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民采空区稳定性安全分析
2011-08-08
根据河南栾川钼矿马圈矿区民采空区情况,对其民采空区地压进行了空区稳定性评价和数值模拟稳定性分 析。确定了民采空区允许的最大暴露面积和允许承受的地应力,并提出了保证空区稳定的安全技术措施。
分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2006 年 第 5 期   文 章 编 号 :1008 - 7524 (2006) 05 - 0028 - 04 Ξ 民 采 空 区 稳 定 性 安 全 分 析 1 ,2 1 1 ,3 1 ,李 金 凤 王 吉力 ,张 晓 君 ,郑 怀 昌 ( 1. 山 东 理 工 大 学 ,山 东 淄 博 255049 ;2. 中 南 大 学 ,湖 南 长 沙 410012 ;3. 北 京 科 技 大 学 ,北 京 100083)   摘 要 :根 据 河 南 栾 川 钼 矿 马 圈 矿 区 民 采 空 区 情 况 ,对 其 民 采 空 区 地 压 进 行 了 空 区 稳 定 性 评 价 和 数 值 模 拟 稳 定 性 分 析 。 确 定 了 民 采 空 区 允 许 的 最 大 暴 露 面 积 和 允 许 承 受 的 地 应 力 ,并 提 出 了 保 证 空 区 稳 定 的 安 全 技 术 措 施 。 关 键 词 :民 采 空 区 ;自 然 稳 定 ;数 值 模 拟 + 中 图 分 类 号 : TD325 . 3 文 献 标 识 码 :A   河 南 省 栾 川 县 是 我 国 主 要 的 钼 钨 资 源 基 地 , ( Ⅰ ) 、稳 定 ( Ⅱ ) 、较 稳 定 ( Ⅲ ) 、不 稳 定 ( Ⅳ ) 及 极 不 总 地 质 储 量 达 20 亿 t ,名 列 亚 洲 第 一 ,世 界 第 三 。 但 是 ,由 于 多 年 民 采 的 乱 采 滥 挖 ,从 而 遗 留 了 大 量 的 民 采 空 区 ,在 横 1 线 ~ 横 5 线 钼 矿 品 位 较 高 的 地 段 ,民 采 空 区 上 下 重 叠 ,左 右 贯 通 ,形 态 复 杂 ,容 积 达 上 百 万 立 方 米 。 这 些 民 采 空 区 ,均 为 非 正 规 开 采 留 下 的 采 场 和 坑 道 式 空 区 ,它 不 但 使 大 量 的 资 源 遭 到 破 坏 ,而 且 安 全 状 况 极 差 ,为 矿 山 的 安 全 生 产 和 资 源 的 合 理 开 发 带 来 了 极 大 困 难 。 稳 定 ( Ⅴ ) 五 个 等 级 ,由 岩 石 抗 压 强 度 、岩 体 质 量 指 标 、节 理 间 距 、节 理 状 况 、地 下 水 状 况 、地 应 力 状 况 这 六 个 因 素 构 成 评 价 集 ,运 用 正 态 型 岩 体 稳 定 性 隶 属 函 数 ,求 得 岩 体 稳 定 性 评 价 因 素 各 隶 属 函 数 中 的 参 数 ,利 用 模 糊 评 价 的 模 糊 关 系 矩 阵 ,确 定 上 述 六 个 稳 定 性 评 价 因 素 的 岩 体 评 价 数 值 。 并 在 此 基 础 上 ,由 岩 体 稳 定 性 模 糊 评 价 数 学 模 型 ,最 终 求 得 矿 岩 稳 定 性 等 级 评 价 的 模 糊 子 集 : 为 了 掌 握 民 采 空 区 自 身 的 稳 定 状 态 ,并 考 查 崩 落 处 理 部 分 民 采 空 区 后 地 应 力 对 其 它 区 域 的 影 响 程 度 ,找 出 采 空 区 处 理 过 程 中 自 身 的 潜 在 不 安 全 隐 患 ,需 要 对 民 采 空 区 的 稳 定 性 进 行 评 价 分 析 。 B岩 = 0. 100/ Ⅰ + 0. 492/ Ⅱ + 0. 360/ Ⅲ + 0. 047/ Ⅳ + 0. 