Series No. 285　 金 属 矿 山 总 第 285 期 　 2000年 第 3 期 March 2000 METAL MINE 西 石 门 铁 矿 中 区 采 空 区 地 表 塌 落 及 防 护 对 策 赵文任 凤 玉刘乔岳 润 芳张 仲 发 ( 东 北 大 学 ) (邯 邢 冶 金 矿 山 管 理 局 ) 3 摘 要 西 石 门 铁 矿 中 区 有 南 、北 两 个 采 空 区 ,其 中 北 空 区 体 积 达 180 多 万 m 。 文 中 介 绍 该 采 空 区 的 处 理 方 法 以 及 空 区 顶 板 的 塌 落 过 程 ,并 利 用 理 论 分 析 和 计 算 机 模 拟 方 法 对 冒 落 过 程 进 行 了 详 细 研 究 。 关 键 词 采 空 区 塌 落 处 理 气 浪 The Surface Cave2in of the Mined Area in the Middle Section of Xishimen Iron Mine and Its Countermeasures Zhao Wen Ren Fengyu Liu Qiao Yue Runfang Zhang Zhongfa ( Hanxing Metallurgical Mine A dministrative B ureau) ( Northeast University) Abstract 　 There are two mined areas in the north and the south respectively of Middle Section in Xishimen Iron 3 Mine and the one in the north has a volume of over 1. 8 million m . The treatment method and the roof cave2in process of this mined area are described and a detailed study on its cave2in process is made by theoretical analysis and computer imita2 tion. Keywords 　 Mined area ,Cave2in ,Treatment ,Air wave 　 　 2 　 理 论 分 析 WWW.KY114.CN 1 矿 山 概 况 岩 体 是 一 种 不 均 质 且 含 有 节 理 、裂 隙 的 材 料 ,由 于 岩 石 顶 板 的 暴 露 面 积 过 大 ,以 及 岩 体 的 不 均 质 性 , 再 加 上 岩 体 内 部 存 在 各 种 弱 面 ,如 层 理 、裂 隙 等 ,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 。 根 据 Griffith 强 度 理 论 ,岩 体 的 变 形 不 断 发 展 ,岩 体 内 的 裂 隙 不 断 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 。 随 着 时 间 的 推 移 ,岩 内 的 裂 隙 逐 渐 地 增 多 、发 展 ,岩 石 的 强 度 也 逐 渐 地 弱 化 ,岩 石 的 弹 性 模 量 值 也 逐 渐 地 下 降 ,岩 石 的 性 质 在 发 生 缓 慢 地 变 化 。 另 外 岩 石 的 蠕 变 、风 化 等 的 作 用 也 促 进 了 岩 石 的 弱 化 。 根 据 双 剪 强 度 理 论 ,两 个 最 大 剪 应 力 达 到 临 界 值 时 , 材 料 就 发 生 屈 服 或 破 坏 。 西 石 门 铁 矿 是 邯 邢 冶 金 矿 山 管 理 局 所 属 最 大 矿 山 ,采 用 无 底 柱 分 段 崩 落 法 开 采 。 截 止 1996 年 底 , 西 石 门 铁 矿 中 区 采 矿 情 况 如 图 1 所 示 。 以 7 勘 探 线 图 1 西 石 门 铁 矿 中 区 采 空 区 示 意 为 界 ,采 空 区 分 为 南 、北 两 空 区 。 北 空 区 是 一 个 顶 部 2 2 水 平 面 积 6 300 m ,底 部 水 平 面 积 20 900 m ,高 度 3 9 0 m ,体 积 为 180 多 万 m 的 巨 大 采 空 区 。 