（采矿工程专业论文）柿竹园矿采空区冒落破坏规律研究.pdf

中文摘要 柿竹园多金属矿床呈透镜状分布，自上而下重迭，形成四个矿带。目前主 要开采位于矿带4 9 0 m 水平以上的3 1 5 x 3 1 3 m 富矿段，采区由西往东划分成 四个盘区，每个盘区从北至南分为九个矿块，共3 6 个矿块。矿房间、盘区间均 留1 5 m 厚的连续矿柱。经过二十几年的开采，4 9 0 m 水平以上3 6 个矿块，已采动 3 4 块，仅剩2 块未采。但自1 9 8 7 年矿山开始开采以来，由于矿体富集品位相对 较低，加上世界钨产品价格偏低，以及原料工业比价不合理，矿山经营效益低， 经济实力不足，除保证采选正常运作外，无力对采空区进行充填处理。因此导 致目前累计采空区达2 0 0 万m 3 ，顶板暴露面积3 万m 2 。由于采空区长时间未能 处理，连续矿柱多处垮落，累计长2 4 0 m ，最大顶板连续暴露面积达8 0 0 0 f f ，这 对矿柱回采以及4 9 0 m 水平以下矿体开采造成了巨大威胁。如何结合矿山实际情 况，合理整体规划开发矿产资源，确定安全可行的矿柱回采方案，并且确保柿 竹园矿安全、高效、可持续发展是目前亟待解决的重大难题。 为掌握柿竹园多金属矿床富矿段的地压活动规律，消除采空区的安全隐患， 控制和减少不良的地质灾害的发生，确保矿柱回采安全可行、企业可持续发展， 必须对该矿的开采技术与环境条件进行全面研究。从地压与岩移监控的角度出 发，对矿床矿体的整体稳定性和上覆山体的岩移进行三维模拟分析并进行预测 预报，并及时反馈到实际的采矿生产过程中，对不良区段可能诱发地质灾害的 部位进行综合防治。 本文作者在实地勘探调查研究之后，从影响空区冒落因素出发研究柿竹园 矿的空区冒落破坏影响因素，从矿体的工程地质评价、矿床的赋存环境与矿体 的开采现状分析着手，利用有限元数值模拟方法，对矿体围岩的应力分布、稳 定性状态、矿体开采方式、地压控制方式等研究。参考国内外学者对矿山空区 冒落破坏特征的研究，探索柿竹园矿采空区的稳定性及破坏规律，对比分析隔 一采一与隔二采一两种不同方案回采矿柱的安全性及可行性，为柿竹园多金属 矿4 9 0 m 水平回采矿柱方案提供安全可靠的决策依据。 关键词：冒落因素，破坏探测，应力状态，位移分布，稳定性， a b s t r a c t s h i z h u y u a nl e n t i c u l a ro r ed i s t r i b u t i o n , f r o mt o pt ob o t t o mo v e r l a pt of o r mf o u r b e l t s a tp r e s e n tt h em a j o rm i n i n gb o n a n z aa t4 9 0m e t e r sa b o v ep a r a g r a p h m i n i n g a r e at ot h ee a s t ，d i v i d e di n t of o u rp a n e l s ，e a c hp a n e li sd i v i d e di n t on i n ef r o mn o r t ht o s o u t ho r eb l o c k s ，at o t a lo f3 6b l o c k s m i n er o o m ，1 5 mt l l i c kd i s kl i m i t sa r et or e m a i n c o n t i n u o u sp i l l a r a f t e r2 0y e a r so fm i n i n g , l e a v i n go n l yt w ob l o c k so fu n m i n e d h o w e v e r , s i n c e1 9 8 7 ，s i n c et h em i n eb e g a nm i n i n g , a so r eg r a d ei sr e l a t i v e l yl o w e n r i c h m e n t ，c o u p l e dw i t hl o ww o r l dp r i c eo ft u n g s t e np r o d u c t s ，a n di n d u s t r i a lr a w m a t e r i a l sp r i c er a t i or e a s o n a b l e , m i n eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yi sl o w , l a c ko fe c o n o m i c s t r e n g t h ，i na d d i t i o nt oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fm i n i n g ，t h ei n a b i l i t yt od e a l w i t hf i l l i n go fm i n e da r e a s g o bl e dt ot h ec u r r e n tt o t a lo f2 0 0m i l l i o nc u b i cm e t e r so