001/ Ⅴ 由 此 可 见 ,在 民 采 空 区 地 段 ,岩 体 的 稳 定 性 评 价 结 果 为 稳 定 。 1 民 采 空 区 自 然 稳 定 状 态 分 析 1. 2 空 区 稳 定 性 分 析 栾 川 钼 矿 区 主 要 出 露 的 地 层 有 中 元 古 界 上 栾 空 区 稳 定 性 评 价 ,采 用 了 岩 体 稳 定 性 指 数 对 空 区 稳 定 性 评 价 的 方 法 。 即 根 据 岩 块 尺 寸 (RQD/ J n) 、应 力 影 响 、节 理 方 向 、重 力 冒 落 或 滑 动 等 五 个 因 素 确 定 其 稳 定 性 指 数 N ,然 后 查 阅 Y分 川 群 的 南 泥 湖 组 、三 川 组 、白 术 沟 组 。 南 泥 湖 组 主 要 岩 性 为 条 带 壮 黑 云 母 长 英 角 岩 、石 英 角 岩 、长 英 角 岩 、透 灰 石 长 英 角 岩 等 。 矿 区 的 构 造 ,主 要 在 矿 区 东 部 有 一 大 断 层 F1 ,倾 角 30~ 70安。 主 要 矿 体 赋 存 在 该 断 层 上 盘 的 矽 卡 岩 中 。 此 外 ,矿 体 内 亦 见 成 矿 后 期 断 层 破 坏 矿 体 。 [ 2 ] ,就 可 以 得 到 相 对 应 的 空 区 波 特 文 稳 定 性 图 表 处 于 稳 定 状 态 的 最 大 水 力 半 径 值 ,从 而 确 定 空 区 能 够 达 到 的 最 大 暴 露 面 积 。 计 算 结 果 表 明 :空 区 2 1 . 1 岩 体 稳 定 性 评 价 暴 露 面 积 不 超 过 600m ,完 全 能 够 保 证 空 区 处 于 岩 体 稳 定 性 分 析 评 价 ,采 用 模 糊 数 学 评 价 方 1 ] 。 首 先 进 行 工 程 地 质 调 查 ,收 集 岩 体 的 节 理 稳 定 范 围 ,不 会 在 空 区 处 理 过 程 中 发 生 大 面 积 的 失 稳 冒 落 。 [ 法 裂 隙 等 基 本 资 料 。 然 后 将 岩 体 稳 定 性 分 成 极 稳 定 2   地 压 数 值 模 拟 分 析 Ξ 收 稿 日 期 :2005 - 07 - 05     基 金 项 目 :山 东 理 工 大 学 自 然 科 学 基 金 项 目 。 作 者 简 介 :王 吉力 (1962 - ) ,男 ,教 授 ,从 事 采 矿 教 学 与 科 研 工 作 ,在 读 博 士 。 分 28 分 分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2006 年 第 5 期 本 文 从 岩 体 自 身 的 内 在 特 征 和 物 理 力 学 性 质 角 度 ,通 过 其 在 加 载 位 移 逐 渐 变 化 过 程 中 的 破 坏 过 程 来 验 证 采 空 区 顶 底 板 、矿 柱 的 稳 定 性 。 根 据 所 获 得 的 破 坏 载 荷 和 位 移 ,与 现 场 监 测 的 地 压 数 据 进 行 对 比 ,并 以 此 作 为 岩 石 是 否 失 稳 的 依 据 。 因 此 ,选 用 RFPA’98 软 件 系 统 进 行 民 采 空 区 地 b. 采 用 连 续 运 算 所 得 的 岩 体 加 载 声 发 射 图 (略 ) 。 c. 岩 体 加 载 步 骤 与 Y 向 载 荷 、声 发 射 能 量 、 声 发 射 次 数 的 关 系 如 图 1~ 3 所 示 。 [ 4 ] 。 压 数 值 模 拟 稳 定 性 分 析 由 于 民 采 空 区 面 积 大 、分 布 宽 、无 规 则 ,空 区 情 况 非 常 复 杂 。 为 了 所 建 模 型 的 物 理 参 数 和 破 坏 过 程 能 够 和 实 际 情 况 更 贴 近 ,根 据 不 同 情 况 进 行 多 次 网 格 划 分 并 进 行 模 拟 分 析 进 行 比 较 ,选 定 最 图 3 声 发 射 次 数 与 加 载 步 关 系 2. 