（安全技术及工程专业论文）大宝山地下采空区稳定性分析及处理技术.pdf

中南大学硕卜论文英文摘罄 a b s t r a c t s a f e t ya n ds t a b i l i t yo fl a r g ea m o u n to fu n d e r g r o u n dg o a fi nc o p p e r d e p a r t m e n to fd a b a o s h a nm i n i n gl t d h a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l yi n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s e so fm i n i n gc o n d i t i o na n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o no fg r o u p e d - g o a fn e a rb o t t o mo f2 # o b l i q u ew e l l s u i t a b l ef i l l i n gm a t e r i a la r ec h o s e da n dt w ok i n d so ff i l l i n gs y s t e m s a r ea l s od e s i g n e di no r d e rt oe l i m i n a t ed a n g e r so fg o a ft ob o t t o mo fm a i n s h a f ta n dt og i v et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h r e a t m e n to fn e w l yf o r m e dg o a f i nt h ef u t u r e m a i nc o n d u s i o u sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 d i s t r i b u t i o nd e n s i t y ，g e o m e t r ys i z e ，s p a c es h a p eo fg o a fa n d d i s t r i b u t i n gc o n d i t i o no fg o a fm f l s s e sa r ec l a r i f i e db a s e do nt h e s t a tis ti c a la n a l y s e so f d a t ao f f e r e db yc o p p e rd e p a r t m e n ta n df i e l d i n v e s t i g a t i o no fu n d e r g r o u n dg o a fw i t h i nm i n i n ga r e at e n d i n gt o w a r d s a b o u t2 0 0 0 ml o n g 2 n o n 一1i n e a r i t yc h a r a c t e ro ft h er o c k m a t e r i a l ，u n s t e a d y o f c o n f i g u r a t i o na n dn o n 一1 i n e a r i t ym e c h a n i s mo ft e r r a n em o v e m e n ti nt h e u n d e r g r o u n dg o a fa r ei n t r o d u c e d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tn o n 一1 i n e a r i t y d y n a m i c si sar e a s o n a b l ea p p r o a c ht oe x p lj a nt h et e r r a n em o v e m e n ta n d p l a y sa ni m p o r t a lr o l e i ns a f e t yr e s e a r c h i n ga b o u tu n d e r g r o u n dt h e u n s t e a d yr e s e a r c ha n da p p li c a ti o nf o rt h er o c kg o a f t h ec o n f i r m e dc h a o s c a np e r f e c t l ye x p l a i nt h ea b n o r m i t ya n dt h u n d e r i n gp h e n o m e n o nw i t h o u t i n h e r e n c er a n d o m i c i t y i tc a nw e l lc o m b i n et h es t u d yo ft h en o 一1 i n e a r i t y c h a o