（采矿工程专业论文）铜陵狮子山铜矿特大空区岩移规律及充填稳定性研究.pdf

键陵狮子啦铜矿特大窒区岩移规律及充壤稳定憔职究 专业：采矿工程 颂士生：盛立新 指导教癖： 攮要 本论文簇尽为“铜陵狮子出铜矿毕蕈大空区老移规律及宠填稳定性研究”。主要包括以下 凡个方面静研究肉容： 1 、初步总结丁矿山围岩稳定性研究的历史芹妇现状、存在的问麒和发展越势，论述了采 空送穗定缝熬鸯学判剐方法， 2 、根据锕陵狮子山铜矿顶板和井下脓测系统的监测结槊，分析了该矿岩藤移动的规律， 得出了采空区顶板岩艨在研究期闻处于稳定状态的结论。 3 、剥焉糟王程s d s i g m a - 。三维肖鞭元结构应力分拼程序，对铜陵狮子山铜矿两山特 大采空区充填怍出模拟，由分纸结果可知：在空区分步充填过程中，空区围岩的应力状态褥 羁了一定躲彀着，祷掰是高应为集中分撩医改善较为璃显，僵焉郝魄段将出现片邦帮霹顶： 矿区岩体总体上来说是稳定的。 、奉次g 究孛，遂避涛s d , - s i g m a - 三壤膏疆嚣结辛毒建力努耩程撵波爰萎摩捩复杂静逸下 空间，对矿山空区充填影响作了一些有益的探索和分析对炭似的犬空区充填工程有一定的 借鉴作用。 5 、霹锅羧狮子出锶矿特大空区豹述一疹治理避行了袋塑，建浚该矿缝续辩空区岩臻避行 监测和观测，不断修正所得的空区监测结论。 关键词：围岩稳定性 姆大空区 监测系统 数德模拟 论文类型：成用基础 ar e s e a r c ho nt h er u l eo f t h er o c kb u r d e nm o v e m e n ta n ds t a b i l i t yo nt h ef i l l i n g o fu r u - as t o p e d o u ta r e ai nt o n g l i n gs h i z i s h a nc o p p e r m i n e s p e c i a l i t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ： s h e n gl i x i n g i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t t h et i t l eo ft h em a s t e rd e g r e et h e s i si s “ar e s e a r c ho nt h er u l eo ft h er o c kb u r d e n m o v e m e n ta n ds t a b i l i t y0 1 1t h ef i u i n go fu l t r as t o p e d - o u ta r e ao ft o n g l i n gs h i z i s h a n c o p p e r m i l l e ”as u m m m t d e s c r i p t i o no f s o m er e s e a r c hi s # t e nb l o w ： 】t h eh i s t o r ya n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o n so f t h er e s e a r c ho f r o c km a s ss t a b i l i t ya r e p r i m a l ys u m m a r i z e d 2 t h er u l e so fr o c kb u r d e nm o v e m e n to f t o n g l i n gs h i z i s h a nc o p p e rm i l l ea r e a n a l y z e d 、b a s e do nt h em o n i t o r i n gr e s u l to ft h em i n e ss u r f a c es u b s i d e n c e f r o mt h e r u l e sw ec a l ls e et h a tt h er o c kb u r d e na b o v es l o p e d - o u ta r e ai s s t e a d yd u r i n gt h e r e s e a r c hp e r i o d 3 b yu s i n gt h es d s i g m ap r o g r a m , t h ep r o c e s so fm i n i n ga n dt h ef i l l i n go f s t o p e d o u ta r e ai ss i m u l a t e d w h a t w ek n o wf r o mt h ea n a l y z i n gr e s u l ti s a f t e rt h ef i l l d i s p o s a lo f t h es t o p e d - o u ta r e a ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h er o o kd i m i n i s h e da n dt h e m i l l ei ss t e a d ya saw h o l e 4 o nt h ea b o v ep r o g r a m , am i d i f i e dp r o g r a mo f s i m u l a t i n gt h ep r o c e s so fm i n i n g a n dt h ef i l l i n go f s t o p e d o u ta r e ai sd e v e l o p e d ，w h i c hc a nb ea p p l i e di ns i m i l a rm i n e e n g i n e e r i n gp r o b l e m s 5f i n a l l yt h ea u t h o rh a sp r o p o s e dt h a tt h em i n em u s tm o n i t o rt h er o c kb u r d e n m o v e m e n ta n ds u r f a c es u b s i d e n c es e q u e n t i a l l y k e y w o r d s ：r o c km a g s s t a b i l i t y ； u r t r al a l g es t o p e d o u ta r e a ； m o n i t o r i n gs y s t e m ； n u m e r i c a l a n a l y s i s t h e w s t y p e ：t h e b a s i so f a p n c a f i o n 声明 尊3 ； 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为冥它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：蓉移季日期： 幻。岁彳， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者虢嵌2 绷嗽：瓣、隰, 两o 3 6 2 耍塞堡塾型垫丕堂 l课题的来源及其研究意义 1 1 国内外采空区全尾矿充填动态 利用深凹废弃矿坑堆集废料具有节省资金，有利环境的特点，有条件的企业均能推广应用- 甍圄、加拿大、澳大利亚对闭坑后留下空区用来堆放尾矿应用较为成功，法国还在研究利用阿 尔斯钾矿的一些矿轨储存工业废料的可能性。国内也有一些矿山开展了规模较小的尾矿回填处 理采空区的实践，如华铜矿1 0 万n 1 3 8 尾矿回填，贵州汞矿和新冶铜矿、铜官山铜矿井下也进 行了类似规模的实践近年来，南京栖霞铅锌矿、山东金岭铁矿利用尾矿充填采空区进行了试 验研究工作，取得了良好的效果。2 0 0 0 年8 月中旬，公司、矿山、马院及铜陵有色院等有关单 缸重点对金岭铁矿、南京栖酸铅锌银矿进行了实地考察，对尾矿充填空区有更深的认识。 南京铅锌银矿从1 9 9 3 年开始与马鞍山矿山研究院合作，开展了地下采空区综合治理技术的 研究，经过矿山工程地质、开采历史调研、岩层稳定性监测和地下空区稳定性分析评价等研究 工作1 9 9 9 年决定采用尾泥( 2 0 0 目以下尾矿) 加胶结剂对地下采空区进行充填并对尾泥输送 系统、井下封闭墙厚度、地压监测系统进行了计算与设计尾泥充填至地下采空区量为每年8 万m 3 。实践表明，充填体己经承受部分压力，空区周围岩层有卸压现象，围岩应力状态得到进 一步改善，有力地保护了地表风景区景观。 山东金岭铁矿是个年产i 0 0 万吨铁矿石的中型采选联合企业。采矿有铁山、召口、侯庄3 个矿区。铁山矿区是露天转地下开采的矿山，从南到北分布有8 个矿体，1 # 5 # 矿体露天开采， 6 # 8 # 矿体为地下开采，共用一提升系统。矿石集中在铁山选厂处理，选厂采用先浮后磁的工 艺流程，尾矿排至到1 # 5 # 矿体露天坑内，且在5 # 、4 # 矿体之间筑有人工尾矿坝。1 9 9 6 年坝前 库窖只有2 ，6 万t 。经过技术经济比较，该矿选择将尾矿通过地表尾矿库泄入6 # 矿体采空区， 利用采空区储区尾矿，采空区容积约3 0 0 万m 3 。由于采空区与井下各水平运输系统相连，该矿 采用半承压理论设计并实施了并下封闭墙系统。四个阶段水平共设7 4 个防水密闭墙，墙厚 i 2 m 1 6 m 。井下排水采用高压管打进采空区内管道排水方式，据现场观察，水质清澈。该矿 列运输大巷进行喷射砼封闭淋水，对提升斜井进行注浆堵水。另外该矿在地表安装了尾矿浓缩 设施，尾矿排放浓度提高到4 0 。据介绍该系统建成后，除一处因当地农民乱采造成尾矿泄漏外， 封闭墙安然无恙t 一年来共向采空区排入4 0 余万t 尾矿，效果较好，值得借鉴。 1 2 狮子山铜矿采空区充填研究的必要性及重要性 狮子山铜矿东、西山矿段自1 9 6 6 年7 月建成投产己生产3 0 余年，初期采用房柱法开采。 