2 4105~ 4106 空 区 的 数 值 模 拟 4105~ 4106 空 区 的 数 值 模 拟 采 用 典 型 剖 面 图 B - B 剖 面 进 行 建 模 的 ,确 定 最 佳 模 型 的 网 格 划 分 为 120 淄 100 ,采 用 位 移 加 载 ,初 始 步 加 载 0. [ 5 ] 。 佳 的 模 型 2 . 1 4101~ 4102 空 区 的 数 值 模 拟 根 据 现 场 实 际 情 况 ,选 择 典 型 剖 面 图 A - A 0 02mm ,每 步 加 载 0. 002mm ,总 加 载 步 设 为 10 剖 面 图 进 行 数 值 模 拟 。 数 值 模 拟 分 析 计 算 所 用 的 有 关 岩 体 的 物 理 力 学 参 数 如 表 1 所 示 : 表 1 岩 石 的 物 理 力 学 参 数 表 步 ,则 结 束 值 为 0. 02mm。 采 用 连 续 运 算 。 为 了 和 第 一 次 模 拟 比 较 ,在 模 型 中 对 矿 房 预 先 进 行 下 向 长 锚 索 支 护 , 其 弹 模 取 90 GPa , 强 度 取 2 00MPa ,泊 松 比 取 0. 22 ,摩 擦 角 取 30安。 计 算 所 物 理 力 学 性 质 数 值 获 得 的 结 果 详 见 图 4~ 6。 弹 模 / MPa 泊 松 比 80000 0. 22 14 内 聚 力 / MPa 摩 擦 角 50 体 重 / (t分m - 3) 抗 压 强 度 / MPa 抗 拉 强 度 / MPa δ c/ MPa 3. 2 182 图 4   Y向 载 荷 与 加 载 步 关 系 图 5 声 发 射 次 数 与 加 载 步 关 系   16 182. 16   其 数 值 模 拟 时 ,经 过 几 组 模 型 模 拟 的 比 较 ,确 定 最 佳 网 格 划 分 为 100 淄 110 ,无 侧 压 约 束 ,在 y 方 向 上 有 位 移 加 载 ,每 步 加 载 0. 001mm ,结 束 值 为 0. 01mm ,总 加 载 步 设 为 10 步 。 图 6 声 发 射 能 量 与 加 载 步 关 系 . 3 顶 板 形 状 变 化 的 数 值 模 拟 2 图 1   Y向 载 荷 与 图 2 声 发 射 能 量 与 加 载 步 关 系 图 7   Y向 载 荷 与 加 载 步 关 系 图 8 声加 发载 射步 能关 量系 与图     加 载 步 关 系   a. 采 用 连 续 运 算 所 得 的 岩 体 加 载 剪 应 力 图 对 于 民 采 空 区 ,有 可 能 其 顶 板 已 发 生 局 部 的 冒 落 ,并 形 成 拱 形 。 为 了 分 析 在 这 种 情 况 下 民 采 分 29 分 ( 略 ) 。 分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2006 年 第 5 期 空 区 的 稳 定 性 ,还 进 行 了 顶 板 形 状 变 化 的 数 值 模 拟 。 其 结 果 参 见 图 7~ 9。 增 多 。 最 大 剪 应 力 为 183MPa。 通 过 声 发 射 图 可 以 更 易 看 出 岩 体 的 破 坏 过 程 和 由 于 什 么 性 质 的 力 而 破 坏 。 通 过 声 发 射 能 量 与 加 载 步 关 系 曲 线 和 声 发 射 次 数 与 加 载 步 关 系 曲 线 图 ,我 们 知 道 加 载 步 进 行 到 第 五 步 时 ,产 生 的 破 坏 裂 隙 最 多 ,声 发 射 次 数 多 达 170 多 次 。 从 第 八 步 和 第 九 步 声 发 射 次 数 和 能 量 的 悬 殊 可 以 得 出 :矿 房 在 加 载 步 第 八 步 结 束 时 空 区 岩 体 已 经 垮 掉 了 。 