（采矿工程专业论文）南洺河铁矿河滩下采矿充填方案模拟研究.pdf

a b s t r a c t 摘要 水体下开采引起的地表变形是一个漫长的过程，在矿体开采前对开采后的地表 变形进行模拟和预测具有重要的实际意义充填采空区是水体下开采中保护地表的 一种有效方法，因此，为实现矿山的安全开采，在水体下开采过程中，必须对充填 采空区采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响进行研究 针对上述现状，以南沼河铁矿矿为研究对象，通过对矿山工程地质、采场结构 参数及原岩应力场的调研建立了地表沉陷的力学简化模型和数学模型。通过对力学 简化模型的分析求解，得出了开挖过程中上覆岩层断裂的极限开采长度和边界条 件通过全尾砂胶结充填材料配比初步实验，得出了两种满足要求的配比方案：方 案一是“尾砂+ 普通水泥+ 水”型充填材料，方案二是“尾砂+ 普通水泥+ 粉煤灰+ 水”型充 填材料。然后运用a n s y s 软件，采用数值模拟的方法，对南沼河铁矿地表沉陷数学 模型的开采过程进行分步开挖模拟。由于该矿埋藏深，分三个中段开采，每开采到 一个中段模拟一次，逐步进行模拟分析。在模拟过程中，主要分析了在矿房( 柱) 开挖过程中的应力和位移的变化过程。根据应力和位移的分析结果，总结出了地下 开采引起的上覆岩层和地表的移动规律。 最后通过对两种充填方案的模拟结果进行对比和综合评价，得出这样的结论： 。尾砂+ 水泥+ 耢煤灰+ 水”型充填方案，既能有效控制地表沉陷，又经济合理。本 文作为一种模拟和辅助手段，对于金属矿水体下采矿的研究具有一定的探索意义。 图3 0 表1 2 参6 3 关键词：地表沉陷；充填方案；数值模拟：a n s y s 分类号：1 d 8 0 3 ； 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sal o n gp r o c e 8 8t h a tt h es u r f a c ed i s t o r t i o nw h i c hc a u s e db ym i n i n gu n d e rt h ew a t e r , i th a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os i m u l a t ea n df o r e c a s to nt h es u r f a c ed i s t o r t i o n b e f o r eo r em i n i n g f i l l i n gt h ed e p l e t i o nr e g i o ni so n ee f f e c t i v em e t h o dt o p r o t e c tt h e s u r f a c ei nm i n i n gu n d e rt h ew 缸e f s o ，i no r d e rt oa c h i e v es a f e t ym i n i n g ，i ti s 矾日器鞠r y t h a tc o n d u c t st h er e s e a r c hw h i c ht h eo v e r b u r d e nm o v i n g - r u l ea n dt h ee f f e c to ng r o u 倒l m o v e m e n tc o u r s e db yf i l l i n gt h ed e p l e t i o nr e g i o n a i m 砒t h i sa 出曲1 9s t a t e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dm e c h a n i c a lr e d u c e dm o d e la n d m a t h e m a t i cm o d e l sf o rg r o u n ds u b s i d e n c e , w i t ht h er e s e a r c ho b j e c t - - n a n m i n g h ei r o no r e , t h r o u g ht h es u r v e yo nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dt h ef i e l do fo r i g i n a lr o c ks t r e s sa n d s m l c t u m lp a r a m e t e r t h ew s u l to f a n a l y s i sb r o u g h to u ts u p p e r t m r a n ec r i t i c a lc o n d i t i o nf o r 丘a c t o r ei nt h ep r o c e s so fm i n i n g t h r o u g ht h ec n t i r e ds a n dc e m e n t e df i l