 ,且 风 化 速 度 快 。 相 关 研 究 表 明 :硬 石 膏 具 有 比 较 明 显 的 流 变 特 性 :在 不 同 的 应 力 水 平 作 用 下 ,硬 石 膏 的 流 变 曲 线 表 现 出 瞬 时 弹 性 应 变 、过 渡 蠕 变 阶 段 、稳 态 蠕 变 阶 段 以 及 加 速 蠕 变 阶 段 等 不 同 的 流 变 特 性 。 为 了 研 究 石 膏 矿 采 空 区 长 期 稳 定 性 问 题 ,进 行 了 分 析 硬 石 膏 的 流 变 特 性 的 实 验 ,所 获 得 的 硬 石 膏 的 长 期 强 度 仅 为 硬 石 膏 瞬 0 . 5 m以 上 的 石 膏 防 止 矿 柱 压 入 底 板 或 底 鼓 。 根 据 开 采 区 段 矿 体 稳 固 性 不 同 ,一 般 采 用 采 5 留 5 或 采 6 留 4 的 方 式 布 置 采 场 ,多 数 矿 山 的 房 间 矿 柱 为 间 断 矿 柱 ;每 间 隔 5~ 8 个 矿 房 ,留 设 15 m 左 右 的 隔 离 矿 柱 (为 连 续 矿 柱 ) ,见 图 1 ;房 间 矿 柱 和 隔 离 矿 柱 一 般 不 再 回 收 ,采 空 区 也 未 作 处 理 。 [ 3 ] 。 时 强 度 的 66 % 因 此 ,在 石 膏 矿 初 期 开 采 时 通 过 保 持 采 场 稳 定 的 护 顶 层 、矿 柱 、上 部 膏 层 等 共 同 构 建 起 一 个 维 护 一 个 或 几 个 采 场 稳 定 的 空 间 结 构 ;此 结 构 在 一 定 时 间 内 能 够 维 持 空 间 平 衡 ,保 障 开 采 安 全 和 正 常 作 业 ;但 随 着 时 间 的 延 续 ,一 方 面 应 力 集 中 造 成 了 变 形 的 不 均 衡 ,另 一 方 面 开 采 历 史 造 成 的 蠕 变 差 异 ,导 致 部 分 矿 柱 首 先 破 坏 ,引 发 相 邻 矿 柱 应 力 增 加 ,加 剧 了 矿 柱 破 坏 速 度 ,进 一 步 诱 导 上 部 膏 层 变 形 ,扩 大 了 膏 层 自 持 的 面 积 ,当 该 面 积 足 够 大 时 ,引 起 上 部 膏 层 剪 切 破 坏 ,使 得 上 部 岩 层 的 质 量 作 用 在 护 顶 层 上 ,致 使 护 顶 层 破 坏 ,导 致 大 规 模 采 空 区 冒 落 ,酿 成 灾 害 。 1 5 - 中 段 回 风 巷 ;2 - 盘 区 连 续 矿 柱 ;3 - 矿 房 ;4 - 出 矿 口 ; - 运 输 平 巷 ;6 - 采 空 盘 区 ;7 - 切 割 上 山 ;8 - 间 隔 矿 柱 。 3 3 石 膏 矿 山 顶 板 破 坏 规 律 数 值 模 拟 . 1 模 型 构 建 图 1 采 矿 方 法 2 2 . 2 石 膏 矿 地 压 管 理 特 点 连 续 介 质 快 速 拉 格 朗 日 分 析 程 序 FLAC(Fast . 2. 1 采 场 地 压 管 理 方 式 及 特 点 在 矿 房 开 采 过 程 中 ,靠 留 设 的 房 间 矿 柱 和 预 Lagrangian analysis of continua) 是 近 年 来 逐 步 成 熟 完 善 起 来 的 一 种 新 型 数 值 分 析 方 法 ,其 已 成 为 国 际 上 广 泛 使 用 的 岩 土 工 程 力 学 分 析 软 件 。 根 据 研 究 问 题 的 需 要 ,所 建 立 的 3 维 计 算 模 型 的 长 、宽 、高 分 别 为 150m、80m、100m ,石 膏 层 的 倾 角 为 8板 ,采 用 采 5 留 5 的 方 式 布 置 采 场 ,房 间 矿 柱 为 间 断 矿 柱 ,矿 柱 为 矩 形 ,尺 寸 为 5m 淄 5m ; 每 间 隔 5 个 矿 房 ,留 设 15m 左 右 的 隔 离 矿 柱 。 计 算 模 型 划 分 成 119550 个 六 面 体 单 元 网 格 ,其 节 点 数 为 147395 个 。 