st h e o r yt or e a lw o r l dn o n 一1 i n e a r i t yd y n a m i c sf o rt h en o l i n e a r i t y d y n a m i c sc h a r a c t e ri nt h et e r r a n em o v e m e n tc o u r s e i tm a yb ean e wr o u t e t oe x p l a i nt h er o c ku n s t e a d yp r o b l e mi nt h eg o a f 3 t h es i m u l a t i o no ft h e r o c kd e f o r m a t i o na n dm o v e m e n ti sad y n a m i c n u m e r i c a la p p r o a c ho ft h ew h o l ep r o c e s s i ti sac o m p l e xp r o c e s st h a t l i t t l ed e f o r m a t i o nt oe x t e n d su n t i lt ob r e a k w h i c hc a nn o tb es i m u l a t e d b y ac o m p l e t en u m e r i a l m o d e l ，i e r o o t c o m p o s e ，a tp r e s e n t l i t t l e d e f o r m a t i o nc a nb ed e s c r i p t e db yr i g i d i t yb l o c km o d e l ，s e p a r a t eu n i to r d i s p e r s ed e f o r m a t i o na p p r o a c h ( d d a ) e s p e c i a l l y ，a n s y sp r o g r a md e v e l o pi n r e c e n ty e a r sc a ns i m u l a t ep r o c e s so fli t t l ed e f o r m a t i o nt ob r e a ka sa n e f f e c t i v en u m e r i a lc o m p u t a t i o nm e a n t h r e e d i m e n s i o n dc o n p u t a t i o no f 中南夫学硕l ：论文 英文摘耍 s t e a d yo fb o t h3 # a n d6 # g o a f c o m p u t a t i o nr e s u l t sa r ei d e n t i c a lt or e a l i t y a n ds u p p l yat h e o r e t i c a lb a s ea n dt e c h n i c a li n s t r u c t i o no fm o n i t o ra n d t r e a t m e n to fu n d e r g r o u n dg o a fi nt h em i n e 4 f e a s i b l ea n dr e a s o n a b l et r e a t m e n tm e a s u r e sa r es u g g e s t e dt o d i f f e r e n tg o a f s ，a n dp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo fb o t hc e m e n t e da n d n o n c e m e n t e db a c k f i l ls y s t e m sa r ea l s od e s i g n e d ，w h i c hc a ne l i m a t e r a d i c a l l yp o t e n t i a lr i s ko fu n d e r g r o u n dg o a fi nd a b a os h a nm i n e k e y v o r d s ：g o a f ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；n o n 一1 i n e a r i t y , a n s y s ；g o a fd i s p o s a l ； f i l l i n gd e s i g n h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已经在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：矽 关于学位论文使用授权说明 年j 月7 日 ， 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签 导师签名立如趴日期：6 2 0 晶年r 月莎日 中南大学硕七论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 矿业与人类的生存、社会的发展息息相关。