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地下巨型采空区顶板岩石的破坏与冒落
2011-07-26
理论分析和计算机模拟以及工程实践都表明,人为地扩大采空区的面积可以诱导顶板岩石的崩落,而且可使冒落分阶段发生, 大片的采空区可以很快地扩散岩石冒落产生的冲击气浪,从而降低冲击气浪的危害。对于保证大采空区下采矿的安全性,扩大采空区 的暴露面积是行之有效的。
第 20 卷 第 4 期 Vol.20, No.4 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ( 自 然科 学 版) 2001 年 8 月 Journal of Liaoning Technical University( Natural Science) Aug., 2001 文 章 编 号 : 1008-0562(2001)04-0507-03 地 下 巨 型 采 空 区 顶 板 岩 石 的 破 坏 与冒 落 赵 文 ( 东北大 学, 辽 宁 沈 阳 110006) 摘 要 : 理 论 分 析 和 计 算 机 模 拟 以 及 工 程 实 践 都 表 明 , 人 为 地 扩 大 采 空 区 的 面 积 可 以 诱 导 顶 板 岩 石 的 崩 落, 而且 可 使 冒 落分 阶 段 发生 , 大 片 的 采 空 区 可 以 很 快 地 扩 散 岩 石 冒 落产 生 的 冲 击 气 浪 , 从 而降 低 冲 击 气 浪 的 危 害 。 对于 保 证 大 采 空 区 下 采 矿 的 安 全 性 , 扩 大 采 空 区 的 暴 露面 积 是行 之 有 效 的 。 关 键 词 : 采 空 区 ; 岩 石 破 坏 ; 岩 石 冒 落 中 图 号 : TD 313.1 文 献 标 识 码:A 引 言 西 石 门 铁 矿 采 用 无 底 柱 分 段 崩 落法 开 采 。 截 至 无 底 柱 分 段 崩 落法 开 采 , 从 上 到 下 分 为 5 个 水 平 , 分 别 为 : 136m、120m、110m、96m 和 80m 水 平 。 随 着 回采 的 进 行 , 南 采 空 区 的 暴 露面 积 在 逐 渐 的 增 大 , 到 120m 水 平 , 南 空 区 的 水 平 暴 露面 积 约 为 55 180m2,到 96 分 段 回采 完 毕 时 ,空 区 面 积 约 为 91 060 m2。 如 此 大 的 采 空 区 国 内 外 很 少 见 [2]。 空 区 一 旦 发 生 大 规模 冒 落, 井 下 的 人 员 和 设 备 将 产 生 不 可 估 量 的 损 失 。 在 如 此 大 的 空 区 下 采 矿 , 如 何 保 证 生 产 的 安 全 性 , 成 为 了 一 个 难 题 。 1 996 年 底 , 西 石 门 铁 矿 中 区 采 矿 情 况 如 图 1 所 示 。 由 于 矿 石 厚 大 且 岩 性 较 好, 因 而形 成 了 一 个 巨 大 的 采 空 区 。 为 叙 述 方 便 , 第 七 勘 探 线 以 北的 空 区 称 为 北空 区 , 第 七 勘 探 线 以 南 的 采 空 区 称 为 南 空 区 。 北 空 区 是一 个 顶 部 水 平 面 积 6300 m2, 底 部 水 平 面 积 2 0 090 m2, 高 度 为 90m, 体 积 为 180 多万 m3 的 巨 大 采 空 区 。 3 3 2 2 1 1 50 00 50 00 50 00 ø7.5m 随 着 开 采 的 进 行 , 空 区 暴 露面 积 在 逐 渐 的 增 加 , 南 空 区 顶 板 岩 石 究 竟如 何 冒 落, 将 出 现 什 么 样 的 冒 落规模 和 冒 落过 程 , 成 为 了 研 究 的 焦 点 。 