因 为 ,空 区 岩 体 在 加 载 过 程 中 所 获 得 的 能 量 在 第 八 步 之 前 就 以 声 波 的 方 式 释 放 出 去 了 。 图 9 声 发 射 次 数 与 加 载 步 关 系 2 . 4 采 空 区 处 理 后 对 横 3 线 以 西 现 有 采 场 的 数 值 模 拟 由 于 横 3 线 以 西 采 场 已 经 存 在 ,所 以 进 行 数 学 模 拟 时 ,所 有 采 场 空 间 一 次 开 挖 成 型 。 针 对 典 型 剖 面 C - C 剖 面 图 所 示 采 场 的 布 局 及 各 参 数 , 得 最 佳 网 格 划 分 为 :140 淄 110。 对 于 4108~ 4110 采 场 的 底 部 结 构 忽 略 。 计 算 结 果 如 图 10~ 12。 b. 由 声 发 射 图 我 们 很 容 易 就 看 到 ,在 对 空 区 顶 板 预 先 进 行 下 向 长 锚 索 加 固 之 后 ,破 坏 则 从 矿 柱 开 始 。 从 加 载 步 第 三 步 的 声 发 射 图 片 可 以 看 到 ,空 区 所 留 矿 柱 处 于 抗 压 状 态 ,在 空 区 底 板 的 拐 角 处 ,有 抗 拉 状 态 显 示 。 加 载 过 程 中 空 区 周 围 岩 体 中 的 应 力 分 布 规 律 和 4101~ 4102 空 区 的 分 布 规 律 相 似 ,只 是 由 于 破 坏 先 从 矿 柱 开 始 ,然 后 是 底 板 ,然 后 是 没 有 被 锚 固 的 矿 柱 上 部 岩 石 。 根 据 声 发 射 能 量 和 次 数 与 加 载 步 关 系 ,在 加 载 步 第 五 步 声 发 射 次 数 最 大 约 为 图 10 Y向 载 荷 与 图 11 声 发 射 能 量 与 加 载 步 关 系     加 载 步 关 系 1 60 次 ,而 能 量 多 在 加 载 步 第 六 步 释 放 。 可 以 更 详 细 地 描 述 为 :在 加 载 步 第 五 步 及 之 前 产 生 的 裂 隙 很 多 ,但 都 是 细 微 破 裂 ;而 在 第 六 步 大 量 的 声 能 量 突 然 放 出 ,破 坏 程 度 很 严 重 。 在 第 七 步 时 ,声 发 射 次 数 和 能 量 递 减 ,第 八 步 发 生 骤 减 ,可 断 定 在 加 载 步 第 七 步 时 空 区 已 发 生 垮 落 。 图 12 声 发 射 次 数 与 加 载 步 关 系 2 . 5 模 拟 结 果 分 析 a. 由 4101~ 4102 空 区 在 A - A 剖 面 的 数 值 c. 当 矿 房 顶 板 呈 拱 形 时 ,破 坏 先 从 拱 顶 和 底 板 开 始 。 在 拱 角 处 应 力 分 布 比 较 均 匀 ,而 在 拱 顶 及 底 板 拐 角 处 出 现 应 力 集 中 现 象 。 从 加 载 步 第 七 步 的 剪 应 力 图 显 示 矿 柱 破 坏 及 矿 房 底 板 拐 角 处 破 坏 严 重 ,可 见 加 载 过 程 中 ,矿 柱 承 载 大 部 分 的 压 力 。 而 压 应 力 最 大 达 到 244MPa。 由 此 可 以 得 出 这 样 的 结 论 :在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 ,空 区 形 状 对 空 区 的 稳 定 有 一 定 的 影 响 。 当 空 区 顶 板 形 成 自 然 平 衡 拱 时 ,应 力 就 能 均 匀 分 布 ,可 避 免 产 生 应 力 集 中 现 象 ,有 利 于 空 区 顶 板 的 稳 定 。 模 拟 的 剪 应 力 图 和 声 发 射 图 可 知 ,在 不 使 用 任 何 支 护 措 施 的 情 况 下 , Y向 载 荷 加 载 过 程 中 ,破 坏 是 先 从 顶 板 开 始 ,然 后 才 是 所 留 矿 柱 开 始 破 坏 。 