翻开人类社会发展史，时代的演 变，社会的更替都离不开矿业的发展“1 。从石器时代一铜器时代一铁器时代，乃 至当今信息时代人类文明的发展都深深打下矿业发展的烙印。目前我国己探明矿 产资源1 6 8 种，j f 在开发利用的有1 3 2 种，由采矿业而兴起的新型城市达3 0 0 多 座，约占全国城市的半数“1 。现在和将来矿业依然是社会发展的重要支柱产业之 一。矿业在开发利用的同时，也对生态环境造成了巨大的影响。创建可持续发展 的社会，要求人们更加关注生态发展，关注人与自然的和谐共存，关注人类自身 的生命健康，这也是人类文明进步的主要标志。 矿山灾害与地震、洪水、干旱、飓风等自然灾害不同，属于产业灾害的范畴。 由于人类的开采形成采空区冒落等破坏已成为地下矿山开采过程中的主要灾害 之一，这在我国和发展中国家尤为突出“。发达国家经过较长时间的发展，已逐 步摈弃了。先开采、后治理”的早新筷式。我国及大部分发展中国家，限于经济 技术发展水平及环保意识薄弱，采空区灾害频频发生。由采空区塌陷引发的地质 灾害包括地表塌陷，江河断流，地下水桔竭、土地干旱贫瘠等，严重影响矿监韵 可持续发展，成为矿山特大事故的重大诱发因素。如1 9 1 6 年日本海下采煤时， 海水沿着由于开采而扩大的构造裂隙溃入井下，造成淹井事故，死亡2 3 7 人；1 9 7 7 年恩口煤矿的饮食店突然塌陷，造成人员伤亡、财产损失严重；凡口铅矿因采场 覆岩体中岩溶发育，开采造成地表塌陷坑1 4 0 0 个，面积约4 9 0 万岔，建筑受损面 积7 万m z ，农田受损面积6 6 7 h m 2 ，4 k m 长的铁路和1 5 k m 长公路受到破坏而停止 运行等等。 我国目前已塌陷国土面积达7 0 万公顷，根据我国矿山采空塌陷的最新资料 测算，我国平均塌陷系数为0 2 4 ( 公顷万吨) ，仅2 0 0 0 年新增采空塌陷面积就 达3 万公顷，1 9 4 9 年至2 0 0 2 年全国累计采空塌陷面积超过7 0 万公顷。测算直接 损失系数为1 1 5 ( 元t ) ，2 0 0 2 年直接经济损失达2 0 亿元，新中国成立以来 累计直接经济损失超过5 0 0 亿元。可见，采空区塌陷是造成的灾害后果严重，必 须予以控制。矿山采空区塌陷灾害防治是我国经济社会发展的重大课题。目前存 在的主要问题是： ( 1 ) 采空塌陷灾害引发责任人界定不明确及历史欠账太多。应根据采空塌 陷历史欠账的责任属性，按“谁引发，谁赔偿”的原则科学合理确定各时段灾害 中南大学硕p 论文第一章绪论 引发责任入( 国家、地方政府、矿山企业或私人企业) 的赔偿资金比例，提供治 防采空塌陷的资金支撑： ( 2 ) 采空区的治理力度不够。长期以来，我国比较重视塌陷土地复垦而忽 视对采空区的治理，这种治标不治本的做法使矿山采空区潜在的危害性增大。采 空区的大量存在提高了经济社会发展成本，已经成为矿山可持续发展的约制因 素。应按“政府主导，预防为主，引发者赔偿，综合治理”的采空区塌陷防治新 模式，把其治理重心从塌陷的“事后处理”前移到对采空区的治理和预防上来； ( 3 ) 采空区的监测工作不到位。我国目前对采空区的监测工作尚未做出法 律法规和政策的具体规定，。预防为主”的原则在实践中打了折扣。监测、治理 资金不到位、缺乏好的长远的治理规划，疲于应付“塌陷一搬迁一塌陷”的恶性 循环； ( 4 ) 我国长期存在“环境无价、矿产品低价，加工品高价”的订价潜规则， 近年来能源、原材料价格的飙升就是对这种不合理潜规则的市场自主修正； ( 5 ) 随着我国国民经济新一轮景气周期的来临，能源与原材料再次成为经 济发展的瓶颈之一。供求关系的变化使能源与原材料价格迅速提升，容易使人觉 得“矿山日子好过了”，而忘记矿山的长期忧患，放缓对采空区灾害的治理。所 以必须正视采空区灾害治理和矿山经济转型的必要性和紧迫性，才能实现矿山的 可持续发展和区域经济协调发展。 矿体回采后将形成采空区，随着采矿工作的持续，新的采空区继续增加，有 的矿山地下采空区规模达数百万立方米甚至数千万立方米，单一超大独立采空区 从数万立方米至数十万立方米。由于采矿活动产生的采空区失稳所引起的岩层移 动不仅严重威胁井下的生产安全，甚至发展到地表并产生开裂、下沉、塌陷；地 形条件复杂的地表可发生山崩、滑坡、滚石、泥石流等。如采空区顶板下沉、冒 落，矿柱破坏倒塌，因此，妥善处理好采空区，防止灾害性地压活动，确保矿山 安全生产具有重要意义。 实践表明，大规模灾害性地压活动主要表现为： ( 1 ) 顶板围岩的突然冒落，可形成秒速达千米的高压气流，冲击能量可以 破坏井下构筑物、生产设备并造成人员伤亡； ( 2 ) 灾害区域扩大，从而使矿产资源损失在危险采空区区域内而无法回收： ( 3 ) 威胁地表建筑设施及人员安全。 形成灾害性地压的因素很多，主要取决于岩体性质、岩层组合结构、地质构 造弱面、开采深度、矿体倾角、采矿方法及矿柱回收状况、采空区形态与规模及 暴露时| 日j 、采空区处理方法、地表地形及水文地质条件等。在不同因素影响下， 由采空区引起岩层移动将显现各种不同的特征，所带来的危害也不尽相同。近几 2 中南大学硕l 论文第一章绪论 十年来，由于国内外相关研究者的不断探索与实践，充填理论与技术得到迅速发 展，这也为矿山从根本上治理与预防采空区的灾害找到了行之有效的途径。