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大规模采空区灾害控制技术研究
2011-08-08
利用RFPA 模拟软件分析房间矿柱在大范围岩层移动和应力集中控制作用的基础上,提出了应用隔离矿柱 控制采空区连锁式破坏的设想,并进行了数值模拟;在此基础上以较低强度条带充填体代替隔离矿柱,同样有较好的 效果。
分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2005 年 第 12 期   文 章 编 号 :1008 - 7524 (2005) 12 - 0018 - 03 Ξ 大 规 模 采 空 区 灾 害 控 制 技 术 研 究 1 ,2 2 ,张 晓 君 郑 怀 昌 ( 1. 北 京 科 技 大 学 ,北 京 100081 ;2. 山 东 理 工 大 学 ,山 东 淄 博 255049)   摘 要 :利 用 RFPA 模 拟 软 件 分 析 房 间 矿 柱 在 大 范 围 岩 层 移 动 和 应 力 集 中 控 制 作 用 的 基 础 上 ,提 出 了 应 用 隔 离 矿 柱 控 制 采 空 区 连 锁 式 破 坏 的 设 想 ,并 进 行 了 数 值 模 拟 ;在 此 基 础 上 以 较 低 强 度 条 带 充 填 体 代 替 隔 离 矿 柱 ,同 样 有 较 好 的 效 果 。 关 键 词 :采 空 区 灾 害 ;崩 塌 ;控 制 技 术 ;隔 离 矿 柱 中 图 分 类 号 : TD327. 2 文 献 标 识 码 :A 0 引 言 采 空 区 被 列 为 非 煤 矿 山 两 个 重 大 隐 患 之 一 , 支 撑 系 统 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 。 一 直 为 采 矿 界 所 重 视 。 目 前 国 内 研 究 主 要 是 通 过 各 种 力 学 模 拟 计 算 和 现 场 测 试 相 结 合 ,评 价 采 空 [ 1 ] ;利 用 声 发 射 技 术 等 预 测 、预 报 采 区 的 稳 定 性 空 区 垮 落 的 发 生 2   房 间 矿 柱 的 力 学 作 用 与 大 规 模 采 空 区 崩 塌 为 认 识 相 邻 采 场 应 力 转 移 与 集 中 规 律 ,揭 示 采 空 区 破 坏 的 发 生 过 程 ,运 用 了 RFPA 模 拟 软 件 模 拟 采 空 区 的 声 发 射 现 象 ,模 型 尺 寸 为 150mm 淄 150mm ,网 格 为 150 淄 150 ,考 虑 自 重 ,矿 体 、顶 板 和 底 板 的 弹 性 模 量 为 5000MPa ,抗 压 强 度 为 48 MPa ,均 质 度 均 为 6 ,顶 板 上 垂 直 高 度 100mm ,矿 房 10mm 淄 10mm ,矿 柱 10mm 淄 5mm ,隔 离 矿 柱 尺 寸 10mm 淄 15mm(高 淄 宽 ) 。 [ 2 - 3 ] ;研 究 通 过 设 立 隔 离 墙 和 开 “ 天 窗 ”等 措 施 降 低 危 害 程 度 。 本 文 运 用 RFPA 模 拟 软 件 分 析 房 间 矿 柱 在 大 范 围 岩 层 移 动 和 应 力 集 中 控 制 作 用 的 基 础 上 , 提 出 了 应 用 隔 离 矿 柱 来 控 制 采 空 区 连 锁 式 破 坏 的 设 想 ,为 采 空 区 控 制 技 术 研 究 提 供 了 一 条 新 的 途 径 。 1 采 空 区 灾 变 机 理 大 规 模 地 下 采 空 区 从 形 成 到 崩 塌 的 演 变 过 程 通 过 模 拟 可 以 发 现 (如 图 1 所 示 ) ,该 类 结 构 的 地 下 采 空 区 相 邻 矿 块 之 间 存 在 明 显 的 应 力 干 扰 或 应 力 集 中 ,随 着 开 挖 进 行 ,出 现 了 明 显 的 应 力 集 中 现 象 ,当 开 采 达 到 第 四 开 挖 步 时 ,在 第 一 、二 开 挖 步 间 的 矿 柱 上 出 现 了 明 显 的 新 的 声 发 射 现 象 , 在 第 二 、三 开 挖 步 间 的 矿 柱 上 也 出 现 了 明 显 的 声 发 射 现 象 。 说 明 后 期 开 挖 不 但 对 其 直 接 临 近 的 矿 柱 产 生 影 响 ,对 于 相 邻 的 其 他 矿 柱 通 过 应 力 转 移 施 加 影 响 。 