模 型 侧 面 边 界 约 束 水 平 位 移 ,模 型 底 面 边 界 约 束 竖 直 方 向 位 移 ,模 型 上 部 边 界 以 均 布 载 荷 代 替 其 上 覆 岩 层 的 重 量 。 考 虑 石 膏 的 流 变 特 性 ,采 用 按 比 例 降 低 矿 柱 及 其 周 围 岩 体 强 度 留 的 石 膏 护 顶 层 及 部 分 护 底 石 膏 来 维 持 采 场 平 衡 。 在 房 间 矿 柱 设 计 时 ,主 要 考 虑 上 部 岩 层 的 覆 重 ,采 用 均 压 理 论 确 定 矿 柱 的 规 格 ;矿 房 跨 度 确 定 时 ,一 方 面 考 虑 石 膏 的 稳 固 性 ,另 一 方 面 ,基 于 上 部 岩 体 质 量 对 护 顶 层 施 加 的 剪 应 力 不 超 过 石 膏 矿 层 的 抗 剪 强 度 ,且 力 学 指 标 均 以 测 试 强 度 为 准 。 在 确 定 护 顶 层 厚 度 时 ,一 方 面 要 满 足 开 采 工 艺 的 要 求 ,另 一 方 面 基 于 上 部 岩 体 质 量 对 护 顶 层 施 加 的 剪 应 力 不 超 过 石 膏 矿 层 的 抗 剪 强 度 的 原 则 。 2 . 2. 2 采 空 区 管 理 与 矿 山 地 压 显 现 特 点 由 于 石 膏 矿 石 价 格 低 ,因 此 ,大 多 数 矿 山 对 于 防 26 防 防试 验 研 究 防 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2007 年 第 3 期 的 方 法 。 最 初 的 岩 层 物 理 力 学 参 数 见 表 1。 表 1 各 岩 层 物 理 力 学 参 数 体 积 模 量 Pa 剪 切 模 量 摩 擦 角 量 抗 拉 强 度 体 积 质 量 粘 聚 力 剪 胀 角 岩 层 名 称 / / Pa / 板 / Pa / (kg防m - 3) / Pa / 板 9 9 9 9 7 3 8 18. 5 淄 10 石 膏 层 1. 75 淄 10 1. 41 淄 10 0. 81 淄 10 0. 65 淄 10 45 32 1. 80 淄 10 2. 32 淄 10 5 5 7 3 8 含 膏 泥 岩 1 淄 10 2. 2 淄 10 18 淄 10 3 . 1 FLAC3D 数 值 模 拟 结 果 分 析 从 塑 性 区 分 布 变 化 的 模 拟 结 果 可 以 看 出 ,首 对 于 矿 山 大 范 围 地 压 活 动 的 控 制 作 用 并 不 明 显 ; b. 硬 石 膏 具 有 比 较 明 显 的 流 变 特 性 ,其 流 变 性 对 矿 柱 、护 顶 层 和 上 部 膏 层 的 影 响 明 显 ; c. 上 部 赋 存 的 石 膏 矿 层 对 于 下 部 开 采 层 地 压 变 化 起 到 了 均 压 作 用 ;石 膏 矿 采 空 区 是 由 上 部 石 膏 矿 层 、矿 柱 体 系 和 底 板 膏 层 共 同 构 成 的 支 撑 结 构 来 维 持 平 衡 的 。 先 出 现 塑 性 破 坏 区 的 是 沿 采 空 区 走 向 和 倾 向 两 个 中 心 轴 线 附 近 的 矿 柱 ,且 沿 倾 向 的 矿 柱 塑 性 破 坏 相 对 较 明 显 。 在 开 采 初 期 ,由 于 开 挖 空 间 小 ,作 用 在 矿 柱 和 护 顶 层 上 的 应 力 小 ,采 场 是 稳 定 的 ;一 方 面 ,石 膏 初 期 强 度 大 ,岩 体 变 形 小 ,此 时 由 于 上 部 膏 层 的 均 压 作 用 ,使 得 各 矿 柱 上 的 应 力 差 别 不 明 显 ;此 时 , 只 要 护 顶 层 足 以 承 担 上 部 岩 体 质 量 造 成 的 剪 应 力 ,则 采 场 稳 定 性 很 好 ,实 践 证 明 ,浅 部 开 采 护 顶 层 厚 度 大 于 0. 