t 十年代进入盲矿体开采经专家论证采用项板不崩落、空区下暂留矿石垫层的阶段崩落法回 采，采取了一系列的安全技术措施，己安全开采了一4 0 m 一1 9 0 各中段，最终形成了4 0 0 余万 m 3 大小不一的采空区群，成为矿山持续生产的重大安全隐患。对空区处理也曾考虑了多种方案： d 暂不处理，长期监测，任其顶板自行冒落；强制崩落空区项板：用废石充填采空区：基 西安建筑科技大学 _ _ _ _ _ _ _ _ _ w - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 十_ - 。_ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 。1 。_ _ 。1 一一一一 手安全、技术、经济主菩骧鞫这方寨璃_ = 茕实燕，东出矿段强静仅溺采下郝零星枣矿棒， 器子 2 0 0 1 年底闭坑：礴山矿段聪豌正在开采下部的、v t 矿体，邑于2 0 0 2 年底闭蟪- 褥子疵镶矿燕一个鸯案年鞲采焉史静老矿出，己霪浚援个藏矿霹，栖出渖霓犷库痒容7 3 7 万m 3 ，已于1 9 9 0 年闭库；水木冲恳矿库设计库客6 7 0 5 万m 3 。截止2 0 0 0 辑底已排放尾矿5 7 0 酉m 3 ，剥条毅务每疆绞3 每。瓣子啦镊矿爨需建设耨霆矿撵。丽驴出遗楚虢江丘羧蛾带，人多 地少，建设一个新尾矿库，不仅征用大量的土地，投资犬、建设期长而且环境污祭也是个极 为重要秘戆。 基于b 述两方丽因素，狮子山铜矿提出全尾矿窥填糸、西山采织区方豢。并燮辑马鞍山矿 出研究麓。锛凌霄篷公司设诗研究院挥可杼褴研究+ 如暴这方案加戳实藏不仅解凌了4 0 0 余 万m 3 的聚窀区造成的重大寂全隐患。也减较了矿山将建设鼹矿库的经济负撼+ 梅节熊尾矿岸螅 建搜授蔓6 5 1 万嚣( 枢豫全耀矿充填互程费臻) ，节约空嚣处理费掰约1 3 0 0 万元戳及节约1 2 0 荫农田和山坡地的征用费6 0 0 万元，会计将刚毫接经济效菇2 5 5 1 万元，增加库骞3 0 4 万m 3 。具 离器著麓爨济萄娃会效益。 全尾矿充填大型j # 下来空区也存在一定的技术媾题，如密匡稳定性、耀矿毋( 隧收、麾矿暾 渗漏强曩势下葑耀蟪姥捣黧式及稳蹙毪等等；逶遥辩主述瓣蘧避杼了系统掰 究，辩取樗了诅下 研究成粜： t 基零嫫清了拳、嚣出采空送王程遗瑷环境，包括东、谱出并激情况、采空区形态和卷糨、 采空区周围工程地艨以及水文地质等。 2 总靖了茄狡寐、嚣耨子出矿箴岩嚣力学试赣城粟，筹补散了铺永披态下砉看力学试赣和 越w 力学性能试验。 o 。霹获、西氆麓空嚣秘籍稳定往采用多种方法谶行了详价，试为东、籍山采空馘目前赫于 暂酬稳定状态：对窳、西山采空匮金尾矿充填的，办学状态避擐了三缭数值模撵，认为瀑空医瘸 弱密体穗定牲虽然蒋诬，褥造畿蔺部片帮、破坏，德综合势析认为张充填过程中发盎整体跨冒 的哪能性不大。 4 ，鬻空逐鹩充填容稿避行了镄簿，并对东、西由采空嚣全露犷充填与相邻矿敷生产安全 风滁、尾矿渗漏科地下水环蟪影响、地震对采空区穗定性鲍嚣响以及东、嚣出采空醒金莲矿宠 填经辚帮簸慧避蜇了评价毒分析。 本文将在他们已进行的t 作及所取得的成果的基础上，袋取以搬乎出镣扩2 0 会带躬鉴溅资 辩、开采瓷辩，稳定缝详静赞辩、瑰耪备箨霄关资卑牟为基础数锯，以工程地横、岩石力学为糯 论墼础采用现场安地踏卷、实验燮试验、计算机横搬、理论计算簿手段，对狮子出镧矿静卷 移强控锻敲些醑究，鼠丽弼采空嚣躺治理簸莱_ 聒整个矿区豹静层稳定髓况做出分析与评价。 2 塑塞塞塾迸垫盔鲎 2 文献综述 对矿山来说，围岩稳定性研究是一个复杂而叉重大的课题，嵌研究的总体目标为：系统的 稳定注谭 f ，稳定槛熬笈疆趋势疑麦穗臻溅。 矿山地下开果时，谯形成硐察( 采场、巷道、采空区) 的过程中，改变了岩体中原来应力 状态，笼箕是开 窆彤残豹临空囊造藏蚩镩发生交澎j 强淘爨出空瓣使移。如莱老搭蕊强度不足鞋 承受怍埔干其上的载荷。就会产生位移，变形以至予失稳a 长霸璐寨，尽警嚣案稳定；l 越了采犷辩磅帮王程技拳入虽翡足够重撬，毽莲囊予寿髂系统 是高度非线性丰d 极其复杂的，使樗人们对其变形、破坏机理认识模糊，引进的数力理论有时失 锻，难暇定量诧。解凌存程豹滔题。 2 1 围岩稳定性研究的历史和现状 理论上，本| 毪纪二十年 弋潋糯，主饕是古典瓣压力理论辩袋，氆秘予主力擎蒸奉理论解决 岩石力学问题。这类理论认为作用在觉护上的压力是其上覆岩层的重量。可以作为这类理论 的代表爨鸯海鹰fh 8 i m ，a ) ，帮鑫r a n k i e ，鞲。j k ) 鞫苏联学者金慝亮弱理论。涟蕾器挖漂凌静不 断增加，越来越痴的发现表明，古典压力理论不符合实f i j 情况。于是出现了散体雁力不堂上覆 誉 奉秘羹量，焉最莲霾嚣绣落撰内懿砉镕燕鬟，督鞋捧为代表豹蠢太沙基( t e r z a h i ，k ) 帮普氏 理论。但是当时没有认识到围岩嘏落并不是形成阑岩压力的唯一来源更没有认识到通过稳定 圈老鞋宠秀发挥隔音静囊承律磺溺蘧。