如废 石干式充填、块石胶结充填、分级尾砂和碎石水力充填、混凝土胶结充填、以分 级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填、高水速凝 固化充填、膏体泵送充填等充填技术在国内外矿山都得到了广泛应用。为降低胶 结充填成本，扩大充填应用范围，近年来水泥替代品研究取得了重大进展。粉煤 灰、冶炼炉渣、铝厂赤泥等来源广泛、成本低廉的工业固体废料已在部分矿山推 广应用，大大降低了矿山胶结充填成本，提高了矿山经济效益和社会环境效益。 因此，对采空区的稳定性进行研究分析，并及时采取合理的措施对采空区进行处 理以减少引起采空区岩体移动的危害，是一项十分重要的具有理论和应用价值的 研究课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩石力学研究现状 采空区是指地下矿体被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为 老采区、现采区和未来采区。天然岩体本来处于自然平衡状态，由于开采矿床， 必须在岩体中开挖各式各样的空间( 如巷道、采场) ，这就破坏了岩体的自然平衡 状态，采掘空间改变了岩体的原始应力场而产生次生应力场。在次生应力场作用 下，采掘空间周围的岩体发生变形、甚至破坏和移动，一直达到新的平衡为止。 矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带：垮落带、裂隙带和弯曲带，地表产生 连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如地表积水、道路裂缝、 房屋倒塌、耕地减少、农田减产等，特别是对矿山安全生产构成重大安全隐患 钔c 5 6 】 o 我国是世界上采矿最早的国家之一，明代末年所出的天工开物中就记述 了大量的开采问题，如立井开采及井下进行支护和充填的情况。随着开采规模的 日益扩大。经常出现矿井内顶板冒落、巷道堵塞或地表塌陷等事故，迫使人们不 得不重视和研究矿山地压问题。中世纪时，欧洲一些国家因地下开采发生破坏庙 宇及城市供水的事件增多，开始出现了防止采矿工作破坏地表的协定( 1 4 8 7 年) 。 到十九世纪三十年代以后，在比利时、德，法等国家，为了防止地面房屋建筑遭 到破坏，也曾提出过一些确定保护煤柱的方法，这是矿山地压研究的第一阶段。 十九世纪后期n - - 十世纪中叶，可认为是矿山地压研究的第二阶段。这个阶 段的特点是，利用某些比较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿山地压现 象，并提出了一些初步的矿山地压假说。其中有代表性的是认为巷道上方会形成 中南大学颂l 论文 第一章绪论 自然平衡拱的“压力拱假说”及有关的分析计算。在这个阶段中，对巷道围岩破 坏机理和支架所受岩石压力大小，也开始进行了初步的理论研究。尽管这时所提 出的一些理论和假说，本身尚存在许多不足之处，并只能在比较局限的条件下应 用，但它对矿山地压研究的发展进程有重要的历史作用。此外，这个阶段中还提 出了以岩石曝固系数f ( 普氏系数) 作为定量指标的岩石分类，并曾得到广泛应用， 至今也没有完全失去其意义。 二十世纪三十年代至五十年代是这个阶段的代表时期。由于开采深度和开采 规模的加大。开始感到仅仅研究巷道周围局部地区岩石状况变化的理论和方法， 不能完全反映开掘巷道所弓1 起的周围岩体中应力变化的真实过程，于是出现了把 巷道周围直到地表的整个岩体当作连续的、各向同性的弹性体，进行研究和建立 假说。主要用弹性理论研究矿山岩石力学问题，如用比较严密的数学方法得出了 在自重作用下计算原岩应力的有关公式，研究了开掘各种形状的垂直和水平单一 巷道所弓l 起的自然应力场的变化等。其中，比较典型的铡子是用弹性理论解决圆 形巷道周围的应力分布问题。以后又研究了岩体非均质性和各向异性对弹性体的 影响，以及把岩层看作是具有不同变形的弹性介质，进一步研究岩体层理性的影 响。在进行理论研究的同时，研究矿山地压的试验手段也获得了发展。其中，得 到广泛应用的是利用光敏材科进行的光弹模拟方法私利用相似材料进行的相似 模拟研究方法。 二十世纪六十年代至今的三、四十年为地压研究的第三阶段。新的进展主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 在理论研究方面，除了继续应用连续介质力学方法研究与矿山地压有关 的问题外，又发展了考虑岩石真实特性的各种地压理论研究。例如，把岩体看作 是受各种性质的软弱面切割的弱面体的研究，把岩石看成是裂纹体的岩石断裂力 学的研究，把岩体变形看成是由于岩块相对位移而引起的非连续介质力学( 如块 体力学) 的研究，把岩体变形看成是随时间发展的岩石流变性的研究，以及把极 限平衡原理用于解决某些地下巷道问题的研究。在数值分析方法上，发展了有限 元、边界元、离散元方法以及近几年迅速发展起来的数值方法等； ( 2 ) 伴随地下开采技术的发展，开展了一系列与矿山地压问题有关的应用性 研究： ( 3 ) 进一步发展并加强了现场观测和实验室研究的手段和方法，为进一步开 展理论研究提供了必要的原始数据和资料。 