实 质 上 是 应 力 转 移 与 集 中 ,采 空 区 一 定 范 围 内 的 围 岩 与 内 部 矿 柱 (采 空 区 系 统 的 界 壳 ) 支 撑 能 力 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 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 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 空 场 采 矿 法 房 间 矿 柱 设 置 的 目 的 和 基 本 原 则 是 :保 证 矿 房 顶 板 在 矿 房 开 采 期 间 不 至 于 因 为 暴 Ξ 收 稿 日 期 :2005 - 01 - 03   作 者 简 介 :郑 怀 昌 ,山 东 理 工 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 副 教 授 ,北 京 科 技 大 学 博 士 生 。 分 18 分 分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2005 年 第 12 期 露 面 积 过 大 (超 出 该 类 岩 体 稳 定 性 要 求 ) 而 垮 落 , 因 而 ,从 采 空 区 地 下 空 间 稳 定 性 分 析 的 角 度 来 看 , 房 间 矿 柱 相 当 于 支 撑 顶 板 的 简 支 梁 ,对 于 其 本 身 强 度 与 结 构 而 言 只 需 保 持 其 本 身 稳 定 (即 在 不 致 压 坏 的 前 提 下 保 持 压 杆 稳 定 ) 。 但 是 ,由 于 房 间 矿 柱 断 面 小 、刚 度 低 ,因 此 ,在 相 邻 多 矿 块 开 采 时 ,房 间 矿 柱 不 能 阻 止 相 邻 矿 块 开 采 造 成 的 应 力 干 扰 , 产 生 应 力 集 中 (应 力 叠 加 ) 效 应 ,应 力 集 中 加 剧 部 分 矿 柱 裂 隙 进 一 步 扩 展 ,从 而 促 使 该 矿 柱 加 速 破 坏 ,矿 柱 破 坏 进 一 步 加 剧 应 力 集 中 程 度 ,造 成 矿 柱 连 锁 式 破 坏 ,使 得 采 空 区 暴 露 面 积 加 大 ,造 成 大 面 积 采 空 区 崩 塌 ,导 致 采 空 区 灾 害 。 区 矿 柱 连 锁 式 破 坏 ,避 免 严 重 的 采 空 区 灾 害 产 生 。 根 据 对 某 石 膏 矿 区 大 规 模 采 空 区 崩 塌 后 的 现 场 考 察 发 现 :隔 离 矿 柱 对 于 控 制 顶 板 大 面 积 冒 落 规 模 、遏 制 顶 板 大 面 积 冒 落 向 相 邻 采 空 区 扩 展 作 用 重 大 。 在 美 国 ,使 用 房 柱 法 的 矿 山 ,为 了 防 止 应 力 从 垮 落 的 盘 区 传 递 到 周 围 稳 定 的 区 域 和 地 表 建 筑 物 ,往 往 设 置 的 盘 区 矿 柱 为 房 间 矿 柱 宽 度 的 2 [ 4 ] 。 倍 左 右 从 模 拟 过 程 可 见 (如 图 1 所 示 ) ,当 矿 山 各 相 邻 采 场 间 只 留 设 房 间 矿 柱 ,当 连 续 开 挖 到 第 五 步 时 ,顶 板 出 现 了 明 显 的 裂 隙 ,但 是 当 设 置 隔 离 矿 柱 后 (如 图 2 所 示 ) ,当 前 期 连 续 开 挖 四 步 后 ,设 置 隔 离 矿 柱 ,然 后 继 续 开 挖 ,相 邻 采 场 未 发 现 明 显 应 力 转 移 现 象 ,可 见 隔 离 矿 柱 明 显 地 起 到 了 遏 制 大 范 围 岩 层 移 动 和 降 低 应 力 转 移 与 集 中 程 度 的 作 用 。 根 据 模 拟 结 果 ,适 当 设 置 隔 离 矿 柱 ,遏 制 相 邻 矿 块 开 采 造 成 的 应 力 叠 加 ,保 持 在 不 影 响 开 采 的 前 提 下 保 证 不 致 产 生 大 规 模 采 空 区 崩 塌 。 在 矿 山 开 采 过 程 中 ,通 过 设 置 隔 离 矿 柱 ,将 地 下 采 矿 空 间 划 分 为 多 个 规 模 较 小 的 相 对 力 学 独 立 的 空 间 ,可 以 避 免 在 采 空 区 破 坏 时 连 锁 式 采 空 区 崩 塌 ,降 低 采 空 区 崩 塌 产 生 破 坏 的 强 度 ,从 而 达 到 有 效 控 制 采 空 区 灾 害 的 目 的 。 图 1 未 采 用 隔 离 矿 柱 的 采 空 区 数 值 模 拟 声 发 射 图 某 石 膏 矿 区 ,矿 层 平 均 埋 深 120~ 160m ,矿 体 平 均 倾 角 8板 ,主 采 矿 层 平 均 厚 度 4~ 6m ,采 用 房 柱 法 开 采 ,矿 块 垂 直 走 向 布 置 ,矿 房 宽 6m ,矿 柱 宽 4 m ,倾 斜 长 度 50m ;每 间 隔 60~ 80 个 矿 块 留 设 宽 度 为 12m 左 右 的 间 隔 矿 柱 ;相 邻 矿 山 开 采 技 术 条 件 和 开 采 技 术 方 案 相 同 。 