f e x p o s e dr o o fa r e ao f3 0 ，0 0 0s q u a r em e t e r s a sal o n gt i m ef a i l e dt od e a lw i t hg o b ， c o n t i n u o u sb r e a k i n gd o w nm a n yo fp i l l a r2 4 0m e t e r st o t a ll e n g t h ，m a x i m u mr o o fa r e a o f8 , 0 0 0s q u a r em e t e r so fc o n t i n u o u se x p o s u r e t h i sp i l l a r i n ga n d4 9 0m e t e r sb e l o w t h eo r em i n i n gh a sc a u s e dt r e m e n d o u st h r e a t h o wt oc o m b i n et h em i n es i t u a t i o n ，a r e a s o n a b l eo v e r a l lp l a n n i n ga n dd e v e l o p m e n to fm i n e r a lr e s o u r c e s ，d e t e r m i n et h e f e a s i b l ea n ds a f ep i l l a rr e c o v e r yp r o g r a m ，a n dt oe n s u r es h i z h u y u a nm i n es a f e ， e f f i c i e n t ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sam a j o rp r o b l e mb es o l v e d t om a s t e rt h er i c ho r ed e p o s i t ss h i z h u y u a nm e t a ls e g m e n tt op r e s s u r ea c t i v i t i e s , t oe l i m i n a t es a f e t yh a z a r d sg o b ，c o n t r o la n dr e d u c et h ei n c i d e n c eo fa d v e r s e g e o l o g i c a ld i s a s t e r s t oe n s u r es a f ea n dp i l l a rm i n i n g , s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f e n t e r p r i s e s , t h ee x p l o i t a t i o no ft h em i n em u s tb et e c h n i c a la n de n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n st oc o n d u c tac o m p r e h e n s i v es t u d y p r e s s u r ea n dr o c km o v e m e n tf r o mt h e g r o u n dc o n t r o lp o i n to fv i e w , t h es t a b i l i t yo ft h ed e p o s i ta saw h o l et oc o n s i d e r t h e s t a b i l i t yo ft h eo r eb o d ya n dt h eo v e r l y i n gm o u n t a i no ft h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n o fr o c km o v e m e n ta n dt of o r e c a s t ，a n dt i m e l yf e e d b a c kt ot h ea c t u a lm i n i n g p r o d u c t i o np r o c e s s o fp o s s i b l eg e o l o g i c a ld i s a s t e r sw e r ep a r to fc o m p r e h e n s i v e p r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1 t h i se x p l o r a t i o no fr e s e a r c hi nt h ef i e l da f t e rf a l l i n gf r o mt h ei m p a c to ff a c t o r s s t a r t i n go u ta r e ao ft h ee m p t ya r e as h i z h u y u a nc a v