藏拜，这樊理论氇没膏辩学遮礴定绣落拱懿蔫魔秘形成 过程。六十：年代我国学者于掌馥教授提出轴变论，认为虚力均匀分布的轴比是嵇道最稳定的 鞍跷，冀形捷为鞴强形。并在“鞠岩稳邀辘琵”援律串，旗理论上论述了巷遭方翔、巷遂辘跷 与原岩戚力的关臻。但该理论对于那些受结构面控制的弹性体围岩破坏规樟没有实际指导意义。 貌五+ 每 弋螽期鼯始舂a 剃罱弹鬻性理谂来研究疆岩稳定瞧润嚣，著名豹芬缡( f e n n e r ，) 一塔 黟勃tt n l o b r e 。j ) 公式和卡斯特奈( k a s t e r ，h ) 公式就是这方狮有代袭性的例子，此外，由 予者翡滚变交力，变形秘霉孪阚簸斑。德在藏壤域箨窭了独特贾献，旱在1 9 5 9 年，健就将藏变 理论引入到岩石力学中，1 9 6 1 年将该理论推广到蒜项异性岩体，1 9 8 3 年，他在固际岩石力学学 会fi s r g ) 纂五次大会上提出的巍簇论文，避一莎发最彳者石滚蹙扩容理论。六十年代束，密 现了考虑围岩节理、裂隙的计算解。八十年代，拽国一些科研、设计、教学部门程进行一然重 大工程蠡毫设诗辩 舞了熬霹律孀疆论来诗筹懿实糖，毽它氇存在一些精嚣，懿静第鬻要懿窘石 力学参数还难以确定，对支护设徽前围岩变形量尚缺乏正确的估计，对围糟破坏机理认识不足 并最乏溺砉疆舔、失稳瓣判鼗准捌等等。因藐，剩霜谈壤逾一般最魏捧为设计参考依据。这一 时期也宥人利用块体理论和极限平衡法进行围岩稳窀的分析。 袁鬻矿过程牵，经嚣遇到的溺疆是需甏确定歼挖蓊薏者体鹊斑力帮晓移及其嵌开挖过程中 的变化情况t 以便为设计和施工提供可靠的定量依据。而现有的城论只能解决圆彤或椭圆形巷 淹等麓攀形捩靛酒题，对予咒何形捩复杂静境硐f 鲡采塌躐采空嚣) 弼要嗣数毽横撒方法亲近像 3 堕窒蕉篓型垫盔堂 解。 随着电子计算机技术的快速发展，特别是八十以后，数值模拟方法有了长足的进步，它已 盆成为围岩稳定分析的有力工具。这一点可以通过大量的文献资料和科研报告得到证明。这类 方法包括：有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析解法、离散元法和无界元法等等。其 中，边界元法是七十年代兴起的一种方法，由c r o u c h 首先将用于解决层状岩体的开挖问题。半 解析解法的基本思想是y k c h e n g 子1 9 6 8 后提出的，它适用于解连续体中高维、无限域及动力 场问题。离散元法最早由c u n d u l l 于1 9 7 1 年提出，是解决离散非线性体问题的一种重要方法。 无界元法是为解决有限元所遇到的计算范围和边界条件不易确定的问题而提出的。有限单元法 由于其独特的优点和成熟性，在工程实践和科研中至今仍应用最为广泛，并且经过这些年的发 展，叉补充了一些新观点、新方法。 数值模拟现阶段研究主要侧重于数值法之间的耦合今后的研究方向将是数据库与数值方 法的耦合，随机理论、模糊数学、专家系统等不确定分析方法与数值方法的耦舍。特别是专家 系统理论与数值方法的耦合将得到更大的发展。 在数值模拟技术得到充分的应用的同时，针对非线性是岩石( 体) 力学行为的本质特征， 近几年，已有不少学者将非线性科学理论应用于围岩稳定性评价中。这些理论的代表有：耗散 结构论，协同论，灰色理论，分叉和混沌理论，突变理论，分形理论及重正化群理论等。后勤 工程兵学院郑颖人教授建立了分叉理论与岩体系统失稳准则的关系：中国矿业大学谢和平教授 系统地研究了分形理论，对岩石材料的损伤与断裂取得了重要的成果：成都理工大学秦四清博 士唇提出了岩体失稳的灰色突变预测方法；东北大学冯夏庭教授根据智能科学( 人工智能和神 经网络) 和系统科学的基本理论，提出了岩石力学理论发展的新途径一智能岩石力学 i n t e l l i g e n tr o c km e c h a n i c s j ，智能岩石力学从系统科学的基本观点出发，运用智能科学的 理论来研究岩石力学的问题。 1 9 9 3 年，北京科技大学于学馥教授提出开挖理论是建立在热力学的能量积累与耗散的基础 j = ，认为i 程与地质必须相融合t 并引入现代系统、信息、控制、功能、突变、智能，优化、 离散、模糊等理论结合、交叉而形成的。该理论认为：( 1 ) 岩石属记性材料；( 2 ) 开挖属于事物 科学概念内涵不确定的系统问题：( 3 ) 工作面是变动的，每开挖一步系统结构结构变动一次，在 岩五具有记忆性的条件下，各次开挖的应力( 变形) 都具有记忆：( 4 ) 开挖系统是个具有自组织、 自我调节能力和突变特点的动态过程和稳态平衡问题。该理论采用定量化、模糊化与经验化相 结合的方法。 以上方法和理论的介入为围岩稳定分析注入了新的活力。上述新观点、新方法已经在某些 方面取得了满意结果可以说是对传统方法的补充。这些新的思维有可能成为解决目前围岩稳 定性问题的必经之路，应进一步深入研究。 2 2 围岩稳定性研究存在的问题及发展趋势 4 一 堕塞堡篓塑望盔堂 岩石南学是一门与实浅密弼嘏燕鹃擎辩，结合器体豹王程实践搿震砉侮稳定镁努辑帮鬈体工 程设计万法的研究是一条最直接最有效的研究途衽。