而 矿 柱 的 破 坏 ,直 到 位 移 达 到 0. 004~ 0. 005mm 时 出 现 ,即 加 载 步 第 四 步 和 第 五 步 之 间 时 ,矿 柱 开 始 出 现 破 裂 。 最 大 压 应 力 出 现 在 加 载 第 七 步 ,数 值 为 184MPa ;最 大 拉 应 力 出 现 在 加 载 步 第 五 步 ,数 值 为 92. 5MPa。 由 剪 应 力 图 可 知 ,空 区 周 围 岩 体 的 剪 应 力 分 布 有 一 定 的 规 律 ,顶 板 上 部 有 明 显 的 拉 应 力 集 中 区 ,基 本 呈 拱 形 向 上 分 布 ;在 间 柱 及 顶 板 拐 角 处 有 明 显 的 压 应 力 集 中 区 。 破 坏 裂 隙 随 着 载 荷 加 载 而 分 30 分 d. 在 空 区 处 理 后 ,横 3 线 以 西 现 有 采 场 4108 ~ 4110 和 4106 以 及 4102~ 4104 采 场 在 C - C 剖 面 的 模 拟 可 以 看 出 ,空 区 周 围 岩 体 的 应 力 分 布 与 分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2006 年 第 5 期 a 中 所 述 相 似 ,在 间 柱 和 空 场 拐 角 处 有 应 力 集 中 现 象 。 183MPa。 c. 空 区 在 加 载 过 程 中 易 从 顶 部 破 坏 ,而 且 应 由 声 发 射 能 量 与 加 载 步 关 系 曲 线 图 可 以 看 见 ,加 载 步 第 五 步 和 第 八 步 声 发 射 能 量 突 然 增 加 , 说 明 空 场 分 两 次 塌 落 。 由 Y 向 载 荷 与 加 载 步 关 系 曲 线 可 以 说 明 在 这 之 前 空 场 已 破 碎 不 堪 。 因 此 ,要 考 虑 控 制 横 3 线 以 西 现 有 采 场 所 承 受 的 载 荷 和 应 力 状 态 。 力 集 中 比 较 严 重 ,破 坏 比 较 容 易 。 在 对 顶 板 进 行 预 支 护 之 后 ,载 荷 绝 大 部 分 由 矿 柱 承 担 ,顶 板 的 强 度 比 较 大 ,所 以 破 坏 先 从 矿 柱 开 始 。 d. 为 了 避 免 民 采 空 区 处 理 后 ,其 它 区 域 采 场 的 稳 定 ,维 持 矿 山 生 产 经 营 的 持 续 正 常 进 行 ,要 考 虑 控 制 横 3 线 以 西 现 有 采 场 所 承 受 的 载 荷 和 应 力 状 态 ,使 其 不 超 过 极 限 值 ,或 对 采 场 进 行 预 加 固 等 安 全 技 术 措 施 。 3 安 全 技 术 措 施 a. 进 行 矿 岩 地 压 监 测 ,预 测 预 报 地 压 活 动 。 掌 握 地 压 显 现 规 律 ,避 免 采 空 区 突 然 塌 落 造 成 人 身 安 全 事 故 。 5   参 考 文 献 [ 社 [ 1 ] 方 述 诚 ,汪 定 伟 . 模 糊 数 学 与 模 糊 优 化 [ M ]. 北 京 :科 学 出 版 ,1997. b. 停 止 邻 近 区 域 内 的 生 产 作 业 。 在 采 空 区 未 处 理 或 处 理 后 的 一 段 时 间 内 ,要 停 止 横 3~ 横 4 线 区 域 内 所 有 采 场 的 生 产 作 业 。 2 ] 赵 伏 军 ,刘 国 富 等 . 新 城 金 矿 采 场 锚 喷 支 护 稳 定 性 分 析 [J ]. 中 国 矿 业 ,2002 ,(11) :6 - 8. [ 3 ] 于 学 馥 等 . 地 下 工 程 围 岩 稳 定 分 析 [ M ]. 北 京 :煤 炭 工 业 出 c. 加 强 地 表 塌 陷 区 管 理 。 版 社 ,1998. d. 开 展 相 关 的 科 研 工 作 。 