i n gm i n i n gd a m a g ef a c t o r f r o m t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la s s e s s m e n to ft h eo r e b o d y , a n do r ed e p o s i to c c u r r e n c eo f e n v i r o n m e n t a ls t a t u so fm i n i n gt op r o c e e d ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h es u r r o u n d i n go r eb o d y , t h es t a b i l i t yo f t h es t a t e ，o r em i n i n gm e t h o d s ，g r o u n dc o n t r o lm o d eo fs t u d y r e f e r e n c et od o m e s t i c a n df o r e i g ns c h o l a r sm i n eg o bc a v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd a m a g e s h i z h u y u a ne x p l o r e t h es t a b i l i t yo fg o ba n dd a m a g el a w s ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sa c r o s sam i n i n ga n d m i n i n ga c r o s st w od i f f e r e n to p t i o n sf o ro d eo rt w oc o l u m n sb a c kt om i n i n gs a f e t ya n d f e a s i b i l i t y s h i z h u y u a nc o l u m nf o rt h em i n i n gp r o g r a mb a c kt oas a f ea n dr e l i a b l e b a s i sf o rd e c i s i o nm a k i n g k e yw o r d s ：c a v i n gf a c t o r s ，d a m a g ed e t e c t i o n ，s t r e s s ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n ， s t a b i l i t y l 独创性声明 本人声明，所呈交的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，除了文中特n j n 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 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本文的研究目的与意义 1 绪论 柿竹园多金属矿床产于花岗岩接触带的矽卡岩、大理岩中，位于东波一月， 枚复式向斜北段昂起部位，呈透镜状，自上而下重叠，形成四个矿带。i 矿带 主要是锡矿；i i 矿带为钨、铋矿石；i i i 旷带为钨钼铋矿；矿带为钨锡钼铋矿 石。目前采用盘区开采法，主要开采位于矿带4 9 0 m 水平以上的3 1 5 x 3 1 3 m 富矿段，由西向东把该矿段划分为4 个盘区，每个盘区由北到南又分成9 个矿 块，总共3 6 个矿块。每个矿房长6 4 m ，宽2 0 m ，高6 8 m ，矿房之间和盘区之 间均留1 5 m 的连续矿柱，设计使用充填采矿法开采n r 嘲。目前3 4 个矿房已回采 完毕，由于多种原因，未对已采矿房进行充填处理，采空区体积已累积达2 0 0 万立方米，顶板暴露面积超过3 万平方米，其中已有部分矿柱出现跨塌现象， 最大顶板暴露面积达8 0 0 0 平方米，这对矿柱回采以及4 9 0 m 水平以下矿体开采 造成了巨大威胁。 柿竹园矿开采十多年来，原规划地下开采的矿带4 9 0 m 水平以上的 3 1 5 x 3 1 3 m 富矿段范围内3 6 个矿块已采动3 4 块，目前还剩下的2 个的钨、钼、 铋矿块。如何结合矿山实际情况，合理整体规划开发矿产资源，并且确保柿竹 园矿的可持续发展，在矿带4 9 0 m 水平以上不充填采空区累积达到2 0 0 万m 3 的前提下，安全、高效、可持续开发剩余矿床，且要求不发生大面积山体滑坡 和出现大安全问题，是柿竹园矿面临的最重大的问题。 为掌握柿竹园多金属矿床富矿段的地压活动规律，消除采空区的安全隐患， 控制和减少不良的地质灾害的发生，确保矿柱回采安全可行，企业可持续发展， 必须对该矿的开采技术与环境条件进行全面的研究。从地压与岩移监控的角度 出发，对矿床矿体的整体稳定性和上覆山体的岩移进行三维模拟分析并进行预 测预报，并及时反馈到实际的采矿生产过程中，对不良区段可能诱发地质灾害 的部位进行综合防治。 