5 m 即 可 保 证 采 场 稳 定 ;随 着 大 量 矿 石 不 断 采 出 ,应 力 集 中 程 度 增 大 ,致 使 作 用 在 局 部 矿 柱 和 护 顶 层 上 的 应 力 增 加 ,随 着 时 间 推 移 ,流 变 造 成 的 矿 柱 变 形 增 大 ,顶 板 与 上 部 膏 层 变 形 增 大 ,石 膏 本 身 强 度 也 明 显 降 低 ,加 剧 了 应 力 集 中 程 度 ,使 得 部 分 矿 柱 进 入 塑 性 变 形 ,此 时 ,矿 柱 破 坏 的 声 发 射 现 象 明 显 ;矿 柱 的 塑 性 变 形 进 一 步 导 致 顶 板 与 上 部 膏 层 变 形 增 大 ,致 使 上 部 膏 层 受 到 剪 应 力 与 拉 应 力 的 复 合 作 用 ,深 部 声 发 射 现 象 加 剧 ; 这 里 存 在 两 种 情 况 ,一 是 在 矿 柱 未 破 坏 前 ,顶 板 与 上 部 膏 层 变 形 增 大 可 能 最 终 导 致 先 于 矿 柱 破 坏 ; 二 是 矿 柱 先 破 坏 ,某 一 矿 柱 破 坏 失 去 承 载 能 力 后 , 其 原 有 负 荷 由 邻 近 矿 柱 或 围 岩 分 担 ,分 担 的 结 果 导 致 更 多 矿 柱 破 坏 ,扩 大 了 膏 层 自 持 的 面 积 ,进 一 步 导 致 顶 板 与 上 部 膏 层 变 形 以 至 于 整 体 破 坏 。 5   参 考 文 献 [ 1 [ 1 ] 吴 秀 岐 . 平 邑 石 膏 矿 采 矿 方 法 及 采 空 区 处 理 [J ]. 非 金 属 矿 , 996 (4) 42 - 44. 2 ] 万 虹 . 大 面 积 采 空 区 的 稳 定 性 研 究 [J ]. 有 色 金 属 (矿 山 部 分 ) . 1994 (6) :21 - 25. [ [ 3 ] 刘 沐 宇 ,徐 长 佑 . 硬 石 膏 的 流 变 特 性 及 其 长 期 强 度 的 确 定 J ]. 中 国 矿 业 . 2000 ,9(2) :53~ 55. Mechanism discussion on roof failure of gypsum mine 1 ,2 , ZHEN G Huai2chang 2 2 ZHAN G Xiao2jun ,L IU Zhi2he ( 1. Beijing University of Science and Technology , Beijing 100081 ,China ; 2. Shandong University of Technology ,Zibo Shandong 255049 ,China) Abstract :Roof falling of mined out area on a large scale often hap2 pen in the native gypsum mines over last years. It is very few to re2 search on the above2mentioned problem. On the basis of the investi2 gation ,with the rockmass mechanics and numerical simulation , the mechanism of roof falling of stope and mined out area on a large scale are discussed compendiously. 4 结 论 a. 通 过 上 述 分 析 可 以 发 现 ,开 采 中 保 留 的 护 顶 层 对 保 障 矿 房 开 采 过 程 中 的 安 全 作 用 明 显 ,而 Keywords :gypsum ore ; roof falling ; mechanism ; numerical simu2 lation 防 27 防
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