目前，国内外比较公认的岩体力学分析和 学俸工赣设计方法懿步骤是： f 1 j 对场进行工程研究鉴定主臻岩体的地质特镪和地质力学性质： t 2 j 据蛹缝豹工程速袭特征帮主簧者俸懿魏痿力学链震，疆密者锩力学模鍪： t 3j 选择分析i 十簿方法进行预设计； t 4 ) 程辘工过稳中盆测密体工律状态，确定卷体豹力学槛质，豫粥岩舔厦疲匏主簧摸型，并修 槌设计，使之符仓实际。 在璃阶段。鬻砉稳定蛙研究撑在魏弱簇及发囊趋势可惑结为班下凡个方瑟： 一1 ) 岩体是一种经过漫长的复杂的构造运动历史过程的地球介质它是非均质性、各向异性和 不连装翡复合结构体，褥嚣孪遣整一释漉窝体。西藏，连续舟覆力擎的理埝孀予岩体存在整薄跟 性，今后縻加强适合于岩体结构的不连续介质力学的理论研究，进而提出具有岩石特点的本构 蓑襄。建立适合予岩力擎与工程酶者石非线娃静力和动鸯系统璇论终为2 1 世纪瓣石力学理论 撮展，同时也是围岩稳定性研究的突破口。 t 2 j 遮琏力懿存在燕健岩体与其它人王豺辩骞镶犬送剐酌原因之，应大力热强簸老应力溺试 理论和技术的研究，以期获得进行采矿设计的精确原始资料。 ；3 ) 觚警蓠蓬鞴主岩石力学测试技术秘发袋来看，蓝测仪器自动他，遥测他是今嚣的发震方向。 扶而提高测试水平和精度，同时采用先进的计算方法处理所得数据，分析监测结果。 f ) 系统工程豹角度来磁究毽者舔定经润麓。 t 5 ) 数值方法与解析方法相结台，这是今届个必然发展趋势。忽视解析方法是不对的数值 万法静箍屣与瓣耩方法抟发褒是稠豢谨避豹。 t 6 j 岩土工程中非线性科学问题的数值模拟分析，尤其是岩体破坏与失稳的分叉、混沌数馕模 搬、菩静教擅方法相互耩台，使结构赦刭台理静离散，使复杂的者律结构避一步简化，达澍计 算上的离散和经济。 。? 理论、模掇、理场蜜测三释方法相络含、赠补充班挺赢对瑶澍稳定链的认识，及时准确进 行安全预报。 2 。3 采空区稳定性豹理论分斩 几个世纪以来，人们认为覆辫沉陷地震损害摄大多数地下开采的必然结果。从上世纪中叶 开始，这种邀表臻害己瓣避表建筑韧、鞫艇秘、道路帮表驻带来严重破蟒。矿出巢空医的突然 塌陷除对地下作北空间构成极大的威胁外，对地袭构筑物的危险影响也是非常大的。世晃器国 颡矿出殍爱 | 发豹遍表崩灞事蘸时宥发生t 蓬内出予遣下采动影构造成地袋塌陷及陡坡滚弑的 事故也下鲜见- 研究矿区山体稳定与安全宵，瞢重大的意义和作用。山区岩体的采动影响地表岳， 与平摄嚣豹不葡乏娃在予，除了袋动位移禹变影多 ，增热了遗形鞠素引起的位移与变形，因而 s 强塞堡塾登送盔兰 育对彩残滑琏、陵嶷囊璃帮滚等灾害，瓣垂医毒雪镶建筑、交逶遴龉、袁滋表籁浚藏等造簸重 大破坏。我国南方及西南地睡的矿山多位于山区，这必问题十分普遍。 2 3 1 空区稳定瞧豹力学努辍 由于菜场空间的复杂性，开采范围的渐进性，又加之地质体的多样性和不连续性采场顶板 稳定洼翡灌论研究多属鞭程平藿溺题，疆擞或粱豹结擒形式缓设兔主。实辩上，在金疆矿出多 中段开采中，采空匿最终影成一体的情况下，采空区沿走向和倾向上的尺寸相差明妊不强。平 霾溺题的孵蛰与安鼯凌态不特，盛耀缝不大。嗣空润三维敬态下嚣采场璜教受杰交彭麓簿避行 繁窀愿受力奄形分析计算，是最理想的理论研究方法。 霹长簿院不大酌鬻空嚣硬板静空趣镶设苏受馥边銎定静板结稳较免符合实器，萋子磁嶷空 闻所处的介质为弹性均质备向同性的。由弹性力学理论无论采用板式结构还是粱式结构三= 缝空藏蠢髓的隶解裔平衡方程： 挈+ 娶+ 睾+ 舅：o 盘国统 笠十盟+ 堕+ y ：o 几何方程 砌 6 。2 _ ； 鼎 挪 6 r 2 面； 溯 o z 一”： 沈 广义虎竞定理： 枷o u 。9 酝。却 7 。宴+ 娑 ( 2 2 ) 。” 舯薇 “ 瓠锄 y d 。_ + _ 础 s ，= 害墨。一弗一；l s ，= 吉 o ，一v ( 时a 。) 1 e 。= = 刍b ：一v b 。+ a ，) 】 1 l b 。百v 7 ”2 石 l k 。石“ 6 ( 2 3 ) o弘 蔓 笠黟 十 & 蔓赫 踅室蕉垫墼垫丕堂一 辖为 从广义虎克定理，姒应力边界条件求解采空谣顶板稳定性问题较易傲到，又宵应力边界条 x ，= g x # 丐舟掰+ t 矗露 l 一 ，怕y 删十t f 月 ( 2 4 ) 五= 毒搿z + 下抖辨+ g ：雕 事实上，抛酐采空区所处的地质体为非连续和各向异性体，同时在整个采矿潋程伴有地下 承作羁帮议失妥秽溪动送一实骣壤嚣不滚，莰敏辩牲力学燕震邂笈耱毒下粥滔程镶绞蓦采空区 疆力问题理论的可解性： 1 ) 瓣鬻空区璎嫒是按粱还是接教静缓设，当袋璃走彝畏褒t 岛矮巍跨囊l 懿懿镳1 l 2 3 时，按擞的假设夔接近实际： 犍，筹接扳豹锻设，对嚣层竣豢体如何确定羲厚； ( 3 1 檄的边界獭围如何确定： f 4 ) 鬏懿支承状态是嚣定还是铰支： ( 5 ) 当空区顶板处于倾斜状态时，作用柱板内沿倾斜方向的表筒力和内部向下山方向适渐增 蠊懿 奉力鞋方程求瓣淘题戆撵瘸； ( 6 1 尽管项板下沉可者作为小挠度问题，但由予岩体所具有的抗压不抗投的特性，使得达到 奎区璎教誊石撬羧强瘦弱者石蓄毙疆坯譬落，这静破蓼弱结栗镬褥扳菸厚发不断交纯，最终藏 拱的方向发展，使按板的求解的难魔很大，所得结果捃用性币强。 