从地压与岩移监控的角度考虑矿床的稳定性，从整体上出发，总的研究思路 为：从矿体的工程地质评价、矿体开采现状与矿床赋存环境的分析着手，利用 三维弹塑性有限元数值模拟方法，对矿体围岩的稳定性状态、应力分布、矿体 开采方式、地压控制方式等研究；对矿体的稳定性和上覆山体的岩移进行预测 武汉理工大学硕士学位论文 预报，并及时反馈到采矿生产的实际过程中；对可能诱发地质灾害的不良区段 部位进行综合防治。 确定采空区应力分布状态、采空区的冒落破坏规律，研究矿岩拉压应力、破 坏范围等状态，进行稳定性分区与地压控制技术措施，圈定危险性分区以及实 现对柿竹园矿区地压灾害的超前、主动防护。 1 2 国内外研究现状 林韵梅嘲等认为岩体是在周围地质体应力作用下承载破裂成结构体的一种 复合介质，在解决各类工程问题时应根据岩体结构特征区别对待。 急倾斜厚矿体应用空场采矿法回采矿房时，如果矿柱回采和空区处理的不及 时，经过一定时间后，随着矿柱被压坏，必然产生较大规模的岩层移动。其移 动形式主要有三种： ( 1 ) 当连续空区范围不大、上盘岩体较松软且受地质构造破坏时，则上盘 岩体由变形到冒落，并以冒落拱的形式逐渐向上发展，直至冒透地表形成塌陷 漏斗，然后向四周扩大。 ( 2 ) 连续空区走向长度较大、围岩稳定性较差、地质构造破坏严重，岩层 错动后于矿体的上下盘地表，出现多道裂缝，一般平行于矿体走向。在矿体的 两端处，上下盘的裂缝呈闭合状态。随着开采深度的增加，上述裂缝不断向四 周扩大。裂缝的部位，一般沿岩体的构造弱面发生。这是金属矿山岩层移动的 基本特征。 ( 3 ) 当开采急倾斜多条平行厚矿体时，有时由于开采顺序的不合理或中间 夹岩较薄，亦可引起岩墙倒塌，造成规模较大的岩层错动。 充填法开采矿石稳定而围岩不稳定的矿体时，使用充填料维护围岩以保证回 采矿房时期的稳定，但其地压显现特征与空场法有很大的区别。 ( 1 ) 充填工作总是落后于回采一段时间，所以应用任何一种充填采矿方法 都不能防止由于采矿引起的应力重新分布，甚至局部产生破坏。 ( 2 ) 采用分层充填，一方面控制围岩的暴露面积和暴露时间，从而提高回 采时期的工作安全，另一方面使间柱两侧充填后，单向受压状态改为三向受 压状态，明显增强矿柱强度。 ( 3 ) 如围岩不稳定而采取不留间柱的全面充填法回采，则充填体不能起到 控制地压活动的良好效果。 2 武汉理工大学硕士学位论文 采用崩落法开采倾斜和急倾斜矿体时，随着矿石的放出，围岩就逐渐崩落。 首先是上部岩石，以拱的形式向上冒落，且拱顶偏向上盘。待其达到地表，拱 顶四周岩石向下滑落，构成一个崩落的楔形体。随着开采深度的增加，楔形体 逐渐下落，形成陷落带。由于回采阶段不断下降，致使上下盘围岩失去支撑， 而以棱柱体向矿体方向滑动。棱柱体内虽有裂缝，仍是一个整体。在地表发生 多条断裂，并形成下沉台阶。 钱鸣高口1 认为：由于回采工作面的推进，破坏了岩体内的原始应力状态，形 成了岩体内的应力重新分布，造成了岩层变形破坏的各种条件，导致了一系列 矿山压力现象的发生。采场矿山压力是由于回采工作面开采后引起的，因此它 必然与回采方法，尤其与采空区处理方法有关。由于方法不同控制矿山压力所 应研究的问题也就不同。例如使用刀柱法管理顶板时矿山压力应研究的问题是 房与柱合理尺寸的决定、煤柱支撑力以及煤柱上的应力分布及其对下部煤层开 采可能引起的影响。对于用全部垮落及充填法时则应了解其前后支撑压力的分 布状态、影响工作面顶板下沉的主要因素、支架与围岩的关系等。所有这些都 涉及到回采后上覆岩层破断规律及其可能形成的平衡方式。 ( 1 ) 岩层的拱式平衡 破断后的岩块呈不规则堆积，排列杂乱，其可能形成的结构形式为“拱一 形。此时形成拱形的岩块间只能承受挤压力而不能承受任何力矩。由于这种拱 形结构的存在就能保证其承受上部岩层的载荷从而使巷道支架只承受拱形内破 碎矸石的重量。 ( 2 ) 岩层的梁式平衡 由于岩石破碎后堆积的体积要比原体积大，这种破碎了的矸石经过压力后 又能压缩一定的能量，但其总体积仍然比原体积大。在一般情况下工作面长度 远比岩层初次来压时形成的跨距大，因此可以将这个板简单视为一个固定梁。 由于这种岩梁的存在，它承受了上覆岩层的重量，并将其传递到工作面前方的 煤壁以及采空区的煤柱之上。若坚硬岩层梁的一端由煤柱来支撑，根据煤柱的 尺寸大小，很有可能具有一定的压缩量，这样导致坚硬岩层并非出于固定梁的 状态，其结果是使固定端的弯矩减小而使梁中部的弯矩增加。 ( 3 ) 梁的极限跨距 岩层梁的跨度在达到k 以前，岩层将起梁的作用保护着回采工作面不受上 覆岩层荷载的影响。此时工作面支架主要承受直接顶重量的荷载。当岩层的跨 度达到k ，时，岩层将破断，直接影响到回采工作面的维护，并且带来了动力影 3 武汉理工大学硕士学位论文 响。由于这种影响比较剧烈，引起了一系列的矿山压力显现。例如工作面项板 可能出现台阶下沉，顶板下沉量增加，支柱折损增加等。 高磊国1 等认为：岩体内存在着一个裂隙系统。岩体既是断裂的又是连续的， 岩体是断裂与连续的统一体，可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超 过其强度时，就会使原有裂隙进一步扩展，或形成新的断裂。而旧断裂的扩展 与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。 