在散粒体介质的岩石力学研究方面，煤矿矿山地压的研究对象一股是板状体 材料，它的变形破坏特征很多可以借助材料力学的理论和方法进行研究m 。 金属矿山和其它一些非金属矿山的岩体结构多是块状结构，从大范围来看， 4 中南大学硕十论文 第一章绪论 在一定程度上可视为均质连续体。因此通常采用连续介质理论来研究，包括弹性 理论、塑性理论、流变理论等。作为地质体的散粒体介质与板块体介质相比，其 工程性质和力学行为存在较大的差异，有针对性的研究不多见。 奥地利学者h 卡斯特奈( 1 9 7 1 ) 在其所著的隧道与坑道静力学一书中，对 无粘结力( 凝聚力) 松散地层的地压问题进行了研究，但并未提出新的理论，而是 仍然继承了“压力拱”和太沙基的基本理论。其先进之处在于，区分了松散地层 和非松散地层，并且详细讨论了松动压力和“真正地层压力”之间的区别； 前苏联a a 鲍罩索夫( 1 9 8 6 ) 用干燥的石英粉细砂和粒度a = 3 1 5 砌的碎石 模拟松散介质进行模型试验，观察了“巷道”开挖后介质的变形特征和支架反力。 显然，模型材料是完全无凝聚力的散粒体介质。 近年国内周小文等人( 1 9 9 9 ) 进行过隧洞拱冠砂土位移与破坏的离心模型试 验研究”1 ，结果表明隧洞拱冠以上砂土在远小于原位上覆压力的支护压力下仅发 生一定的位移而不致塌落，并由此得出结论，若允许地表面发生少许沉降，隧洞 支护压力可以比原位上覆压力有较大程度的降低。肖勤学等( 1 9 9 6 ) 也进行过碎 散体涵洞三维模型实验研究脚，实验结果表明：碎散体亦具有成拱作用，其压力拱 为半椭圆形，并且模型实验的压力测试结果与现场压力监测结果比较吻合。 国外文献中，关于软弱围岩( s o f tr o c k s ，p o o rr o c kn a s s e s ) 中与地压相关 的研究相对较多，如文献 1 0 1 1 1 2 。而关于散粒体围岩中相关问题的论文则 相当少，文献 4 8 在这方面作了一些有意义的研究，作者用无凝聚力和弱凝聚力 砂( u n c o n s o l i d a t e da n dp o o rc o n s o l i d a t e ds a n d s ) 作为试验材料进行了综合性 试验研究，通过超声波( u l t r a s o n i cw a v e ) 等综合测试手段，观察了在三维应力 条件下的塑性变形和破坏特征，并用d r u c k e r p r a g e r 破坏准则对二维应力条件的 试验结果进行了分析，并获得其破坏包线( f a i l u r ee n v e l o p e s ) 。 巷道支护的设计取决于围岩压力的大小和作用方式，周德培( 1 9 9 3 ) 通过理论 分析和模型试验研究了圆形隧道衬砌上围岩变形压力的时间效应问题“”，朱珍 德、胡定( 1 9 9 9 ) 提出了隧洞围岩压力位移反分析原理，具有一定的可操作性。范 秋雁( 1 9 9 9 ) 认为，与软岩支护的技术研究相比较，支护理论研究相对较弱，而现 有的支护理论存在许多不足”】。 关于采空区地压的分析计算，目前多数研究者仍然采用连续介质的弹塑性理 论和非连续介质的块体理论。在数值模拟方法上，有限单元法和离散单元法就是 分别以这两个基本理论为基础的。然而它们尚不能准确描述散粒体的变形行为。 在这一方面，英国学者p a c u n d a l l ( 2 0 0 0 ) 中提出了粒子流( p a r t i c a l f l o w ) 的概 念，即把原来的连续介质假定转向( 可以是) 完全非连续的简单假定( s i m p l ea s s u m p t i o n s ) ，这些非连续的粒子( d i s c r e t e p a r t i c l e s ) 胶结起来可视为岩石，不胶 5 中南人学颂p 论文 第一章绪论 结财可视为土体( b o n d e dt o g e t h e rt o r e p r e s e n tr o c k ，a n du n b o n d e dt oe p r e s e n t s o i l ) ，这样可以更加准确地描述研究对象复杂的全部的力学行为( c o m p l e xo v e r a 王lb e h a v i o u r ) 。这一思想代表了今后岩石力学( 特别是松散体和散粒体介质) 数 值模拟的发展方向。 为适应现代规模越来越大、要求越来越高的岩体工程设计与施工的迫切需 要，地下岩体工程固有的复杂性，破坏过程的动态性、破坏时空趋势的非线性等 阎题，决定了岩石力学的研究方法不仅要求多种方法的集成应用，而且从根本的 思维方式上要摒弃传统的单一的正向思维，进而要走全方位的系统思维，这是有 效解决地下工程阍题的正确抉择。 根据科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门联合优先资助领 域战略研究工作的部署，“十五”期间优先资助的“大型结构和生命线工程灾害 响应与控制”的关键科学问题中，岩土工程系统灾害与环境损伤防治便是其中之 一，针对岩土体多介质的多相、非坶质、各向异性的复杂环境特点以及大规模地 下开挖工程和今后大规模地下空间利用的诱发灾害和环境损伤，重点研究工程灾 害的相互作用、灾变行为以及防灾减灾方法和新技术， 从岩石力学研究与分析方法发展趋势来看，就目前人们对岩体的认知水平及 其可应用的分析手段来说，对每个其体的岩土工程进行科学分析，并籽分析结果 真正应用于指导实践的较好做法，是各种方法的集成应用。