l i n gm a t e r i a l a l l o c a t e dp r o p o r t i o ne x p e r i m e n t , o b t a i n e dt w ok i n d so fa l l o c a t e dp r o p o r t i o np e r c e p t st h a t s a t i s f i e dt h er e q u e s t ：t h ef i r s tf i l l i n g 眦t e r i a li st h ee n t i r e ds a n da n dc e m e n ta n dw a t e r , t h e s e c o n df i l l i n gm a t e r i a li st h ee n t i r e ds a n da n dc e m e n ta n dp u l v e r i z e dc o a la s ha n d w a t e r t h e na p p l yt h ea n s y ss o f t w a r e ，l l s et h em e t h o do fv a l u es i m u l a t i o n ，s t e pt o e x c a v a t et h es i m u l a t i o nc a n i n go nt h em i n i n gp r o c e s so fn a n m i n g h ei r o no r es u r f a c e s e t t l e m e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l b e c a u s et h em i n e r a lb u r yd e e p l y , d i “d et h r e ei n s i d e s e g m e n tt om i l l e , e v e r yt i m em i n e st oae c n t e r - s e c t i o ns i m u l a t e sat i m e , o 盯r i e so nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i sg r a d u a l l y i nt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，m a i n l ya n a l y z e dt h es t r e s sa n dt h e d i s p l a c e m e n tc h a n g i n gp r o c e s so ft h eo r er o o ma n dt h eo r ec o l u m ni nt h ee x c a v a t e d p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h es t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n ta n a l y s i sr e s u l t , s u m m a r i z e dt h e o v e r b u r d e na n dt h es u r f a c em o t i o nr u l eo nw h i c hu n d e r g r o u n d m i n i n gc a u s e d f i n a l l y , t h r o u g ht h ec o n t r a s ta n dt h es y n t h e s i sa p p m i s a lo ft h et w ok i n d sf i l l i n g p e r c e p t , d r a w ss u c hc o n c l u s i o n ：t h ef i l l i n gp e r c e p to fe n f i r e ds a n da n dc e m e n ta n d p u l v e r i z e dc o a la s ha n dw a t e rb o t hc a nc o n t r o l s u r f a c es e t t l e m e n te f f e c t i v e l y , a n d e c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l e a sak i n do f e m u l a t i o na n da s s i s t a n c em e t h o d ，t h i sa r t i c l eh a s t h ec e r t a i ne x p l o r a t i o ns i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c hw