在缓倾斜矿体开采中，当井下采空区冒落后，采空区的上覆岩层可分为三 个不同的地带： ( 1 ) 冒落带：它是指紧靠矿体上方的覆盖岩层由于破碎而冒落的区域。冒 落松散的岩石体积将增大，经过多次反复冒落后，顶板覆盖岩层才停止冒落。 ( 2 ) 裂隙带：在冒落带的上方时裂隙带。裂隙带的岩体虽然没有冒落，但 是，由于产生了大量的裂缝，已经使它遭受了严重的破坏。 ( 3 ) 弯曲带：在裂隙带之上直至地表的这个区域成为弯曲带。这个带内的 岩层一般不再破裂，而是在自重作用下产生法向弯曲。这个带的岩体将保持整 体性，其移动过程是连续而有规律的。 在急倾斜矿体开采中，随采场顶柱、间柱垮落破坏后，上下盘岩体将向空 场移动。其崩落过程首先是采空区上盘岩体冒落，并以冒落拱的形式向上发展， 达到地表后，崩落区两侧岩体内出现裂缝，裂缝一般均与岩体中的结构面重合。 被裂缝切割的岩体向空区方向移动，结果在地表形成一长轴方向基本与矿体走 向方向一致的椭圆形塌陷盆地。采空区上部岩体能否冒透地表导致大规模地压 显现发生，取决于矿体走向长度，矿体厚度、开采深度、岩体的力学性质及结 构面的分布组合情况。根据对生产矿山发生岩移的统计资料和实验室模拟试验 结果的分析表明：对于倾角小于6 0 度，走向长度为7 0 0 2 5 0 0 米的矿体，上盘 岩体发生定期崩落；走向长度为2 5 0 7 0 0 米的矿体，随开采深度增加，上盘岩 体将发生悬顶，地面形成的崩落区范围将固定不再向外扩展。走向长度小于2 3 0 米的矿体开采时，仅发生局部冒落。 另外国内一些有远见的工程地质力学工作者，从2 0 世纪7 0 年代起就开始 了岩体工程地质力学数值方法及计算机软件的开发研究工作。至今，随着岩土 工程介质及开挖环境的日益复杂，数值法也越来越广泛地应用于岩土工程的设 计中。康红普西1 用有限元法模拟了软岩坑道底鼓的机理。陈卫忠n 明、朱维申n 妇 用弹簧块体理论进行了节理岩体中围岩稳定性的大变形数值模拟。金丰年n 2 3 应 用非线粘弹性模型，对全断面隧硐的开挖过程进行了三维有限元计算。唐兴仪n 3 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 使用平面粘弹塑性有限元法对隧道开挖后围岩支护体系的稳定件进行了评价。 对于复杂工程地质条件下的坑道而言，由于其自身的特殊性和非线性，一种专 门为岩土工程作线性大变形的显式有限差分软件( f l a c ) ，迅速在岩土工程界得 到了广泛的应用。彭苏萍、孟召平、王泳亮、康红晋、谢和平等分别在煤层顶 板稳定性、边坡、钳杆支护、注浆加固、开采沉陷等领域应用f l a c 2 d 、f l a c 3 d 进行了数值模拟，取得了比较理想的成果。 屠尔昌宁诺夫、约菲斯以及卡斯帕亮n 铂认为：在煤层、矿层或其他有用矿 物中掘进坑硐时，破坏了演示的平衡，结果使岩石产生变形和移动。通常岩石 的移动一直达到地表，使地表也受到变形破坏。在地质构造作用、溶浸作用、 水位降低、岩石力学性质变化以及在其他原因的影响下，矿山岩石也可能产生 移动。因此，所谓矿山岩石和地表移动，是指矿山开采或各种自然作用的影响 下，由于岩石平衡破坏而产生的岩石位移和变形。岩石的移动，常常是从煤层 或矿层顶板的弯曲开始。随着采空区面积的增大，掩饰的弯曲也加大，致使更 多的岩层产生移动，岩石沿层里面产生剪切，岩体中产生切割裂隙和离层裂隙， 这时直接顶岩层往往就破碎成个别的岩块，并产生冒落。在采矿工作的影响下， 受到鼓起的底板岩石也会产生移动。底鼓和底板朝采空区一侧挤出，是由于它 卸脱了上覆岩石的载荷和矿山压力进行了重新分布。在移动过程中，岩石的体 积会发生变化：在压力增高带中，岩石被压实，而在冒落带中岩石受到松散， 松散的岩石，其体积增大，充填了采空区，并形成了上覆岩层的支座。 受到开采影响的岩体，按变形的性质和程度，在一般情况下，可以分为七 个带，分别是冒落带、透水裂隙带、平缓弯曲带、煤柱上方支撑压力带、煤柱 下方支撑压力带、卸载带和岩层沿层面滑移带。冒落带直接位于回采区上方， 岩石变形最大，并断裂成岩块。透水裂隙带位于弯曲的岩层中，并且出现于弯 曲层成法线方向的裂隙和沿层面的裂缝。平缓弯曲带则出现平缓的弯曲，但这 一带中产生的各个裂缝在层面法线方向上彼此并不连通，而且也不会发生裂缝 向巷道透水的危险。煤柱上、下方支撑压力带的特点是其垂直方向内的应力和 压缩变形都比其他岩体增大。卸载带中，岩石则在垂直方向出现拉伸变形。 多尔恰尼涅夫n 钉等认为：水平压力很大时，坚硬岩体中的矿山压力主要表 现为下列形式： ( 1 ) 在高应力作用下，岩体或支承压力区内出现瞬时的脆性破坏，破坏时 发出响声并抛出岩块和碎片，其重量为几百克者为岩射，其重量达几百吨者称 为岩爆。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在高应力作用下，岩体或支承压力区内出现渐渐的脆性破坏。破坏的 形式主要是巷道围岩脱皮剥落，也可能同时发生少量的岩射，随着破坏时间的 增长，巷道断面慢慢增大，可达原设计断面的1 5 2 倍。爆震的动力影响将加 快破坏的进程。 ( 3 ) 在静应力和爆震的动应力作用下，巷道围岩内渐渐形成破坏区并得以 发展。破坏的形式是裂隙渐渐扩展，并发生沿裂隙的剥离和掉块。 ( 4 ) 在巷道围岩的风化区裂隙发达，岩体强度减弱区出现坍塌。 