如 此 大 由 于 岩 体 变 形 的 不 断 发 展 ,节 理 裂 隙 的 相 互 贯 通 ,顶 板 的 岩 石 在 不 停 地 冒 落 。 当 冒 落 到 一 定 的 程 度 ,岩 体 内 的 剪 应 力 达 到 了 极 限 值 ,岩 石 即 开 始 破 的 采 空 区 国 内 外 均 少 见 。 空 区 一 旦 发 生 大 规 模 冒 落 ,将 产 生 不 可 估 量 的 损 失 。 到 120 m 水 平 ,南 空 区 2 的 水 平 暴 露 面 积 已 经 达 到 了 5 万 多 m 。 如 何 保 证 生 产 的 安 全 性 ,处 理 好 采 空 区 成 为 持 续 生 产 的 关 键 。 赵 文 ,东 北 大 学 资 源 与 土 木 工 程 学 院 土 木 系 ,博 士 ,副 教 授 ,110006 辽 宁 省 沈 阳 市 和 平 区 。 防 14 防 　 赵 文 等 :西 石 门 铁 矿 中 区 采 空 区 地 表 塌 落 及 防 护 对 策 2000 年 第 3 期 坏 ,并 迅 速 形 成 断 裂 面 ,岩 石 发 生 突 然 冒 落 ,直 至 地 表 。 从 计 算 机 模 拟 表 明 ,硬 岩 中 当 顶 板 岩 石 厚 度 小 于 50 m时 ,顶 板 中 岩 体 已 接 近 极 限 强 度 ,可 以 说 冒 落 随 时 可 能 发 生 。 当 然 外 部 的 因 素 如 雨 水 的 渗 入 、 爆 破 震 动 等 的 影 响 都 可 以 加 速 冒 落 的 发 生 。 日 在 空 区 南 部 发 现 有 3 条 东 西 走 向 的 平 行 裂 缝 ,裂 缝 间 距 1～ 1. 3 m ,长 度 0. 5～ 1. 5 m ,裂 缝 的 最 大 宽 度 约 为 6 mm 左 右 ,深 约 100～ 300 mm。 以 后 第 一 次 冒 落 即 沿 此 处 发 生 。 4 　 防 护 措 施 及 空 区 地 表 塌 落 过 程 3 计 算 机 模 拟 411 沉 降 观 测 网 及 圈 定 地 表 崩 落 带 REPA 程 度 是 基 于 有 限 元 方 法 的 基 础 上 开 发 地 表 布 设 了 两 条 沉 降 观 测 线 ,每 月 5 日 和 20 日 对 空 区 沉 降 和 倾 覆 变 形 进 行 两 次 测 量 。 监 测 工 作 从 1997 年 3 月 5 日 开 始 。 沉 降 观 测 网 如 图 3 所 示 。 从 得 到 的 数 据 来 看 ,地 表 的 变 形 很 小 ,这 与 地 表 都 是 坚 硬 的 石 灰 岩 有 关 。 当 然 由 于 测 量 间 隔 为 半 个 月 , 也 不 排 除 冒 落 的 前 几 天 有 较 大 的 变 形 发 生 的 可 能 性 。 的 ,除 有 普 通 有 限 元 的 特 点 即 能 得 到 应 力 和 位 移 值 以 外 ,最 大 的 特 点 是 可 以 计 算 岩 石 的 破 坏 过 程 ,它 可 模 拟 材 料 裂 纹 的 起 裂 、扩 展 直 至 破 坏 的 全 过 程 ,可 以 动 态 演 示 破 坏 的 整 个 过 程 。 通 过 计 算 机 模 拟 可 以 了 解 材 料 破 坏 的 方 位 及 破 坏 的 路 径 。 RFPA 程 序 充 分 考 虑 了 岩 石 类 介 质 的 非 均 质 性 、SD 效 应 (拉 压 强 度 不 相 等 ) 的 特 点 。 从 微 观 角 度 来 看 ,每 一 个 微 小 的 单 元 体 都 是 均 匀 的 、连 续 的 弹 性 体 。 但 单 元 体 之 间 可 能 在 力 学 性 质 (弹 模 、强 度 等 ) 上 差 别 很 大 ,这 种 离 散 性 可 用 数 理 统 计 的 方 法 来 描 述 。 RFPA 程 序 在 研 究 了 岩 体 强 度 分 布 形 式 的 基 础 上 ,采 用 了 Weibull 分 布 来 说 明 微 单 元 之 间 力 学 性 质 的 差 别 。 材 料 破 坏 以 后 ,其 力 学 性 质 呈 弱 化 趋 势 、且 下 降 梯 度 很 大 ,也 可 以 认 为 看 成 了 另 外 一 种 材 料 ,这 种 材 WWW.KY114.CN 料 的 性 质 与 原 来 的 材 料 性 质 完 全 不 同 。 这 样 ,微 单 元 的 逐 渐 破 坏 、材 料 的 逐 渐 弱 化 就 形 成 了 材 料 的 破 坏 过 程 。 