在 矿 区 开 发 初 期 ,由 于 认 识 等 方 面 的 原 因 ,矿 山 未 及 时 进 行 采 空 区 处 理 , 导 致 部 分 矿 山 发 生 大 规 模 采 空 区 崩 塌 事 故 ,造 成 了 人 员 伤 害 及 矿 山 财 物 损 失 ,但 在 矿 山 事 后 的 现 场 勘 查 中 发 现 ,凡 规 律 性 留 设 隔 离 矿 柱 的 矿 山 ,在 采 空 区 崩 塌 时 可 能 沿 倾 向 向 上 发 展 ,一 旦 遇 到 了 隔 离 矿 柱 ,采 空 区 崩 塌 就 受 到 了 遏 制 ,不 再 跨 越 隔 离 矿 柱 向 相 邻 采 场 发 展 。 其 后 各 矿 山 为 加 强 安 全 ,根 据 矿 山 地 压 规 律 ,采 取 强 制 放 顶 措 施 处 理 采 空 区 ,放 顶 后 发 现 上 述 规 律 依 然 存 在 ;然 而 由 于 一 图 2 采 用 隔 离 矿 柱 后 的 采 空 区 数 值 模 拟 声 发 射 图 3 隔 离 矿 柱 在 采 空 区 灾 害 控 制 中 的 作 用 本 文 中 的 隔 离 矿 柱 是 指 :为 控 制 大 范 围 岩 层 移 动 ,降 低 应 力 集 中 程 度 而 设 置 的 大 尺 寸 房 间 矿 柱 ,该 类 矿 柱 有 两 方 面 作 用 ,其 一 ,有 效 控 制 采 场 顶 板 暴 露 面 积 ;其 二 ,由 于 刚 度 大 ,能 够 有 效 地 组 织 顶 板 变 形 ,从 而 控 制 应 力 跨 越 该 矿 柱 传 递 到 相 邻 矿 柱 上 ,降 低 应 力 集 中 程 度 ,从 而 有 效 控 制 采 空 2 次 放 顶 采 空 区 规 模 较 小 (2000~ 3000m ) ,因 此 , 分 19 分 分试 验 研 究 分 IM &P 化 工 矿 物 与 加 工 2005 年 第 12 期 顶 板 垮 落 不 会 对 地 下 构 筑 物 及 生 产 设 备 造 成 破 坏 。 区 灾 害 。 5   参 考 文 献 [ 1 ] 郭 玉 龙 ,任 高 峰 . 三 维 有 限 元 数 值 模 拟 在 采 空 区 稳 定 性 评 价 中 的 应 用 [J ]. 西 部 探 矿 工 程 ,2005(3) :204 - 206. 2 ] 李 豪 . 应 用 岩 体 声 发 射 技 术 监 测 采 场 顶 板 稳 定 性 研 究 [J ]. 工 业 安 全 与 防 尘 ,1999(9) :20 - 23. 3 ] 王 明 江 ,等 . 武 山 铜 矿 岩 体 声 发 射 技 术 应 用 研 究 [J ]. 有 色 金 为 充 分 回 收 利 用 矿 产 资 源 、将 隔 离 矿 柱 部 分 用 充 填 体 代 替 ,将 同 样 有 较 好 的 控 制 大 范 围 岩 层 移 动 和 降 低 应 力 集 中 的 作 用 ;为 保 证 充 填 体 的 充 分 养 护 ,避 免 在 充 填 体 低 强 度 情 况 下 因 应 力 集 中 压 坏 充 填 体 ,可 以 采 取 先 开 挖 待 充 填 块 段 并 及 时 充 填 。 一 方 面 ,相 邻 矿 壁 可 以 作 为 充 填 体 成 型 的 [ [ 属 (矿 山 部 分 ) ,1999(1) :28 - 31. [4 ] 翟 德 元 ,张 伟 民 译 . 美 国 房 柱 式 开 采 技 术 [ M ]. 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1996. “ 模 板 ”。 另 一 方 面 在 不 充 分 采 动 情 况 下 ,采 场 顶 板 变 形 小 ,相 邻 矿 壁 坚 实 地 支 撑 顶 板 ,为 充 填 体 的 养 护 提 供 了 有 利 的 条 件 。 The study on controlling technology about large scale mined2out area hazard 4 结 论 a. 为 保 持 矿 房 开 采 期 间 采 场 稳 定 性 而 设 置 的 房 间 矿 柱 只 能 起 到 阻 止 采 场 顶 板 在 短 时 间 内 的 冒 落 ,如 果 没 有 相 邻 采 场 开 采 的 干 扰 ,可 能 会 在 较 长 时 间 内 保 持 稳 定 ; 1 ,2 ZHEN G Huai2chang ,ZHAN G Xiao2jun 2 ( 1. Beijing University of Science and Technology , Beijing 100081 ; 2. Shandong University of Technology ,Zibo Shandong 255049) b. 