矿床开采的厚度和面积很大，因而使得采空区跨度往往和覆盖层相当或超 过其厚度。在这种情况下地表将对采空区周围的应力分布产生影响。只有当覆 盖层厚度和采区跨度之比大于5 0 时，地表对于采空区周围之应力分布的影响才 停止。 布霍依诺n 阳认为控制岩层破坏对于确保矿山安全生产十分重要，只要外载 大于承载能力，岩层就必定要破坏。导致岩层破坏的决定性因素不是矿压本身， 而是它与岩层强度的比值。 岩层破坏的规模和延续时间差别很大。就规模而言，可从个别矿山工程的 围岩产色和那个裂隙或破裂起，直至波及到地表的煤层撒谎能够放所有岩层的 大范围移动；就时间而言，有缓慢式和冲击式破坏两种类型。缓慢式破坏时岩 层破坏的主要形式，其中最常见的是顶板离层、底鼓以及片帮。波及到地表的 上覆岩层移动也是缓慢地发生的。由于条件不同，上述这些破坏过程的延续时 间可能是几周、几个月或几年。 矿山坑道开掘后岩体应力重新分布的一般规律是：被挖去的岩体部分原来 所承受的载荷，转而由留下的实体岩体部分所承担。巷道掘出前，垂直压力均 匀分布；掘出后，巷壁附近其值上升，至距巷壁某一距离后开始下降，并逐渐 收敛至开掘之前的值。巷道开掘后，其上方的岩柱重量失去支撑，而且巷壁附 近松动带的支承力下降，这两部分承载能力损失，将由巷道开掘后形成的附加 压力的总和来补偿。对于足够坚硬的岩石，压力峰值通常就在巷壁附近处。采 场形成后，同样会出现岩体应力的重新分布，其分布规律与巷道的相似，唯一 不同的是，在于采场形成后而失去支撑的部分覆岩重量可由采空区来分担。在 应力重新分布的整个过程中，伴随着直至地表的以多种破坏形式显现的岩层运 动。 随着现代数学和力学的发展，岩土工作者致力于数值法的研究已成为工程岩 体力学计算的主导方向，尽管由于受地质体客观条件的限制而难以给出定量解， 6 武汉理工大学硕士学位论文 但各种数值算法还是定性地模拟了地下工程开挖后工程岩体的力学行为。早在 2 0 世纪6 0 年代，z i e n k w i c z n 刀、c o o d m a n n 引、d e s a i 等就将有限元法引入地质力 学研究中。 美国矿山局十分重视在矿山设计中的应用数值分析的研究，2 0 世纪7 0 年代 早期，矿山局丹佛研究中心采用有限单元模型模拟了地下采矿坑道稳定性问题， 同时还专门研制了a d i n a 程序用于模拟分析采矿岩石力学问题。到2 0 世纪8 0 年代，矿山局扩大了数值分析的应用范围，丹佛研究中心进行了煤矿长壁坑道 煤柱设计和顶板破坏的分析研究工作。斯普肯研究中心进行了采场设计以及顶 板支护系统的数值分析研究工作n 引。 c f a i r h u s t 全面论述了岩土工程中的各种数值方法的特性，重点介绍了 f l c 应用的岩石力学原理和各种模拟方法，并在矿山采场开挖和加固中得到了 具体的应用。 1 3 本文的主要研究内容和方法 ( 1 ) 调查研究影响采空区冒落破坏的因素 岩体的稳定是个相对的概念，在一定的时间、空间以及工程地质条件下，当 岩体应力大于岩体强度时，采空区围岩就会出现失稳冒落现象。空区围岩稳定 性问题主要是岩体强度与围岩应力之间的矛盾问题，但是矿床的特征、采空区 的形态、开采状况、及采矿方法以及地下水文因素等对采空区的冒落破坏也有 一定的影响。本文主要从岩体的结构类型、围岩的岩性和厚度、岩体结构面及 其组合、矿床的特征、采空区的大小和形态、开采状况、采矿方法、地应力场、 水文因素这几个方面来来研究它们对空区冒落破坏的影响。 ( 2 ) 寻找探索采空区冒落破坏的规律 由于采动影响，岩体中原岩应力失去平衡状态，导致项板岩体产生移动变形， 形成项板岩体悬空，或其部分重量传递到未直接采动的周围岩体上，从而引起 采场围岩应力重新分布，形成卸载压力区和支承压力区。在工作面前方矿柱及 其顶底板岩体内形成支承压力区，而在采空区顶底板岩体内形成减压区，其压 力小于开采前的正常压力，由于减压的结果，致使顶板岩体向下移动变形，在 采空空间上方岩层自下而上形成冒落带、裂隙带与弯曲下沉带。而底板岩体除 在垂直方向受减压影响外，还受水平方向的压缩，产生向上鼓起现象。 本文从岩石的破坏特征出发，通过研究采场空区岩石破坏机理来探索采场围 7 武汉理工大学硕士学位论文 岩、巷道围岩的变形破坏。 ( 3 ) 根据柿竹园矿区的综合情况进行实际调查研究 柿竹园矿床采空区冒落破坏影响因素评价； 从柿竹园矿的矿区地质、矿床地质、矿区水文、采矿方法、矿山开采现状 等综合情况着手分析影响柿竹园矿空区稳定性的因素。 柿竹园多金属矿床岩体力学性质的确定； 根据柿竹园富矿段及其周围的九种岩石的岩石力学性质试验，结合柿竹园 多金属矿床的工程地质特征，根据岩体的破坏准则、抗剪强度参数及变形模量 e - ，对柿竹园多金属矿床岩组的岩体强度参数进行处理，确定出后柿竹园多金属 矿床岩体力学性质。 ( 4 ) 模拟分析围岩稳定性，对比分析隔一采一与隔二采一方案的优劣性参 考设计采矿方法确定出切实可行的矿柱回采方案。 目前柿竹园矿4 9 0 m 水平以上3 4 个矿房已回采完毕，采空区体积已累积达 2 0 0 万立方米，顶板暴露面积超过3 万平方米，其中已有部分矿柱出现跨塌现象， 最大顶板暴露面积达8 0 0 0 平方米，由于多种原因，未对已采矿房进行充填处理， 这对矿柱回采以及4 9 0 l n 水平以下矿体开采造成了巨大威胁。