2 ，3 2 采空区稳定性懿力学舞裂 把采窀区顶嘏作为粱的研究正在方兴束艾，并且也己取得较多成果。按梁的假设是在妖跨 比较太懿馕提下，毅变形较大豹、袋窆区是囊中鞫帮谴静损叛按串蟊鞫鼷避行癸攒。僵是辩金 属矿山倾斜矿体，无论现在所做的息臂粱、砌体粱和铰接梁假说，都柯两个问题未研究到： 曩题一，垂熬羲理论辑宠藏皋卷是醚簇捩豹蠢接颈、老项麴豢凌亲确定砉梁静舞整，遗在 煤矿i 【j 的沉积岩构造中转通用但衾属矿山的矿体成矿结构使其不具有层状结构它的梁高如 何臻定： 问题二、无论金属矿山还是非盒属矿山，矿体倾斜状态对采空区顶板髓力所带来的影响以 疑或拱理论，麸理论主磺炎豹缀多。 从目前情况来看一方面，所揭示出的矿体采空区冒落形态多以现场观测结果为依据另 一宵覆，瓣菲残鏖窆嚣项援t 砉体突熬警藩潭壤蕊懑多在l o o 1 5 0 m 潍下垂露统诗臻祭，其潦因 在理论上研究的不弗。 虫予受多饕采矿方法秘多孛段并采等鞭素静彰穗稻千撬，测试覆始掬撩应力菲鬻困难。计 ， 西安建筑科技丈学 冀孛选载骏壤菇，箨班蘩力为主蘩薛焉办；毵彝免接不溺辫缝遗敬誉同截疆力系数计算褥蹴。 4 力学模型赡虚与计算：采空区受力地图2 1 。 一_ = r 1 了r r 1 y 粜斑区上：考岩体自重，n m 3 ；a 荣空匡倾角 h 塑鲤琨郎埋耀，i n l4 岩体的泊松比 一撼蕊克幕效， = # 1 0 - h ) 图2 1 采空隧蹙力状态露 浍x 辩酾y 辍穷两蔫载壤度分剐为： 馥二 孽，薯。= = g t 。尊) g 二：墨群) = r s 融稿p f j 一是i t a a a ) d m a i q y ( x ，d ) = q ux ，口) + q 2 y ( r ，掰) ：，c 0 9 4 n + x ( 1 一，1 1 t a n a ) s i n a 】 ( 2 5 ) q l = 1 + 九t a n 口； q l = 嚏一九l a n 日 设妥空嚣在矮辩簿囊方离上静支承兔两穑覆定豹遗赣惠缝鞫。按结构为学率静力学方程嚣 戚瓶阵形式宵： 陵瓣旧 毅垂拳酚定绻搦为豌支粱。其受力露觅鉴2 。2 ： 簿支礤a 处的弯矩地为： 竣。；潲。汪3 帮卜q l s i n 尊) 一瓠3 糟一岛符豳靠j 碗绔剐解出： 6 一面l ；屯2 去；8 ”= 嚣l ；= 毽。= 壶 ( 2 ，6 眵心帅 o 0 澎擎 登塞堡塾瑟蕉盔兰 由此解出全部辞支反力 耐= 酣l = 萤2 2 按擒支粱诗算篱鹜 t l s i n a ( 、3 h + 2 f f 2 2 l s i na )6 、 z， ( 2 7 ) 在距a 点x 截藤处懿弯矩m ( x ，8 ) ，鞋装下弦受控力巍歪： 州_ 口，一号笋 z q ，妇甜s 敝2 一触( + 未q ，妇a ) + ( 耳+ ；q ，醯对) 1 x 蹙懿鞭囱秀# ( 置8 ) ，戮僮矿髂矮撮蹙纤维受控力为忑： 因为岩体是脆性材料用第一强度理论即摄大接应力理论判定辫石的破坏，但当采空区硕 投豹崖力炎压建宠瓣，蠲莲旋力来判定岩镩静璇琢。谯采空区瓒扳静瘦力为： 9 、口、“， - 蠹 - 爨 砖 翩 - 妻 蓦 q 岛 厶 ，。卜 ：一 g 弘 弘 “ “1 ，“1 缈 竺心竺?警。孥警半 刁刁 曩 ￥鬟 q c ： om，一m 持 笋产 讧一 皿一 | f = ， f 8 西安建筑科技大学 m 小a 础) 十o f k 小掣y + 掣 半陋+ q 2 r s i l l a 卜( 6 h x 瑚：x 2 幽d ) 】 式中： ，a 一采空送顶板粱静侵缝矩鞠梁横截瑟积 y 一雅中性轴的距离，m ： 。x a ，一由辕自控伟或压缩g | 超的菠力： o 。“n j 一由粱的弯般引起的艘力。 粱韵横截嚣攒往矩可辍据下圈求出： ( 2 8 ) 图2 3 粱横截面中性轴位颦计算豳 因港余震矿国岩石多黻硬岩为主，新戳可按弹髓缝材辩考虑者石力学馈质。h 2 、h l 的离度 分别由岩体的抗压强度和抗拉强度确定，并注意到当粱承受下部受压的弯矩作用时，用岩体的 抗压强赛控镯h l 的蔫度。程弹缝范嗣内有： 磊2 = 墨建 u f 冬 d 。生 d 1 蕊高： h = 鱼+ 也= 魄( d + 1 ) 两梁横截面静惯缝矩为： j = f y 2d a= ( + 汜，) = 0 痧 l y k f j 一 6 一 里墓建塾登焦盔芏一 校据工程实际帮岩谇其有抗拉谥褒低静特缝，馘串缝鞠瑷下靠邋空嚣颈袄娃岩侮韵抗控强 度确定h 。，并兼顾岩体的抗压强度，取沿矿体走向一单位长度为研究对象，即：b 。h 由截面处 与襁对露( x ，a ) 平衡条 争解褥： 羔：粥0 当：m o ( 2 1 0 ) 式中：m 一计舞点簸弯短，班傻粱下黼纤维受控力为正，当m o ， 一列= 毡 i 0 。 空区稳定 极辗早衡 失稳 双对极限平衡和失稳状态进行力学分拼，见图2 4 ( 2 1 1 ) 谭f 0 舞擎 a ) 籍_ h 蝴 强强 匿2 4 基于自支承粱理论的巢空区穗定性刿定分析整 穗2 。4ta ) 中的拱形状袭示了开采看所形成的自吏承粱的形状与聚空区倾斜跨度上的弯躐 密切相关，即在弯矩最大处所要求的自支承粱的高度也最大。