西 石 门 铁 矿 中 区 顶 板 主 要 是 石 灰 岩 ,其 物 理 力 学 参 数 见 表 1。 表 1 西 石 门 铁 矿 中 区 顶 岩 石 物 理 力 学 参 数 图 3 空 区 地 表 沉 降 观 测 网 及 塌 落 区 抗 压 强 度 抗 拉 强 度 内 聚 力 内 摩 擦 角 弹 性 模 量 波 松 比 名 称 A1 、A2 、A3 、B1 、B2 、B3 、B4 — 沉 降 观 测 点 ;5 、6、7 — 勘 探 线 编 号 / MPa / MPa / MPa / (板) / GPa 石 灰 岩 73. 9 3. 9 14. 0 39. 7 68. 4 0. 34 为 了 解 北 空 区 顶 盖 的 厚 度 及 减 缓 冲 击 气 浪 的 危 害 ,1990 年 初 ,在 北 空 区 最 薄 处 开 了 一 个 天 窗 井 ,直 径 为 7. 5 m ,当 时 顶 盖 岩 石 的 厚 度 为 77. 5 m。 到 　 根 据 北 空 区 的 岩 石 性 质 ,采 用 RFPA 程 序 对 北 空 进 行 了 模 拟 计 算 ,其 结 果 如 图 2 所 示 。 北 空 区 由 于 暴 露 面 积 很 大 ,在 空 区 的 边 缘 地 带 出 现 了 拉 裂 缝 , 图 中 亮 处 代 表 高 应 力 区 ,暗 处 代 表 低 应 力 区 ,黑 色 区 域 代 表 破 坏 区 。 1 996 年 6 月 ,空 区 顶 板 岩 石 的 厚 度 变 为 54 m ,说 明 顶 板 岩 石 在 逐 渐 地 崩 落 。 由 于 坑 下 仍 在 采 矿 ,空 区 连 通 的 面 积 在 不 断 地 扩 大 ,地 表 一 次 性 崩 落 到 地 表 的 可 能 性 非 常 大 。 为 此 根 据 对 采 空 区 的 详 细 调 查 及 理 论 分 析 和 计 算 机 模 拟 计 算 ,根 据 应 力 的 分 布 情 况 , 圈 定 了 空 区 首 次 冒 落 到 地 表 的 界 限 。 并 在 地 表 埋 设 了 混 凝 土 界 桩 ,禁 止 一 切 行 人 和 车 辆 的 通 行 。 4 12 　 地 下 封 堵 与 预 防 措 施 顶 板 突 然 冒 落 ,除 了 产 生 动 力 冲 击 外 ,并 使 空 区 图 2 地 表 空 区 边 缘 拉 裂 缝 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 ,这 种 冲 量 很 大 ,能 破 坏 井 下 建 筑 拉 裂 缝 在 现 场 也 已 得 到 证 实 。 1997 年 9 月 5 防 15 防 总 第 285 期 金 属 矿 山 2000 年 第 3 期 物 和 伤 害 作 业 人 员 。 飞 出 100 m 左 右 的 范 围 。 首 次 塌 落 范 围 与 原 来 “ 地 表 警 戒 圈 定 ”的 界 限 十 分 吻 合 ,说 明 了 研 究 的 正 确 性 。 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 。 空 区 冒 落 的 时 刻 、在 中 区 南 区 工 作 的 许 多 工 人 , 耳 朵 有 痛 感 ,斜 井 内 有 少 量 粉 尘 产 生 。 除 此 而 外 ,未 造 成 其 他 危 害 。 从 首 次 冒 落 的 岩 壁 上 可 以 看 出 ,原 生 结 构 面 占 有 很 大 的 比 例 ,约 在 70 %以 上 。 壁 面 的 倾 角 在 75板 ～ 85板。 1999 年 2 月 4 日 观 察 ,在 塌 陷 坑 南 侧 边 缘 地 表 出 现 两 条 断 裂 缝 ,第 1 条 距 离 塌 陷 坑 15 m 左 右 ,第 2 条 距 离 塌 陷 坑 20 m 左 右 。 空 区 顶 盖 冒 落 以 后 ,四 周 的 岩 体 变 成 了 悬 臂 结 构 ,悬 臂 的 根 部 出 现 很 大 的 拉 应 力 ,地 表 出 现 拉 裂 缝 ,应 在 情 理 之 中 。 至 1999 年 5 月 份 以 后 ,冒 落 过 程 基 本 停 止 。 1999 年 6 月 份 以 后 塌 落 壁 接 近 直 立 。 岩 石 垫 层 的 作 用 使 空 气 速 度 衰 减 ,井 下 的 最 大 风 速 不 应 大 于 12 m ,最 大 压 力 不 大 于 0. 003 MPa。 