采用三维有限元程 序模拟分析4 9 0 水平以上空区围岩的稳定性，并进一步模拟对比隔一采一与隔 二采一矿柱回采方案的优劣性，确定出适合柿竹园矿并且安全可行的矿柱回采 方案，为柿竹园矿下一步安全生产提供决策依据。 武汉理工大学硕士学位论文 2 采空区冒落破坏影响因素 岩体的稳定是个相对的概念，在一定的时间、空间以及工程地质条件下，当 岩体应力大于岩体强度时，采空区围岩就会出现失稳冒落现象。空区围岩稳定 性问题主要是岩体强度与围岩应力之间的矛盾问题，但是矿床的特征、采空区 的形态、开采状况、及采矿方法以及地下水文因素等对采空区的冒落破坏也有 一定的影响。这些因素对围岩稳定性的影响，在区域上分布都是局部的，有的 分布范围在几米至几十米，而目前精查勘探的最小网距是2 5 0 mx2 5 0 m 口，因此， 有关因素很难由正常的地面勘探所查明，必须采用先进的技术进行监测，以提 高对围岩稳定性预测的精度。 2 1 岩体的结构类型 岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合方式。岩体结构的基本类型可分 为整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构嘧1 。 ( 1 ) 整体块状结构岩体：整体块状结构岩体因结构面稀疏、延展性差、结 构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变性特征接近于各向同性的均质 弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，这类岩体完整性良好，是井 下采矿较理想的稳定岩体。 ( 2 ) 层状结构岩体：层状结构岩体中结构面以层面与不密集的节理为主， 结构面多闭合微张状、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块 性质，故这类岩体稳定性较整块结构岩体差。当结构面结合力不强，有时又有 层间错动面或软弱夹层存在，一般沿层面方向的抗剪强度明显的比垂直层面方 向的更低，特别是当有软弱结构面存在时，更为明显。此类岩体常见的冒落形 式有滑移破坏、坍落破坏和弯折破坏。 ( 3 ) 碎裂结构岩体：碎裂结构岩体中节理、裂隙发育、常有泥质充填物质， 结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大， 岩体完整性破坏较大。其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的 变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则 变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差，能够导致岩体大冒落。 ( 4 ) 散体结构岩体：散体结构岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩 9 武汉理工大学硕士学位论文 石手捏即碎，属于碎石土类。此种类型是较大的断层破碎带，大型岩浆岩侵入 接触带和强烈风化带，松软的粘土以及未胶结好的松散沉积物，其构造影响很 严重，结构变动剧烈。地层强烈挤压变形，断层及结构面组合发育，岩层产状 杂乱，断层破碎带、接触破碎带、节理、劈理等均很发育，结构面摩擦系数小 于0 2 5 ，组合成泥、岩粉、碎硝碎片等不稳定散块状结构体，这是冒落规模最 大、最危险的一种岩体结构类型。 2 2 围岩岩性和厚度 围岩岩性和厚度，能通过围岩压力分布来影响围岩稳定性，也能通过岩体强 度来影响围岩稳定性。地下坑道在进行设计、施工之前，应当了解工程所在地 域的围岩类型以及岩体性质。因为在坑道尚未开挖之前，获得详细的地质和力 学方面的资料，可以从岩性角度出发，将围岩分为软质岩体、中硬岩体和硬质 岩体。岩性的知识往往能给人一种定性的判断，提前获得详细的地质资料，了 解相关岩体性质，设计师就能预见将面临什么类型的岩石力学问题。比如软质 岩体表现为塑性，硬质岩体表现为脆性，而中硬岩体则处于两者之间嘲。岩性 不同岩体力学性质也就不同，在直接顶板分类中岩性起着至关重要的作用，据 不完全统计，在矿产资源开采过程中，泥岩、页岩占不稳定顶板的6 7 ；而砂 岩、石灰岩形成的顶板几乎都为稳定顶板，粉砂岩和砂质页岩之类形成的顶板 则多为中等稳定顶板。所以从岩石的岩性可以获得以下的粗略资料。第一是 强度和变形的量级：新鲜的火成岩大多强度较高，变形小，而沉积岩则因其层 厚及胶结物的不同力学特性就大不相同，如薄层泥质灰岩强度低，厚层砂质灰 岩强度则高。第二是从岩石类型可以判断出可能会遇到的一些与某些自然特征 或工程活动相关的不稳定因素：比如灰岩可能成为地下涌水的来源或者会出现 岩溶问题。第三是各向异性的程度：如薄层泥质灰岩各向异性程度大，而厚层 砂质灰岩就很小。 直接顶和老顶共同作用决定着井下开采顶板的稳定性。长期以来，生产单位 常以老顶砂体离开被开采层的远近作为估计影响工作面矿山压力显现的重要指 标，如缓倾斜煤层回采工作面的顶板分类修改方案中，对老顶来压强度分级主 要根据老顶初始来压步距、直接项厚度和采高的比值，将老顶划分为4 级。一般 情况下在直接顶较厚，垮落后足以充填采空区的情况下，老顶的来压则比较缓 和，而在直接顶较薄时，老顶的来压则比较明显。