2 北空 区 S =6310m 1 3 V=1374510m 南 空 区 S 2 S =20900m 5 1 岩 石 冒 落 形 式与 冲 击 气 浪 的 关 系 N 1 5 13 11 9 采 空 区 分 布 图 7 3 图 1 顶 板 突然 冒 落, 除 了 产 生 动 力 冲 击 外 , 并 使 空 Fig.1 distribution mine out area 区 的 空 气 发生 运 动 , 可 以 形 成 每 秒数 百 米 的 压 缩 气 流 , 也 就 是所 说 的 气 浪 , 它 的 冲 量 很 大 , 能 破 坏 井 下 建 筑 物和 伤 害 作 业 人 员 。 从 图 1 中 可 以 看 出 , 南 、北采 空 区 连 通 口 的 面 积 较 小 , 据 现 场 勘 察 , 断 面 在 400-600 m2 之 间 。 研 究 认 为 , 经 过 封 堵 和 留 一 定 松 散 岩 石 防 护 层 , 北空 区 的 大 冒 落不 会影 响 南 空 区 下 的 采 矿 作 业 人 员 的 安 全 。 事 实 也 证 明 了 这 一 点 。 1998 年 11 月 北空 区 地 表 发生 了 大 冒 落, 形 成 一 个 东西 宽 约 100m, 南 北长约 130m, 坑 深 60-70m 左右 的 椭 圆 型 塌 落区 , 南 区 的 作 业 面 经 受住 了 冒 落量 70 万 m3, 落差 90m 的 大 冲 击 , 地 下 采 矿 人 员 和 设 备 安 然 无 恙 。 顶 板 突然 冒 落产 生 的 压 缩 气 流 , 一 部 分 绕 过 崩 落的 矿 石 而残 留 下 来, 一 部 分 通 过 空 区 底 部 的 矿 岩 垫 层 泄 到 底 部 的 巷 道 中 , 还 有 一 部 分 流 入 与空 区 相 通 的 一 些 井 巷 之 中 , 防 止 空 气 浪 冲 击 的 有 效 措 施 , 就 是要 封 闭 有 关 通 口 以 及 在 采 场 中 留 有 足 够 厚 度 的 安 全 垫 层 。 岩 石 垫 层 的 作 用 使 空 气 浪 速度 衰 减 , 井 下 的 最 大 风 速 不 应 大 于 12m/s , 最 大 压 力 不 应 大 于 7 勘 探 线 南 的 矿 体 , 水 平 面 积 较 大 , 仍 然 采 用 � � 收 稿 日 期 : 2001�06�16� 作者简 介 : 赵 文 ( 1964-), 男 , 博 士 , 教 授 。 本文 编校 : 杨 瑞 华 508 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ( 自 然科 学 版) 第 20 卷 0 .003MPa。 因 此 必须 首先 计 算 出 进 入 巷 道 中 空 气 的 即 开 始 破 坏 , 并 迅 速形 成 断 裂 面 , 岩 石 发生 突然 冒 落, 直 至 地 表 [4]。 从 计 算 机 模 拟 表 明 , 硬 岩 中 当 顶 板 岩 石 小 于 50m 时 , 顶 板 中 岩 体 已 接 近 极 限 强 度 , 冒 落随 时 都 可 能 发生 。 速度 或压 力 。 然 后 计 算 其 在 井 巷 中 的 行 进 过 程 。 采 用 空 气 压 缩 和 空 气 动 力 学理 论 , 计 算 出 北空 区 冒 落 在 南 空 区 下 部 作 业 的 采 场 需 要 有 大 于 6m 的 垫 层 。 为 此 中 区 的 南 采 区 从 110m 开 始 分 区 开 采 , 并 留 有 矿 岩 隔 离 带 , 阻 止 空 气 浪 的 冲 击 。 国 内 发生 的 空 区 事 故 , 多数 是采 用 矿 柱 系 统 , 象 建 筑 物一 样 划 分 为 一 个 又 一 个 的 小 房 间 , 顶 板 是 靠 矿 柱 ( 岩 石 墙 ) 来支 撑 , 当 某 些 矿 柱 失 去 承载 力 时 , 上 部 荷 载 重 新分 布 , 这 样 使 未 破 坏 的 矿 柱 荷 载 增 加 , 因 而导 致 新一 轮 的 矿 柱 失 稳 , 如 此 反复 循 环, 最 后 导 致 整 个 空 区 塌 落。 