它既不能因为经验的 定性局限丽受到忽视，也不能因为理论分柝可靠性低而完全不觚考虑。反思维的 方式束看，传统的岩石力学分析方法，不论是理论分析还是数值方法，都是一种 正向思维，有人称之为牛顿时代的思维模式，既从工程对象豹必然性岛发，狠据 实验建立模型，处理本构关系，在特定有限的条件下求解，反映在模型研究上就 是就是根据已有的公理、定理或理论，再规上特定条佟下的假定，遥过推演得笺 结果。这种传统的方法至少在今天还不可能将岩石力学f 司题的研究提商到一个全 新的高度。 如同自然界的一切不确定性系统一样，如果将地下岩体也视为一个不确定系 统，用系统思维、反馈思维、全方位思维( 包括逆向思维、非逻辑思维、发散愚 维甚至直觉思维) 对岩体的行为进行研究，已经开始引起人们的注意。于学馥 ( 1 9 9 5 ) 在岩石力学新概念与开挖结构优化设计序言中详纲阐明了这样的一 种思想；蔡美埠( 2 0 0 1 在金属矿山采矿设计优化理论与控制理论与实践 中提出了“动态设计”和“系统优化”的采矿设计优化理论，建立了“基础资毂 采集一初选方案确定一多方案定量计算分析一多目标优化决策一现场监测和反 分析一修改和完善设计”的完整优化系统。针对采矿岩体的非线性和采矿过程的 多步丌挖特点，成功地将数值分析、人工智能、计算机仿真等现代化科学技术和 6 中南大学顾l 一论文 第一章绪论 非线性、不确定性分析理论应用于采矿设计优化的研究，为推动采矿设计从传统 的经验类比、确定性分析阶段上升到科学的定量计算和不确定性分析阶段做出了 贡献，并系统地将人工智能与非线性动力学耦合技术、数据祸合与神经动力学耦 合技术，智能过程监控与实验技术结合起来，形成“岩体智能系统思考” ( i n t e l li g e n ts y s t e mt h i n k i n g ) 理论与技术体系。 伴随着对岩石物理力学性质认识的逐渐深入而不断发展的，所有理论及方法 始终围绕着如何正确反映和预测岩石力学性质和行为。与此同时，岩石力学的基 础研究的成就也就极大地促进了岩土工程建设的发展、技术的进步与方法的变 革。有关岩土稳定性方面的研究已经取得了很多成果，包括理论体系的建立、发 展和实践经验的积累、推广1 。然而，迄今为止，岩土工程稳定性问题的研究和应 用依然是岩体力学研究的难题之一。这主要是由于岩土工程失稳是一个相当复杂 的过程，它有许多因素共同决定的。如岩体的强度，节理、裂隙的发育程度，含水 的多与寡，工程深度及尺寸，支护方式与结构等。众多因素耦合到一块，经过一定 时期的发展、演化，最后导致工程结构的突然失稳。 综上所述，开展非线性地下采空区稳定性分析及应用方面的相关研究，有巨 大的理论意义和工程应用价值。国内外采空区灾害的研究主要集中在： ( 1 ) 建立采空区模型，运用数值分析方法分析影响采空区稳定性的主要因 素； ( 2 ) 运用各种理论对采空区的稳定性进行安全性评价和预测； ( 3 ) 优选技术可行、经济合理的采空区处理方法对采空区进行有效处理。 其根本耳的是消除采空区隐患，杜绝大规模地压灾害，确保矿山安全生产，实现 矿山的可持续性发展。 l 2 ，2 采空区稳定性研究方法 随着我国经济建设的快速发展，涉及岩体的工程建设项目( t g 电、矿山、交 通、海港等领域) 不仅越来越多，而且规模越来越大，在整个国民经济中占有举 足轻重的地位。岩石力学的研究对象是多相( 固、液、气) 、各向异性的裂隙岩 体，因此它不是一门单一的学科，而是由多学科相互交叉、渗透、依赖而派生出 来的- - i 边缘学科。岩石力学在岩体工程上的表现形式不但与地质条件密切有 关，而且也取决于工程类别、施工工艺、支护方式与时间等。这些特点决定了研 究岩石力学及其工程应用不仅是一种单一的方法，而是多种方法、多种技术的综 合性研究，这种综合性研究方法自9 0 年代起已是不少岩石力学专家的共识，是 2 1 世纪岩石力学与工程发展的主要方向“”。 7 中南人学硕士= 论文第一章绪论 保证生产安全和降低工程费用是研究岩石力学的首要任务。为此，需要在地 质勘探的基础上进行科学的初步设计。以期达到生产上安全、经济上合理。然而， 由于岩体介质的客观复杂性，使得至今这一工作主要还是依赖经验的方法，即工 程类比法。但经验不过是对以往典型工程的总结，尽管从现在来看，它仍然是十 分重要和宝贵的，并且通过实际施工过程中对岩体表现出的一些定性观察，亦可 总结出岩体的某些行为特征( 即工程师头脑中的经验) ，但这些还只是定性的， 不可能全面反映岩石工程与力学行为的本质。加之每一项具体的岩土工程项目都 有其自身的特点，使得经验方法在某些方面不能做出科学的决策，从而以增加工 程费用作代价。另一方面，正是由于岩体介质的客观复杂性，使得人们致力研究 了一个多世纪以固体力学基础理论和以经典数学为基础的岩体理论分析至今不 可能完全取代经验的方法。 地下岩体是经历地质构造运动重新建造和改造的地质体的一部分，是非均 质、不连续、非线性的复杂多变的地球表层介质。地下已知的地质环境、施工条 件和岩体力学形态的参数，通常是不完全的。其误差之大，通常达到百分之几十 以上，以至相差数量级别，这是一种典型的结构不良闳题。地下工程只能在这种 基础信息极其匮乏的条件下，在这种模糊的工程环境中，利用一切可以利用的技 术手段，集成多因素耦合分析。