h i c hr e g a r d i n gt h em e t a lo r eu n d e r w a t e r m i n e i n g - a b s t r a c t f i g u r e3 0 , t a b l e1 2 ，r e f e r e n c e6 3 k e yw o r d s ：t h ee a r t h ss u r f a c 4 es i n k , t h ef i l l i n gp r e c e p t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n s y s c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d 8 0 3 i 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 王救厦幺日期：塑宰年名月旦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，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、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲姐坟翩躲蹲垃嗽学马日 河北理工大学硕士学位论文 引言 安全问题是“三下”采矿成败关键，它关系到地表建( 构) 筑物、水体、铁路 及井下作业的安全。其中水体下采矿不仅关系到地表下沉，也关系到水体对采矿的 威胁。国内常用的三下”采矿方法是充填法，由于充填体可以阻止和减弱采空区围 岩的变形，它可以大大地减弱地表移动破坏的程度充填效果取决于充填体的力学 性质，因此，对充填体的力学性质与充填效果的研究将十分重要 在进行水体下下采矿之前，要根据地质采矿条件作地表移动和变形的预计。根 据预计值的大小采取相应的措施，保证开采过程中不发生灾害性透水事故，从而确 定水体下采矿的最佳方案。我国在这方面已做了一些工作，即根据具体的采矿地质 条件，通过工程类比法或其他方法确定出地表移动预计参数，采用概率积分法、典 型曲线法或其他方法确定出地表移动变形值。另外还要考虑，由于预计参数的选取 问题或预计方法选取不当等，都会给地表变形值预计带来不同程度的误差。 近年来，有限元数值模拟技术发展较快，一些矿业学者成功地把有限元数值模 拟技术运用到地下开采、边坡稳定、地表沉陷等问题的研究上，并成功的解决了许 多难于解决的课题。实践证明：运用有限元软件建立三维有限元模型，只要根据矿 山的具体情况，通过对矿山地质条件、原岩应力场、采场参数的实际调查以及矿岩 物理力学参数的精确测定，确定出模拟的实体模型和相应的边界条件，就能得出适 合该矿山的模拟分析结果。 南沼河铁矿位于邯郸市武安市境内，铁矿资源总储量4 0 0 0 余万t ，但南沼河铁 矿矿体开采外部条件比较复杂和困难。方面在矿床的西端上部有南沼河通过( 季 节性河流) ，在河床下压矿约3 7 0 万t ；另一方面主采的f e 6 矿体赋存于闪长岩和灰 岩接触带上，顶板为厚度l1 0m 一1 3 0m 的奥陶系马家沟组狄岩强含水层；南沼河铁 矿周围还存在邻矿老采空区，南沼河铁矿开采过程中可能受到南沼河、奥陶系灰岩 强含水层及老采空区积水的威胁。 针对上述情况，为了高效、高采出率、安全开采南溜河河床与河漫滩下优质铁 矿资源，本论文运用有限元a n s y s 软件，结合南溜河铁矿开采过程和地质条件， 建立数值模拟模型，对两种充填方案的计算结果进行比较，对地表的形变进行预 测，从而选择一种较好的充填方案，使地表下沉在允许范围之内，以确保矿山安全 生产。 l 文献综述 1 文献综述 1 1 开采沉陷理论的发展和国内外研究现状 1 1 1 开采沉陷的发展历史 综观开采沉陷理论的发展和形成过程，可将其分成三个阶段1 1 1 ； 1 开采沉陷的认识和初步研究阶段( 1 5 世4 - 2 0 世纪2 0 年代) 人们认识开采沉陷是从其对人们的生活和生产的影响开始的。早在1 5 世纪，比 利时列日城的地下含水层水源遭到破坏，经过勘察认为是因为地下开采所致，并颁 布法令：对因开采而使列日城水源受到破坏的责任者处以死刑。在1 8 2 5 年、1 8 3 9 年比利时组织专门的调查组对列日城的开采影响进行了调查，形成了最初的开采沉 陷学假设，即垂线理论【。随后g o n o t 又以实测资料为基础提出“法线理论”，认为 采空区上下边界开采影响范围可用相应点的层面法线确定1 2 。但是比利时的狄芒 ( d u m o n t ) 认为“法线理论”只适用于倾角小于6 8 。的矿层，建议把地表下沉表示 为： 矿= m c o s a ( 1 ) 式中： 7 矿层厚度，m ； 口矿层倾角，。一 再后来又有德国的依琴斯凯提出的“二等分线理论”。耳西哈提出了“自然斜面 理论”，与移动角的概念很相似，并给出了从完整岩石到厚含水冲积层的六类岩层 的自然斜面角，范围为5 4 0 8 4 0 1 3 1 。 2 开采沉陷理论的形成阶段( 2 0 世纪2 0 年代 2 0 世纪8 0 年代) 1 9 世纪末，沉陷理论研究逐步深入，在研究各种沉陷分布与各类角度的同时， 也开始了对开采引起的地表下沉与变形规律的研究。