所 以 除 非 矿 柱 有 足 够 大 尺 寸, 否 则 矿 柱 系 统 只 能 解 决 暂 时 的 问 题 , 却 为 将 来 埋 下 了 隐 患 。 南 采 区 从 136m 水 平 开 始 回采 , 一 个 分 段 就 拉 开 近 2 万 平 米 的 暴 露面 积 , 随 着 回采 的 进 行 , 岩 石 顶 板 的 暴 露面 积 会越 来越 大 , 按 照 通 行 的 无 底 柱 采 矿 方 法 , 必须 留 15m 以 上 的 岩 石 垫 层 , 可 防 止 顶 板 冒 落产 生 的 冲 击 气 浪 的 危 害 。 但 是, 由 于 暴 露面 积 比较 大 , 崩 落顶 板 需 要 巨 额 的 费 用 , 矿 山 无 法 负 担 , 因 此 研 究 大 空 区 下 采 矿 的 安 全 性 问 题 就 显 得 至 关 重 要 , 岩 石 是如 何 的 冒 落形 式 , 是一 次 性 大 冒 落, 还 是逐 渐 的 冒 落? 如 果 是一 次 性 大 冒 落, 则 会产 生 后 果 难 以 预 料 的 冲 击 气 浪 的 危 害 ; 如 果 是逐 渐 冒 落, 由 于 空 区 面 积 较 大 , 气 流 会很 快 扩 散 , 就 不 会 形 成 大 的 冲 击 气 浪 的 危 害 。 从 以 上 分 析 可 以 得 出 , 当 逐 渐 地 扩 大 空 区 暴 露 面 积 , 顶 板 岩 体 内 的 拉 应 力 也 逐 渐 地 增 大 , 当 达 到 岩 石 的 抗 拉 强 度 时 , 岩 石 即 发生 冒 落, 再 考 虑 节 理 、 水 等 影 响 , 可 以 认 为 , 岩 石 冒 落随 空 区 的 扩 大 不 断 地 冒 落, 发生 一 次 性 冒 落的 可 能 性 较 小 。 现 场 观 测 也 证 明 了 这 一 点 , 采 到 第 二 个 分 段 120m 时 , 此 时 的 暴 露面 积 为 18 500 m2, 按 截 止 品 位 放 矿 , 端 部 出 矿 口 几 乎 没 有 放 空 过 , 由 此 可 以 看 出 , 上 部 顶 板 冒 落的 岩 石 至 少 在 6m 以 上 , 说 明 顶 板 已 发生 了 冒 落。 冒 落的 岩 石 层 基 本上 满 足 了 安 全 开 采 的 需 要 。 由 此 看 来, 岩 石 的 破 坏 过 程 和 破 坏 形 式 将 起 决 定 性 作 用 。 � 空 区 顶 板 岩 体 破坏 的 理 论 分 析 岩 体 是一 种 不 均 质 且 含 有 节 理 、裂 隙 的 材 料 , 特 别 是大 的 断 层 、破 碎 带 、软 弱 夹 层 等 , 大 大 削弱 了 岩 体 的 完 整 性 。 由 于 岩 石 顶 板 的 暴 露面 积 过 大 , 顶 板 中 央 的 拉 应 力 较 大 , 而岩 石 的 抗 拉 强 度 较 低 , 所 以 岩 体 破 坏 在 所 难 免 。 另 外 由 于 应 力 作 用 , 岩 体 的 变 形 不 断 发展 , 岩 体 内 的 裂 隙 逐 渐 扩 展 , 互 相 贯 通 , 直 至 断 裂 带 相 连 部 分 的 承载 能 力 , 小 于 下 部 岩 石 的 重 量 , 岩 石 就 发生 塌 落, 起 初 都 是沿 结 构 面 破 裂 , 但 随 着 冒 落的 进 行 , 新的 自 由 面 的 形 成 , 会引 发新的 冒 落。 计 算 机 模 拟 � 3.1 有 限 元 程 序 NCAP NCAP 程 序 是由 西 安 矿 业 学院刘怀 恒 教 授 等 人 编写 的 , 适 应 于 求 解 地 下 工 程 的 平 面 问 题 的 非 线 性 有 限 元 程 序 。 国 内 采 矿 与地 下 开 挖 的 许 多工 程 都 采 用 了 NCAP 程 序 。 该 程 序 考 虑 了 岩 石 的 弹 塑 性 、不 抗 拉 、节 理 的 非 线 性 及 开 挖 和 支 护 功 能 。 � �� 模 拟 计 算 参 数 � 冒 落也 与时 间 有 关 , 随 着 时 间 的 推 移 , 岩 体 内 的 裂 隙 逐 渐 地 增 多、生 长, 岩 石 的 弹 性 模 量 逐 渐 地 下 降 , 岩 石 的 强 度 也 逐 渐 减 小 , 可 以 说 , 岩 石 在 逐 渐 的 弱 化 。 另 外 岩 石 的 蠕 变 、风 化 和 水 等 外 在 的 因 素 , 尤 其 是水 的 作 用 , 对含 有 节 理 的 受拉 岩 体 来说 , 将 使 岩 石 的 强 度 进 一 步 降 低 , 因 而会使 顶 板 的 岩 石 冒 落加 速[3]。 根 据 岩 石 力 学的 参 数 、结 构 面 的 分 布 及 中 区 的 地 质 情 况 , 岩 体 的 计 算 参 数 如 表 3 所 示 。 用 前 对 NCAP 程 序 进 行 了 局 部 修 改 , 对前 后 处理 、等 值 线 、 拉 破 坏 非 线 性 分 析 等 方 面 进 行 了 增 补 与完 善 。 使 计 算 结 果 更 加 符 合 实 际 。 岩 石 为 脆 性 材 料 , 抗 拉 强 度 仅 为 抗 压 强 度 的 如 果 空 区 离 地 表 较 近 时 , 当 顶 板 的 岩 石 冒 落到 一 定 的 程 度 , 岩 体 内 的 剪 应 力 达 到 了 极 限 值 , 岩 石 5%-10%, 地 下 大 面 积 开 挖 的 破 坏 多数 是拉 破 坏 。 第 4 期 赵 文 :地 下 巨 型 采 空 区 顶 板 岩 石 的 破 坏 与冒 落 509 表 1 岩 体 的 计 算 参 数 域 内 地 表 高 度 一 般 为 320m-340m, 多数 地 段 约 为 25m-35m。 从 开 挖 的 模 拟 过 程 来看 , 塑 性 区 也 是逐 Tab.1 physico-mechanical parameters of rock mass 3 指 标 单 位 灰 岩 铁 矿 石 渐 形 成 的 , 这 样 空 区 的 顶 板 形 式 应 该 是逐 渐 破 坏 的 , 产 生 一 次 性 大 冒 落的 可 能 性 比较 小 。 抗 压 强 度 抗 拉 强 度 弹 性 模 量 Mpa MPa MPa 50 1.0 55 1.5 4 4 2.0ꢈ10 3.5ꢈ10 泊 内 内 摩 擦 角 容 地 松 聚 比 力 0.3 4.0 30 0.25 5.0 35 MPa � 结 论 度 4 重 力 t/m 2.6 3.4 应 垂直 地 应 力 以 自 重 为 主 , 水 平 地 应 力 为 10MPa 西 石 门 铁 矿 中 区 的 采 空 区 是国 内 罕 见 的 大 空 区 , 连 续 暴 露面 积 已 达 90 000km2, 如 何 保 证 大 空 区 下 采 矿 的 安 全 性 , 通 过 本文 的 研 究 得 到 以 下 几 条 结 论 : 在 本次 计 算 中 , 考 虑 了 两 种 强 度 准 则 。 首先 是判 断 岩 体 中 的 拉 应 力 , 如 拉 应 力 超 过 了 岩 体 的 抗 拉 强 度 , 则 认 为 岩 体 产 生 了 破 坏 。 其 次 , 如 果 拉 应 力 小 于 岩 体 的 抗 拉 强 度 , 则 采 用 弹 塑 性 分 析 方 法 , 并 采 用 普 拉 格 辛 克 维 奇 ( O.C.Zienkiewicz) 等 人 于 1968 年 提 出 了 用 应 力 追 析 的 概 念 。 该 方 法 认 为 , 当 岩 体 内 局 部 单 元 出 现 拉 应 力 时 , 该 处岩 体 首先 受拉 开 裂 , 而使 拉 应 力 释 放 变 为 零 , 从 而使 岩 体 应 力 重 新 调 整 , 在 重 新调 整 后 , 岩 体 内 的 另 一 局 部 位 置 又 将 产 生 拉 应 力 , 而该 处岩 体 又 被 拉 裂 , 拉 应 力 再 释 放 , 岩 体 内 的 应 力 再 调 整 。 ( 1) 采 用 大 面 积 的 拉 开 , 是诱 导 岩 石 冒 落的 一 种 方 法 , 大 片 的 采 空 区 可 以 很 快 地 扩 散 岩 石 冒 落 产 生 的 冲 击 气 浪 , 可 以 减 少 冲 击 气 浪 的 危 害 。 ( 2) 扩 大 暴 露面 积 , 采 用 有 控 制 的 冒 落是处 理 采 空 区 的 新方 法 , 实 际 上 比用 矿 柱 支 撑 的 开 采 方 法 有 更 好的 安 全 性 。 本研 究 成 果 为 类 似 矿 山 提 供 了 宝贵 的 经 验 。 ( 3) 扩 大 暴 露面 积 减 少 了 巨 额 的 放 顶 费 用 , 但 是由 于 压 力 拱 的 跨 度 增 加 , 下 部 回采 工 作 面 的 地 压 会有 所 增 大 , 这 是本方 法 的 不 利 的 一 面 。 ����南 空 区 的 模 拟 计 算 � KYD=6 Plastic Element<//>: Tensile Element<\\> 参 考 文 献 : [1] 赵 文 , 任 凤 玉 . 哑 铃 状 两 大 型 连 通 采 空 区 岩 石 冒 落与冲 击 气 浪 的 预 防 [J]. 中 国 矿 业 , 2000, 19(3):76-79. [2] B.P.伊 麦 尼 托 夫 , 杨 守 廉 译 . 金 属 矿 床 地 下 开 采 工 作 过 程 [M]. 北京: 冶 金 工 业 出 版 社 , 1982. [3] Â.ÀÏàäóêî â. Ãî ðí àÿ ãåî àì åõàí èêà. Ñàí êò-Ï åòåðáóðã[M]. ÑÏ áÃÃÈ, 1997. Tensile Area: 1 183.40200 Plastic Area: 14 419.94000 图 2 Fig.2 plastic zone of south mine out area at 80m level 南 区 采 空 区 开 挖 到 80 米 水 平 的 顶 板 的 破 坏 区 域 [4] B.H.古 谢 夫 ,赵 文 . 层 状 岩 体 形 成 过 程 的 力 学机 制 [J]. 中 国 矿 业 , 1 997, 17(4):52-55. 5] M.鲍莱 茨 基 ,M.胡 戴 克 ,于 振 海 , 刘天 泉 译 . 矿 山 岩 体 力 学[M]. 北京: 煤 炭 工 业 出 版 社 ,1985. [ 图 2 是南 空 区 9 勘 探 线 的 计 算 结 果 图 。 计 算 区 The Rock Failure and Fall of the Large Underground Mined-out Area ZHAO Wen (Department of Civil Engineering ,Northeastern University , Shenyang 110006, China ) Abstract: The theoretical analysis, the computer simulation and the practice of the work all indicated that enlarging the mined-out area could tempt the rock fall. The rock falling process acted on different phrases. The large mined-out area could diffuse the impact current quickly. When the fall didn’ t get to the ground, the probability of the large fall was small. Key words: mined-out area; rock failure; rock falling
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