做出设计与施工决策，并对工程的安全和经济承 担技术责任。 采空区稳定性研究主要在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行，如1 9 0 7 年， 俄国学者m 普罗托加科诺夫提出了一种分析地压( 这里是指松动压力) 的理论 假说一压力平衡拱假说，被后人称之为普氏理论。在相当长的时期内，该理论具 有一定的统治地位。起初普氏理论并未指出它的适应范围，经过后期人们大量的 实践证明，它可以适应于土体或松软结构的岩体；太沙基( 1 9 2 5 ) 把受节理裂隙 切割的岩体视为一种具有一定内聚力的散粒体，正是这一假定，使得后来的研究 者和工程师将它比较广泛地应用于士体或松软结构岩体的地压( 松动压力) 计算 中“。对于一般的峰硬岩体并不适应，因为一般的峰硬岩体，难以满足其基本假 定。 波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家从2 0 世纪5 0 年代开始对“三下” 采煤技术、采空区地表构筑物保护和防治技术进行大量试验研究，积累了宝贵的 经验。8 0 年代始，英国，波兰、德国等国的一些学者，如c j f p j o n c e ，s h a n d m s a r g o ，m c ，w a n g ，e r i c c d r u m n 等，相继研究了采空区等地下空洞对公路的危 害性问题。其后，国内外众多研究者也针对地下开采沉陷及“三下一采矿技术进 行了大量研究，形成了矿山开采沉陷学等学科。 研究发现，采空区上方地层可能产生连续性或非连续性位移变形，并具有如 中南大学硕十论文第一章绪论 下特点：隐蔽性。老采空区一般深埋于地下，其特征一般难以弄清，其“活化” 过程难以直接观察；复杂性。老采空区“活化”过程受多种自然和人为因素的 影响，其“活化”机理、过程及其对地表的影响规律相当复杂；突然性。许多 大型浅部老采空区，其失稳破坏常常是突然性的，其塌陷时间难以准确预计； 周期性。老采空区的“活化”是一个长期的过程，可能在采后几年或几十年甚至 上百年后发生，也可能是长期的缓慢变形过程，在发生过明显活化的老采空区仍 有再次活化的可能。如r e 格雷和1 w 普鲁恩“7 1 通过对匹兹堡煤层下沉的研究 指出房柱式开采的老采空区下沉可能在采后许多年后才发生，一半以上的下沉是 在采后5 0 年甚至更长的时间内发生的。比较有名的老采空区突然破坏的事例包 括1 9 6 0 年波兰维利奇h 盐矿某1 4 0 年前遗留采空区的突然塌陷( 埋深7 0 m ，采出 矿体约高2 2 m ，长3 6 m ，宽2 8 m ) 和苏格兰某报废矿1 1 8 年后的突然塌陷等。 综观国内外采空区稳定性研究现状，稳定性分析方法包括预计法、解析法、 半预计半解析法及数值模拟法。 ( 1 ) 预计法 预计法主要是通过计算顶板承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、 地表破坏范围来进行。矿山开采沉陷的预计理论及方法较多，主要有：基于实 测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数l y l 数法、典型曲线法等： 在波兰推广使用的b u d r ，r k - k n o t h e 理论法；在我国广泛使用的概率积分法，以 波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 提出的随机介质理论为基础，后得到刘宝 探、廖国华等的发展，这些方法在采空区的危害性评价中经适当改进后可应用。 另外，还有其他一些预测方法，如灰色预测方法及稳健统计方法、采空区矢量法、 模糊数学方法等，但这些方法尚需实践的进一步验证。 ( 2 ) 解析法 解析法是对采空区进行简化，建立地质模型，再按一定的原则抽象为一个理 想的数学物理力学模型，按照数值方法予以求解，如结构力学方法，就是计算采 空区地下残留峒室和矿柱稳定性的一种常用方法，有单峒室或多峒室弹性地基上 梁模型或拱模型等。 ( 3 ) 半预测半解析法 该方法是预测法和解析法的结合，如b d z e z li 教授在b u d r y k - k n o t h e 理论 基础上引入f o u r i e r 二维积分变换形成的方法。 ( 4 ) 数值模拟法 采空区数值模拟可使用有限单元法、边界单元法、离散单元法及有限差分法 等。其中，有限元方法适用范围最广，发展较成熟，有着独特的优点，可以选用 不同的本构关系，采用灵活多变的单元，尤其适用于覆岩开采沉陷预测这类复杂 9 中南大学硬 论文 第一章绪论 大变形问题的求解。国内外已经有许多可用于岩土工程分析的、比较成熟的有限 元计算软件可供直接使用，如a t ) i n a ，s a p ，n c a p ，n o l m 8 3 。u d e c ，f l a k ，a n s y s 等。其中a n s y s 是一种较好的应用于三维情况下开采沉陷及采空区稳定性计算的 有限元程序系统，为采矿工程岩体稳定性计算和分析提供了有力的工具。 以上稳定性分析方法在国内外都有广泛的工程应用实践。