因 此 必 须 首 先 计 算 出 进 入 巷 道 中 空 气 的 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 6 m 的 垫 层 。 为 此 中 区 的 南 区 从 110 m 开 始 分 区 开 采 ,并 留 有 矿 岩 隔 离 带 , 阻 止 空 气 浪 的 冲 击 。 地 下 与 北 空 区 相 通 的 所 有 的 通 道 都 进 行 了 封 堵 ,用 混 凝 土 砌 璇 ,封 堵 的 长 度 2～ 3 m ,用 松 散 废 石 ,封 堵 的 长 度 为 8 m。 5 　 结 论 西 石 门 铁 矿 中 区 的 采 空 区 是 国 内 罕 见 的 大 空 2 区 ,连 续 暴 露 面 积 已 达 8 万 m 。 其 北 空 区 经 受 住 了 3 地 下 和 地 表 的 防 护 工 作 全 部 准 备 就 绪 ,课 题 组 确 信 ,北 空 区 的 冒 落 不 会 对 正 在 作 业 的 中 区 南 空 区 产 生 灾 害 性 影 响 。 冒 落 量 70 万 m ,落 差 90 m 的 大 冲 击 ,地 下 采 矿 人 员 和 设 备 安 然 无 恙 ,空 区 的 安 全 冒 落 ,说 明 空 区 处 理 方 案 是 成 功 的 。 扩 大 暴 露 面 积 ,采 用 有 控 制 的 冒 落 是 处 理 采 空 区 的 新 方 法 。 本 研 究 成 果 为 类 似 矿 山 提 4 13 　 北 空 区 顶 盖 冒 落 过 程 实 际 冒 落 发 生 在 1998 年 11 月 21 日 ,首 先 是 天 WWW.KY114.CN 供 了 宝 贵 的 经 验 。 硬 岩 薄 顶 盖 的 冒 落 ,征 兆 不 明 显 ,冒 落 比 较 迅 窗 井 附 近 突 然 崩 落 ,在 1 h 之 内 ,天 窗 井 东 西 侧 地 表 两 侧 相 继 塌 落 ,最 后 形 成 一 个 东 西 宽 约 100 m、南 北 长 约 130 m、坑 深 60～ 70 m 左 右 的 椭 圆 型 塌 落 区 。 大 冒 落 前 有 异 常 的 响 声 ,天 窗 井 附 近 岩 石 首 先 冒 落 , 气 浪 上 升 的 高 度 约 为 40 m ,细 碎 的 岩 石 颗 粒 随 气 浪 速 。 此 类 空 区 应 及 时 采 取 防 护 措 施 ,以 保 证 人 员 的 安 全 。 (收 稿 日 期 2000201204) ( 上 接 第 13 页 ) R1 I 的 取 值 为 和 判 断 矩 阵 的 阶 数 对 应 的 经 验 金 红 石 、煤 、耐 火 粘 土 、硅 石 、膨 润 土 、石 榴 子 石 、铝 土 矿 、累 托 石 。 值 。当 C1 R ≤ 0110 时 ,认 为 A 具 有 满 意 的 一 致 性 , 否 则 必 须 重 新 调 整 A 中 的 元 素 值 , 直 到 满 足 条 件 。 计 算 得 对 应 于 保 有 储 量 的 随 机 一 致 性 检 验 指 标 C1 R = 0. 056 ,满 足 条 件 。 表 2 10 种 矿 产 总 得 分 磷 石 灰 石 金 红 石 煤 耐 火 粘 土 0. 079 50 累 托 石 0. 172 95 硅 石 0. 145 37 膨 润 土 0. 143 05 石 榴 子 石 0. 074 76 0. 114 01 铝 土 矿 评 价 中 所 建 立 的 各 级 判 断 矩 阵 均 满 足 上 述 一 致 0. 079 20 0. 075 05 0. 064 46 0. 051 68 性 检 验 标 准 。 4 结 论 ( 4) 计 算 组 合 权 重 ,确 定 方 案 排 序 。 根 据 上 述 计 算 结 果 ,得 到 10 种 矿 产 的 总 得 分 如 表 2 所 示 。 该 方 法 在“ 襄 樊 市 矿 产 资 源 开 发 利 用 规 划 研 究 报 告 ”中 得 到 运 用 ,在 项 目 评 审 会 上 ,上 述 评 价 结 果 得 到 与 会 专 家 的 一 致 肯 定 ,并 被《 襄 樊 市 矿 产 资 源 开 发 利 用 规 划 》所 采 纳 。 由 此 可 以 确 定 襄 樊 市 矿 产 资 源 开 发 利 用 的 优 劣 顺 序 ,可 以 优 先 考 虑 开 发 的 矿 种 依 次 是 :磷 、石 灰 石 、 ( 收 稿 日 期 1999211215) 防 16 防