如 针 对 民 采 空 区 处 理 ,进 行 爆 破 振 动 速 度 监 测 ,研 究 多 空 区 条 件 下 爆 破 崩 矿 引 起 质 点 振 动 的 基 本 规 律 ,为 预 防 大 规 模 爆 破 强 制 崩 落 空 区 而 诱 发 灾 害 性 围 岩 大 面 积 连 续 塌 陷 ,提 供 决 策 依 据 ;开 展 地 压 研 究 。 开 展 栾 川 钼 矿 区 声 发 射 技 术 应 用 的 研 究 ,掌 握 矿 岩 破 坏 声 发 射 前 兆 特 征 ,实 现 对 岩 体 失 稳 灾 害 的 预 测 预 报 ,并 划 分 空 区 安 全 等 级 ,为 今 后 空 区 处 理 提 供 理 论 依 据 。 [4 ] 唐 春 安 ,赵 文 . 岩 石 破 裂 全 过 程 分 析 软 件 系 统 RFPA[J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,1997 ,16 (5) :507 - 508. [ 5 ] 朱 湘 平 . 131 矿 体 采 空 区 顶 板 稳 定 性 研 究 [J ]. 金 属 矿 山 , 2 003 , (9) :13 - 15. Safety analysis of mined2out area’s stability in private mining 1 ,2 1 WAN GJie ,ZHAN G Xiao2jun , 1 ZHEN G Huai2chang ,L I Jin2feng 1 ,3 ( 2 4 1. Shandong University of Technology , Zibo Shandong , 55049 ; 2. Central South University , ChangshaHunan , 10012 ; 3. University of Science and Technology Beijing , 4 结 论 河 南 栾 川 钼 矿 民 采 空 区 稳 定 性 安 全 分 析 ,首 先 开 展 了 工 程 地 质 调 查 和 空 区 稳 定 性 分 析 ,然 后 进 行 了 地 压 数 值 模 拟 计 算 ,考 虑 了 各 种 空 区 的 情 况 ,并 对 其 空 区 的 破 坏 过 程 进 行 了 对 比 分 析 。 为 此 ,可 得 出 以 下 结 论 : Beijing ,100083) Abstract :On the basis of the investigation of mine worked - out section in luanchuan private molybdenum mine , stability evaluation and numerical analysis are made to mine worked2out section. Maximal exposed area and supporting stress are made sure , moreover , many measures are brought forward to insure stability of mined2out area. 2 a. 空 区 暴 露 面 积 不 超 过 600m 时 ,完 全 能 够 保 证 空 区 处 于 稳 定 范 围 ,不 会 在 空 区 处 理 过 程 中 发 生 大 面 积 的 失 稳 冒 落 。 Keywords :mined2out area of private mining ;natural stability ;nu2 b. 空 区 发 生 破 坏 的 最 大 压 应 力 数 值 为 merical analysis 1 84MPa ;最 大 拉 应 力 为 92. 5MPa ;最 大 剪 应 力 为 分 31 分
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