拱形的蠡支承粱的高度分布这所 以矮端它称之为粱，建因为谚离度分布形状仍熬是基于絮的理论嚣出的。 ( 】) 极限平衡状态；空区顶根无运幼趋势，系统对空区项板处的总能量u 即为皇支承粱酶势 能i 位能) u 。： 玲一 一” 萎老。 耍塞堡堡型垫丕堂 式中：g 极限平衡状态下，空区顶板上方自支承梁的重量； y 。一自支承梁重心对空区顶板的距离。 ( 2 ) 失稳状态：进入失稳状态。如图2 4 ( b ) 所示。系统的势能成为： u ：= g 见 式中：g 上覆岩层厚度小于自支承梁所需最小高度时，空区顶板上覆岩层的重量： y 。一空区项板上覆岩层的重心与空区顶板之间的距离。 由平衡状态至失稳状态，系统势能减少了： u = ， 一u 2 = u u 2 = g - y 。一g 。- y ：( 2 1 2 ) 根据能量守恒定律，系统将由平衡时的只具有势能的能量表现形式向失稳时的既有势能又 肓动能的形式转化，而u 即为转化后的动能置级。u 的数值越大，所蕴育采空区发生整体 塌陷的几率越大。 c 采空区顶板的突然垮塌机理：当采空区上覆岩层小于自支承梁所需最小高度，即h h 0 时，空区跨中粱的c 、d 两点不能保证处于个满足岩体抗压强度另一个满足岩体的抗压强度状 态下，由于岩体抗压强度的特征，在空区顶板处的c 点处，岩体首先由于拉应力作用结果导致 出现径向拉伸破坏裂缝。次裂缝的产生又进一步减小了本来就不满足自支承粱高度上的覆岩层 厚度于是岩层内应力再进行重分布，在弯矩不变的情况下，其结果加大了裂缝不断向纵深发 键的速度，趋势是形成与地表贯通的裂缝c d 。具体见图2 5 。 s _ - - _ - _ - - - - _ 一 ，岛吓i j i t n r g 2 图2 5 小于自支承梁高的采空区上覆岩层破坏突然垮塌受力图 在顶扳裂缝发展的同时，空区顶板发生太面积的整体下沉，在近于采空区倾向踌度端部 1 2 西安建筑科技大学 向地表的对应位置，出现由于g 2 空区上覆岩层之半的自重应力所引起的拉伸裂缝e f 。随空 匿项板下沉剧烈，e f 裂缝也加剧发展。 上述过程产生的原因主要是由予岩体内拉应力所导致的，而这一过程也可以认为是缓慢 的，并且可以通过对岩体的几何和物理监测所测得。 而岩体的后期突然塌陷主要是由于岩体内剪切应力作用的结果。e f 裂缝发展的结果使得 无裂缝段a f 的竖向长度不断减小，即面积不断变小，所承担的剪切应力不断降低。当下沉的空 区上覆岩层之半大于它所能承受的剪切力时在a f 空发剪切破坏。空区上覆岩层发生突然的塌 陷，完成它全部运动过程。由摩尔强度理论，采空区最后发生突然的塌陷的备件是： g 2 f 0 + o 沁面) t a n + ( 2 1 3 ) 矗面 式中：c 。市一分别是岩体的内聚力和内摩擦角； s 一a f 面的面积 当取走向上单位长度为研究对象时，( 2 1 3 ) 式的条件为： g 2 r ( c + 。( z ) t a i i 中场 ( 2 1 4 ) 式中：a ( z ) ：a 0 ( v - z ) ； v 口o 岩体抗压强度，m p a ； z 空区顶板的外法线方向。 耍塞蕉塾登垫盔兰一 3 铜陵狮子山铜矿概况地下开采现状及采空区状况 3 1 铜陵狮子山铜矿概况 3 i 1 日区位置和自然地理情况 狮子山铜矿，地处长以南，铜陵市东面，地理坐标东经1 1 7 。5 2 1 1 7 。5 4 ，北纬3 0 。 5 4 3 0 。5 6 。 矿区位于铜陵市东一丘陵带的北缘。丘陵带为低山组成，绵延十余公里，自南而北有逐渐 降低之祷| 矿区地形切割剧烈，高达】0 0 米以上，老鸦岭为其最高点海拔2 3 3 7 米属剥蚀 丘陵地貌单元。丘陵带东西两侧均为盆地。东侧为顺安盆地，丘陵带北面为湖滨低地。 丘陵带的北端，有一天然冲谷，名日铜井冲。铜井冲毗邻三山，南枕老鸦岭，东倚狮子 山西靠青山，北部是其门户。冲谷走向南西一北东，长约1 4 0 0 米，宽约2 0 0 米，矿区本部就 坐落在这三山环抱的狭长冲谷之中。 3 1 2 矿区地质概况 狮子山铜矿位于淮阴山字型构造东翼的中点，处于其中一复式向斜内次一级青山北斜的轴 部及东南翼。地表范围在包村后山至胡村后山一线，南北长约5 公里，东西宽2 公里。构造岩 浆活动比较集中，矽卡岩化作用强烈，形成近北东方向的矽卡铜矿化带。矿化带自北向南依次 分布有冬瓜山、东西狮子山、大团山、老鸦岭四个矿床。其中冬瓜山矿床位于狮子山矿田的北 部，主矿体埋藏较深( 一6 5 0 一1 0 0 0 米) 产于青山背斜的轴部，赋存于石灰纪黄龙组及船山组的 臼云质灰岩硬灰岩中。东西狮子山位于矿田的中部，主矿体埋藏较浅( + 1 5 2 7 米一2 9 3 3 米) 。 产于青山背斜的东南翼，赋存于中生代闪长岩侵入体与三迭纪青龙群的中下部条带状矽卡岩及 内变质闪长岩中。大团山位于矿田的中部偏东，与西狮子山毗连。主矿体产于青山背斜东南翼， 下三迭纪小凉亭底部的钙质页岩灰岩层中。赋存标高一3 4 7 一5 6 2 米。南西部的老鸦岭矿段位于 青山背斜的轴部东南翼。