房 间 矿 柱 由 于 断 面 小 ,刚 度 低 ,因 此 不 能 对 大 范 围 的 岩 层 移 动 和 采 场 间 应 力 集 中 起 到 遏 制 作 用 ,往 往 由 于 相 邻 采 场 开 采 造 成 应 力 集 中 ,导 致 大 规 模 采 空 区 崩 塌 ; Abstract :Based on analysis of the control effect about displace2 ment of large scale stratum and stress centralize of the pillar with RF2 PA. ,assume that the mined2out area hazard could be controlled with isolate pillar restraint the circular damage of the collapse was , ac2 cording to the RFPA simulating , the effect is clear evidence ,then the importance that filling body with broader and lower strength substi2 tuted for isolate pillar in mined2out area hazard controlling was dis2 cussed. c. 隔 离 矿 柱 具 有 较 好 的 遏 制 大 范 围 岩 层 移 动 和 采 场 间 应 力 集 中 作 用 ,可 以 控 制 大 规 模 采 空 区 连 锁 式 崩 塌 ,从 而 避 免 严 重 的 采 空 区 灾 害 发 生 ; d. 利 用 较 低 强 度 的 充 填 体 代 替 隔 离 矿 柱 ,对 于 大 范 围 的 岩 层 移 动 和 采 场 间 应 力 集 中 有 较 好 地 控 制 作 用 ,使 用 宽 条 带 充 填 ,可 以 较 好 的 控 制 采 空 Keywords :mined2out area hazard ;collapse ;controlling technolo2 gy ;isolate pillar ( 上 接 第 17 页 ) Study on mixed crude 6 0 ℃ ,破 乳 剂 的 加 药 量 为 100mg/ L ,D - 4 和 D - 6 oil demulsifier QU Fu2jun 破 乳 剂 的 复 配 比 例 为 1 :2 ,得 到 的 最 终 脱 水 率 为 9 3 6. 7 %。 ( Huaihai Institute of Technology ,Lianyungang 结 论 Jiangsu 222001 ,China) 结 合 江 苏 油 田 原 油 特 性 ,对 破 乳 剂 品 种 、用 Abstract :The eftects of demulsification of several mixed demulsi2 fiers were evaluated for crude oils in Jiangsu oil fields. The mixed demulsifiers were compared with single demulsifier in demulsifica2 tion. The results showed that the mixed demulsifiers had some advan2 tages over the single demulsifier. 量 、适 用 温 度 筛 选 复 配 的 结 果 表 明 ,复 配 剂 破 乳 效 果 明 显 比 单 剂 好 。 在 相 同 温 度 下 ,复 配 破 乳 剂 脱 水 速 度 快 ,加 药 浓 度 低 。 经 复 配 破 乳 剂 处 理 后 ,净 化 油 含 水 和 净 化 水 含 油 明 显 低 于 单 剂 ,说 明 复 配 破 乳 剂 除 油 效 果 好 。 Keywords :demulsifier ;crude oil ;mixed demulsifier 分 20 分
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