如岩土工程手册 和工程地质手册中介绍了小窑采空区顶板稳定性评价方法及临界深度的计算 方法；周伟义等应用半定量方法、二级模糊综合评判方法及非线性有限元方法研 究了潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性问题，主要探讨了岩溶及采空区岩层 顶板安全厚度确定问题；李满囤研究了小煤窑采空区空洞顶板稳定性及临界深度 问题；余学义对采动区地表剩余变形的预计方法进行了研究。 综上所述，对采空区灾害的研究，在认识论上，走过了对系统认识从封闭到 半开放、开放，对系统行为从确定性到随机性、混沌性，对系统内涵从线性到非 线性的历程；在理论基础上，逐步将传统静力学、近代岩体力学、现代数理力学 及非线性科学理论引入应用；在行为目的上，从认识灾害发生机制、预测其发生 可能到进行灾害控制与治理，走过了从认识自然到改造自然的艰难历程。 1 2 3 采空区处理技术 采用空场法、留矿法、崩落法等开采的地下矿山往往在井下形成巨大的采空 区和崩落空区，这种空区达一定规模就会产生大面积崩陷，会造成重大灾害，如 寿王坟铜矿、西林铅锌矿都发生过大面积采空区崩塌。地下丌采空区处理工作， 是矿山生产继采矿方法、回采工艺之后的工序，也是矿山闭坑或转型前的收尾工 作。采空区处理技术要求高、难度大，一直是矿山岩石力学研究的重要内容。依 据矿床赋存条件及歼采工艺等的不同，采空区处理的技术方法也是各异。研究认 为，不论何种技术方法，都是为了改善围岩应力分布状态，减少应力集中、阻止 岩体超量变形、控制岩移幅度等等，达到消除空区隐患及避免灾害，能够安全的 生产。 采空区处理一般有如下几种形式：崩落采空区、充填采空区、永久矿柱支撑 采空区、隔离与疏通采空区。各种形式都有一定的适用条件和局限性。 ( 1 ) 崩落围岩处理采空区。湘西金矿沃溪坑口回采稳固性较差的缓倾斜极 薄矿脉时，采用长壁式落矿工艺，当开采至一定跨度时，保留2 m 工作空间，用密集 支柱隔离空区，任其上盘围岩自然崩落。 ( 2 ) 充填处理采空区。五龙金矿自1 9 5 8 年复矿开采以来共建4 个生产坑口。 累计采矿量5 0 0 万t ，体积达1 8 8 万叠，8 0 年代中期针对多个连续空区所带来的隐 1 0 中南大学硕七论文第一章绪论 患，曾使用3 5 0 m 大钻孔，采用经破碎的掘进废石加1 5 的水，自流充填至空区。 其中三号坑充填3 万m 3 ，充填深度2 0 0 m 。四号坑充填1 5 万m 3 ，充填深度2 4 0 m 。 ( 3 ) 矿柱支撑采空区。秦岭会矿金洞岔坑口于2 0 世纪8 0 年代开采9 号含 金石英脉，属缓倾斜薄矿体，以上山为自由面向两侧矿体开帮，当开至一定跨度 或在采场中间用水泥砂浆人工砌筑废石垛，或留下低品位原生矿柱，或使用锚杆 联合支护空区。 ( 4 ) 隔绝采空区。夹皮沟金矿8 0 年代开采红旗坑上部中段，使用浅眼留矿 法与中深孔分段留矿法，因矿柱处理后采空区连成片，该矿从采场底部历时5 年 放出1 5 2 5 9 t 的残矿2 4 万t 之后，让不够品位的废石堵死出矿口，隔绝采 空区与作业中段的联系。 经验说明水充填、半分级半全尾砂充填、全尾砂充填采空区是三种高效的空 区处理办法，不仅能有效地控制地压活动，而且成本低廉，后两种方法更有利于 保护地表环境。半分级半全尾砂充填可将地表尾矿库大小减小一半，而全尾充填 只需极小的尾砂库或将尾矿库建设在地下，其经济效益与社会效益是难以估量 的。 1 3 主要研究目的和内容 我l 虱地下开采矿山目| ； 的实际情况是采空区灾害发生频繁，因事故死亡人数 和国外同类相比相对较高，安全生产形势相当严峻，危及到人民群众的生命安全， 对生态环境造成了严重破坏，给国家造成了巨大的经济损失，制约了我国矿山企 业的可持续发展。 长期以来，国内外许多专家学者针对采空区围岩的稳定性作了大量的理论研 究工作，提出了许多控制采空区灾害的实用技术。但是，由于采空区围岩的特性、 应力环境以及地质环境的复杂性，现有的各种数值分析仅局限在定性的分析基础 上，难以对采空区围岩的应力变化的时效性加以准确分析与预测。 实践证明，为有效的进行预防、控制由采空区引起的灾害，减少损失，为安 全生产提供技术指导与支持，对矿山重大危险源辨识、监控、预报、预警是有效 防止和控制重、特大事故发生的关键。本文将针对广东大宝山矿业有限公司铜业 分公司地下开采所形成的大量采空区现状开展相关研究并提出两套充填系统设 计，从而为该矿有效防治采空区灾害提供技术支持。因此，研究具有重要的理论 与现实意义。 本论文研究主要内容为： ( 1 ) 大宝山矿的地质赋存环境及矿岩地质条件特征和物理力学特征分析， 中南大学硕上论文 第一章绪论 以及地下采空区分布状况的调查与分析； ( 2 ) 利用非线性理论分析、阐述地下采空区岩体材料与结构失稳的非线性 特征和岩层运动的非线性机制： ( 3 ) 利用a n s y s 软件，通过数值模拟手段，分析采空区充填与未充填的稳定 ! 性状况，并提出切实可行的处理措施； ( 4 ) 块石非胶结充填系统设计： ( 5 ) 全尾砂非胶结和胶结充填管道输送计算及系统方案设计。 1 2 中南大学硕十论文第二章矿山摹本情况 第二章矿山基本情况 2 1 矿山基本情况概述 2 1 1 矿区地质概况 1 ) 矿区地质 大宝山矿区位于粤桂海西坳陷区的东侧，曲江盆地东南缘，大东山一贵东东 西向构造带与北东向北江断裂带的复合处( 见大宝山矿区地质图2 1 ) 。 矿区内主要发育有两组构造带，即北北西向和北东东向。北北西向构造带包 括褶皱和断裂。大宝山向斜位于矿区中部，轴向北北西，延长