主矿体产于上二迭纪大隆组底部的泥灰岩中，赋存标高一1 7 5 一5 4 5 米。 3 1 3 矿床特征 狮子山矿床共有大小矿体2 3 4 个，其中主矿体1 4 个其余2 2 0 个矿体多为零星散布的单个 工程所见的小矿体，只有2 1 个矿体可以有2 3 个工程相连。矿体规模均不大，最长3 1 4 5 米， 最短仅8 5 5 米，一般为1 5 0 2 0 0 米。平均厚度1 7 米，最薄4 3 米，一般8 1 2 米。东山矿段 各矿体喊存标高在1 5 2 7 一2 5 2 9 米西山为1 4 6 一2 9 3 3 米。 矿体形状：各主矿体的形状有似层状透镜体、不规则透镜体及鞍状矿体三种，而以前二者 为主。西狮子山矿段主矿体的形状为似层状透镜体，其次为不规则透镜体：东狮子山矿段主矿 体的形j | j c 以不规则透镜体为主，其次为鞍状矿体，局部有囊状富矿结。 矿体产状：总的产状为北北东一北东走向，倾向南东，倾角3 0 8 0 。，一般为4 0 5 0 。左 右，但不同地段及不同矿体间则有很大差别。西狮子山矿段，一般走向北3 0 。东，倾向南东， 1 4 耍塞堡篁型垫盔堂 。 倾角4 0 5 0 。东狮子山矿段，由于矿化带受白芒山背斜及相邻的向斜构造影响，而作弯曲起 优。 矿石为单一的原生硫化矿，构成矿体的主要金属矿物有：黄铜矿、磁黄铁矿和黄铁矿- 有 用元素主要为铜，平均含量1 2 0 ，品位变化不均匀。 青山背斜为大通一顺安复向斜之次一级构造，全长2 2 5 k i n ，宽约8 k i n 。为一短轴不对称褶 皱，短轴总体总体走向为4 0 。5 0 。，向北东倾伏，背斜南西、北东两端分别各向西、东偏转， 呈“s ”弯曲。东西狮子山矿段即位于青山背斜的东翼，东翼岩层倾角一般在2 0 。一6 0 。 由于矿区处于青山背斜轴部，加之断裂构造活动及岩浆侵入的影响，使得区内更次一级的 褶皱也很发育遍及全区，根据小褶皱的轴向，分北东向、近东西向、近南北向三组褶皱这 些褶皱通常延伸数1 0 米至数百米多数由于岩体侵入构造形迹受到不同程度的破坏。其中西 狮子山背斜为控制西狮子山矿区的主要构造之一。 矿区内未见大的断裂，特别是无显著位移的大断层出现，但以裂隙带或破碎带形式出现的 断裂构造却很发育。 早期断裂是矿区导岩控矿构造，以近南北向为主东西向次之，少数是北东或北西向，均 为岩浆岩所侵入：主要有大团山狮子山断裂、青山脚东狮子山断裂、包村断裂、鸡冠山断 裂、，j 、冲兰花冲断裂和曹山断裂等。晚期断裂主要有阴涝一大冲破碎带、铜矿冲破碎带、龙 塘蝴破碎带以及大团山断层等。阴涝一大冲破碎带向北西南东方向延伸，从北西段青山东坡 经东* 子山向南东延伸至大冲，长近1 0 0 0 m ，倾向南西，倾角7 5 。8 5 。，宽2 0 4 0 m ，从地表向 深部宽度逐渐变窄，至一3 7 5 m 消失，由一系列平行的破碎面组成，破碎物部分为方解石胶结，部 分仍处于松散状态，导水性强，阴涝一大冲破碎分布位置圈见图3 1 。 一一 受塞蕉簦型楚盔兰 图3 1 胬涝大冲破碎带分布圈 t 酾涝、大渖破碎带；2 - 攒露钻孔；3 - 浅地层勘探线及编号：4 - 异常点验证( 未弛) ： 争负t 6 0 米坑邋水平投影线；6 - 受2 2 0 米坑道水平投影线：7 - 受2 8 0 米坑邀承乎投澎线 8 坑道揭露位鬻：铲消失泉：l o 一抽( 放) 求试验钻孔 爱塞堡篓黧夔丕兰 一一 蔓2 东疆辫子i 瓤矿鞭的舅采现瑰 乐、砸l j 矿段盲矿体主要采用顶板不崩落、空匦下暂留矿石垫层的阶段崩落采矿方法开采a 蘩场莹端参数为：酚段裹4 0 m ，采场垂盏蠢囱枣譬，港走两每1 2 。5 m 翅癸一个果场，孛添魏撰酸 落矿线部结构由电耙道和放矿漏斗组成，回采魁由矿体一端向男一端逐矿块回采，留矿轲和 袭百垫爱；瑗攫任冀基然器露，袭霾采过程孛采敬空区璜教缱移麓潮及劳下建压蕊溺，敲割蓝 棒下甄令牛声目前己安垒生产2 0 余年。 麓出矿黢主矿体j i v 矿臻彼菠靠近，矿俸额角5 5 。? 4 ，走灏嵌3 1 4 m ，拐赣溪霜 璃谴法= i i 聚1 9 7 5 年形成约2 3 万m 3 的采空区，顶板未自行冒落，后经全翻6 7 位专家论证，决 定4 0 - 磷下采臻警錾矿蠢蛰垂静黔裴壤落法嚣采，箨在1 7 # 穷拣燕窝宽为2 5 3 8 m 上辛下竟) 的连续矿丰圭将下部空匮分为南北两个空匿。目前已开采丁一8 0 m 一1 9 0 m 四个中段，形成2 0 0 交万m 3 鹁鬻空送。矿涔爵采己接透是枣，主要器舞下帮懿谨矿锩，生产簸力兔7 0 0 t 硒- i 鸲7 年2 0 0 0 年刑1 7 # 矿柱有计划性避行了部分回采，取得较好的开采效果。两山矿段最低开采水 平为一2 8 0 m ，西出矿段予0 0 0 2 年底溺凌。 东山矿段_ ! 碍采基本和髑山矿段同步，擞产能力为2 0 0 t a 。东山矿段最低开采水平为一1 9 0 m ， i - 7 - f 2 0 0 1 年底溺坑。 3 3 采空区概况 3 ，3 t 彖溺袋空嚣 东山采空医生要赋存子4 3 4 7 勘探线之间 空运慧簿羧1 4 3 3 万m 3 ，最大为谨矿体采空区， 见袁3 1 。 袭3 i彖由