自2 0 世纪二十年代开始，由于 进行了地表水平移动实地观测，使开采沉陷理论得到了进一步的发展。二次世界大 战后，人们又着重从连续介质理论和非连续介质理论来研究开采沉陷问题。如目前 广泛使用的弹性、塑性有限元法、边界法和离散元法等都是建立在连续介质理论的 基础上；而非连续介质力学中最有成效的研究则是随机介质理论。 1 9 2 3 年斯米茨考虑了作用面积问题，导出了地表下沉公式嘲： 2 河北理工大学硕十学位论文 形= 去肼彳r ( 2 ) 式中： ，对该点有作用的总开采面积； ，一总作用面积中实际开采面积； r 一时间因素； 胃一开采方法影响系数。 1 9 3 2 年，巴尔斯提出了连续分布的影响函数概念，认为开采对地面的影响可用 牛顿引力定律加以说明，认为采完整个作用面积后，开采对a 点的作用k s 为【3 l ： 墨= r c o s 2 伽= i 1s i l l 2 矿+ j 1 ( 3 ) 1 9 4 7 年原苏联学者阿维尔申利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论研究凳 析，并结合经验方法建立了下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数的形式，提出了， 地表水平移动与地表倾斜成正比的著名观点f 3 l 。 ” 1 9 5 0 年以后，波兰学者布德雷克和克诺特对几何沉陷理论进行了修正，提出了 用高斯曲线作为影响曲线的方法，建立了地表移动的完整体系。布德雷克提出了水 平煤层开采地表水平移动与地表倾斜成正比的著名论断，解决了克诺泰下沉盆地中 的水平移动和水平变形问题，构成了布德雷克一克诺泰理论f 3 】。 1 9 5 3 年波兰的学者萨武斯托维奇利用弹性基础梁得出了波动性下沉剖面方程 翻。 1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申提出了开采沉陷的随机介质理论，卓有成效地促进 了岩石移动变形研究工作的开展，将地表移动破坏理论的研究提高到一个新的阶 段。随机介质理论是地表移动与变形、岩体内部移动与变形等预计体系的基础【3 l 。 2 0 世纪6 0 年代初，英国学者贝里和赛勒斯将岩体视为均质弹性体，分成平面各 向同性、横观各向同性、空间问题三类和采区边界条件不闭合、部分闭合、全闭合 三种状态，提出计算岩体下沉方法 3 1 。 随后通过实践应用到上个世纪7 0 年代末期，形成了地表移动破坏的理论体系。 进入2 0 世纪，计算工作有了重大的突破，各国相继建立了各自的计算方法和理论模 型。在此阶段开采沉陷理论得到了迅速发展。 3 开采沉陷理论发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) 3 l 文献综述 从二十世纪7 0 年代至今，随着科学技术的发展和研究手段的提高，开采沉陷理 论中渗透了其它相关学科的理论，得到了进一步的发展。 由于岩石工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题。在 这一阶段，陆续问世的有限元、离散元、边界元及各种算法和程序充分发挥了各自 的长处，在很大程度上促进了岩石软科学研究以及岩体地下工程的发展。目前实际 上最为成熟和有效的有限元法与程序仍在不断更新和发展，离散元法程序也在不断 出现。另一方面又出现了一些新的算法和程序，如刚性有限元法、广义有限元法、 运动单元法、界面元法、块体单元法、块体理论、d d a 法、f l a c 、无网格法以及 由于优化与人工智能的需要而推出的遗传算法等。 有限元法作为一种高效能的数值方法在岩石力学与岩土工程中得到了很大发 展。成为各类数值计算中应用十分广泛且最为简明的一种方法。有限元的应用同电 子计算机的发展紧密相关，在计算机高速发展的今天，有限元程序研制也取得了巨 大的成绩，世界各国纷纷研制出了一批著名的有限元计算机软件，如：s a p 、 a d i n a 、a n s y s 、f l a c 、v e l e p 、s a f e 等。在地表移动学科，也有许多研究者 用有限元数值模拟对岩层移动及地表沉陷问题进行了卓有成效的探讨。 1 1 2 开采沉陷国内外研究现状 总结国内外地表移动预测方法，主要有两类：经验预计法和基于随机介质理论 的数学模拟方法。经验方法有：图形法、剖面曲线法和影响曲线函数法1 4 1 。 对于金属矿床，矿体通常呈不规则形状。开采活动所形成的采场，其形状和尺 寸也千差万别，地质构造较之煤矿更为复杂而不规则。所以，由开采煤层引起的地 表移动规律和预测理论一般难以用于地下金属矿床 5 1 。目前，金属矿地下开采的地 表移动预测研究还处于初步阶段，金属矿山的岩层移动的研究，目i j 国内外尚没有 成功的实例 6 1 。 我国对开采沉陷理论的研究是从5 0 年代才开始起步的，经过几十年的努力，积 累了大量的实测资料，在借鉴外国先进技术、经验的基础上，再加上工程技术人员 的创新改进，我国也逐渐形成了符合我国实际的一套开采沉陷理论1 7 1 。