此外，顶板岩体的分层厚度对 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 顶板稳定性也产生重要影响，如果假视顶板岩层为梁，则悬臂梁的抗弯曲能力 与分层厚度的三次方成正比，即分层厚度越大，直接顶越不容易变形弯曲，其 稳定性越好晗耵。据不完全统计，在不稳定顶板中，0 1 0 3 m 厚分层厚度占6 7 。 2 3 岩体结构面及其组合 岩体结构类型不同，组成围岩稳定性的也各不相同，因此围岩强度主要取决 于岩体结构。岩体是一种地质介质，在形成过程中，经过了多次构造运动，形 成了断层、褶曲、节理、裂隙等构造形迹。岩体在成岩过程中形成的间断面、 接触面、层理、夹层等结构面是岩体中的薄弱部分，它们的力学强度，往往只 有岩石母体材料强度的几分之一、几十分之一甚至是几百分之一瞄，。如图2 - 1 所示，岩体结构面的强度包络线要比岩石的包络线低得多。因此，岩体结构面 及裂隙分布状况经常是围岩稳定与否的控制因素。 1 厂 f。j 墨 0 图2 - 1 岩石材料及结构面强度包络线 1 岩石材料强度包络线；2 结构面强度包络线 一般认为，完整的结构岩体近似为均一连续的介质体，其应力一应变性能与 完整的岩石相近，主要受岩石力学性质控制。块裂结构岩体属于不连续介质体， 其主要受软弱结构面所控制。当岩体内应力状态发生变动时，则块体在软弱结 构面控制下沿软弱结构面产生滑动变形与破坏。碎裂结构岩体既不同于完整结 构岩体，又不同于块裂结构岩体，它是一种似连续介质。在低围压或无围压条 件下具有明显的结构效应，既受结构体、又受结构面力学性质所控制。一般松 散结构岩体视为似连续介质，实际相当于松散介质。受力变形以随机分布密集 的结构面压缩和滑移为主，若地下水作用较为活跃，则可由空隙水压力的突然 武汉理工大学硕士学位论文 增高而导致岩体整体崩塌嘲。 据不完全统计，松散结构顶板和碎裂结构顶板占不稳定顶板的7 5 以上， 因此结构面越发育，密度越大，其间距越小，顶板的稳定性就越差。从完整结 构到块裂结构再到到碎裂结构最后到松散结构，顶板稳定性由好向差依次变化。 岩体结构强度主要受结构面的分布和发育所控制。 节理、滑面都对围岩稳定性产生重要影响。这里所说的节理是指那些垂直 的、面状的岩石断面。一般来说，仅在围岩岩石内部才有节理发育，因此，它 的作用对岩石稳定性影响较轻，围岩垮落有可能终止于节理面，大部分节理对 于围岩垮落具有重要的影响。目前已查明，在古河床充填透镜状砂岩的两端、断 层以及褶皱发育地区，节理均较发育，并且平行集中分布，在此情况下进行矿 产开采必须对围岩进行锚喷或挂网支护。 在煤矿中，几乎每个煤矿对于煤层顶板中的小尺寸节理支护技术都是相同 的。然而对于大的节理( 图2 2 ) 就需十分小心谨慎，需要使用补充支护来维护 巷道。在顶板锚杆延伸支护地区使用锚喷网梁，安装补充锚杆或斜角度锚杆， 在避开顶板悬臂梁同时以垂直角度穿过裂隙。在裂隙非常密集的地方要适当考 虑使用煤柱和十字铰接顶梁而不使用圆形锚杆，或者在某些情况下使用顶板木 衍架嘲。现在在煤矿开采前还没有特别有效的方法提前探明裂隙或滑面等的发 育情况。 p - 一p _ p 一_ p 一” ”一- 一”蝴一一_ _ h _p”_-_-_ 图2 2 滑面或裂隙的锚固技术 在矿产资源开采过程中，不管是正断层还是逆断层，在断层下盘靠近断层面 附近顶版最容易发生冒落，这是因为断层导致项板岩体的完整性受到破坏，在 采动过程中使断层面松动，断层下盘岩体由于重力作于比上盘岩体容易冒落。结 构面本身特征、组合及其产状对围岩稳定性影响，而且与结构面与工作面的推 进方向也对围岩稳定性有影响。一般情况下，只有当结构面的组合使顶板内可 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 能出现有利于塌落或滑动的分离体，且其尺寸又小于开采空间时，这类顶板才 有局部失稳的可能。 一般项板有三种典型的组合类型： “正三角形 结构： 此类结构是最不稳定的，无论是在直接顶，还是在老顶岩层中，被此类结构 面所围限的分离体都易于塌落。 “川字形一结构： 此类结构在直接顶板岩层中受拉应力作用情况下较不稳定，往往造成冒顶； 而在老顶岩层中由于破断岩块间相互回转，在转动中受各岩块几何形状的限 制，有可能形成强大的水平挤压力，形成一定离得结构平衡，当沿结构平衡， 当沿结构面的摩擦阻力小于所限岩体的自重时，尽管裂隙发育，也仍将是稳定 的。 “倒三角形一结构： 此类结构钢项板岩体中形成力的结构平衡，都将是相对稳定的。 结构面走向与工作面掘进方向也有很大关系。当结构面与工作面斜交时， 结构面把顶板分割为上、下盘两大块，其间连接力消失，抗弯、抗剪和抗拉的 能力也随之消失。因此，两盘岩体会向采空区方向滑移，使支架失稳而产生冒 落。当结构面与工作面平行时，冒顶范围可能影响到整个工作面控项区，尤其是 当结构面倾向煤壁时，情况更为严重。当结构面走向与工作面近似垂直时，其 上、下盘断层影响范围内，顶板稳定性差嘲。 2 4 矿床的特征 矿床的特征包括矿体的倾角和厚度。矿体的倾角是指矿体的层面与水平 层面的夹角。根据倾角的大小，矿体可分为近水平矿体、缓倾斜矿体、倾斜矿体 与急倾斜矿体。矿体的厚度是指上下盘问的垂直距离或水平距离。前者为垂直 厚度，后者为水平厚度。根据厚度的大小矿体可分为：极薄矿体、薄矿体、中 厚矿体、厚矿体和极厚矿体。 采空区的赋存特征取决