如工程技术 人员常用的“模糊预测法”即是在我国学者刘宝深、廖国华等在波兰学者j l i t w i n s z y n 的随机介质理论基础上发展起来的，目前己成为我较成熟的、应用最为广 泛的开采沉陷预计方法之【9 l 。 近年来，由于数学、力学、建筑、计算机等学科新成果不断地引入到开采沉陷 4 河北理1 二大学硕十学位论文 学科中来，从而形成了许多新方法和理论j l i t w i n s z y n 对随机介质理论作了更深入 的研究，刘宝深将随机介质理论发展为多项介质的耦合计算i 司；李文秀、张玉卓将 模糊数学引入随机介质理论中f 9 】 克米沙洛夫、解世俊等一些国内外学者们通过对地层结构的研究，提出的托板 及关键层理论，形成了一种独特的研究方法l i 哪。 康建荣、胡晋山等通过对阳泉矿区保护煤柱设计资料与煤柱保护效果的调查分 析，提出没有考虑山区地形与采动滑移的影响，照搬平地设计方法和设计参数是造 成山区地面建筑物破坏的主要原因【1 1 1 杨伦等对采矿下沉进行了比较详尽的分析【1 2 1 ，于广明等对非线性几何场论在开 采沉陷预测中的应用进行了研列瑚，以拖带坐标描述法和s r 分解定理的非线性几 何场论为基础，分析了初始位形主断面倾斜、曲率和水平变形计算公式的不合理 性，建立了实时位形上的计算公式；利用平均整旋角概念和裂纹产生与扩张的几俺 准则，建立了确定实时位形上，水下采煤导水裂隙带高度的方法。与经典断裂判据 相比，该方法计算简单，应用方便1 4 1 。 同时，在研究灰色系统模型在岩石地基建筑物沉降和采矿塌陷区残余沉降预测 中专家学者们结合实例，提出并建立了各自的沉降增量预测方程，对煤矿地面沉陷 治理方案的灰色关联评价进行了研究，提出了一种建立于模糊和灰色关联分析基础 之上的新的地表沉陷治理方案的评价方法。利用人工神经网络技术进行开采沉陷是 定量预测的新方法。研究影响因素的选取、开采沉陷预计模型的建立以及模型的应 用等问题，可采用神经网络算法对开采沉陷量进行建模和预测，用神经网络模型对 复杂的开采沉陷系统进行模拟预测1 1 3 】这些都具有理论上的可行性和现实意义，充 分说明人工神经网络技术在开采沉陷预计领域中具有实用价值。另外，h o c ke 和 b r o w ne t 等对岩体仞始应力场进行了分析，提出了岩土工程分类的新思路1 1 4 l 。 多年来，许多地质工作者和研究机构在采矿工程和岩土工程的研究工作，对 f u z z y 数学理论在“岩体及地表移动”领域中的应用作了系统、深入的研究【1 5 1 。白 1 9 8 6 年提出地下开采岩体移动变形分析f u z z y 数学模型以来，又相继建立了用于露天 矿山边坡和路堑边坡稳定性分析的模糊数学模型，提出了确定工程参数的f u z z y 数学 方法，同时考虑了在不同距离条件下露天矿生产爆破对边坡稳定性的影响。对于复 杂地形条件下开采引起岩体移动变形问题，除了考虑岩体水平变形等指标之外，还 考虑了高陡山区条件下开采引起岩体的垂直向变形影响。对于溶解法开采非金属矿 引起地表下沉问题，采用f u z z y 关系方程和f u z z y 综合评判等方法建立了相应的数学 - 5 - l 文献综述 模型，并用于分析盐矿开采引起的地面下沉问题。应用模糊差别方法对矿区边坡的 破坏进行了反演计算i 阚，以及露天矿山合理境界方案选择问题也应用f u z z y 数学方法 建立了分析决策模型【1 7 1 ，对于金矿开采岩体移动分析还采用了隶属函数等f u z z y 数学 方法建立了分析模型【l 研。 成枢、陈允芳等对疏水引起的地表移动与变形问题进行了初步探讨1 1 9 1 借鉴土 体力学中有关地面沉降的计算方法，从岩上疏水固结理论入手，通过与地基沉降及 土层压密计算相比较，最终确定了合理适用的计算方法；应用随机介质理论与有效 应力原理，推导了疏水沉降预计的计算公式；引入岩移模型与参数识别的理论，对 地表沉陷的模型与参数进行识别，选择合理的模型与计算参数；以概率积分法计算 采煤引起的地表沉陷为基础，建立统一的坐标系，将两种不同成因的沉降进行叠 加，从而解决了采煤及疏降地下水共同作用下引起的地表沉陷预计问题；在进行沉陷 预计的基础上，讨论了沉陷控制的方法，结合采煤引起的沉陷控制理论和方法，针 对地下水疏降引起的地面沉降，提出了相应的防治措施与控制策略。在边界元分析 方面，张玉卓等就岩层移动的位错理论解进行了计算1 2 0 1 。 在应用时间序列分析法对开采沉陷动态过程的概率积分法预计参数进行分析的 研究中，建立了动态预计模型【2 “。用该模型可对参数的未来值进行预计，然后利用 预计结果进一步预计地表的移动变形，解决了开采沉陷的动态预计问题。 还有人将损伤力学及分析几何等现代非线性科学应用于开采沉陷学科领域，进 一步揭示岩体特别是地质构造复杂的岩体开采沉陷的更深层次的机理、特征和规 律，进一步发展矿山开采沉陷学科，使其在理论上更完备，实践上更符合实际，工 程预测上更准确，应用上切实可行。 在数值分析方面，谢康和、周健等用有限元对岩土工程进行了探讨阎，顾尔柞 的有限差分基础对进一步分析和解算提供了理论帮助田l ，王泳嘉、王金安、徐珍泉 等把有限元应用于沉陷研究洲；邹友峰编制了条带开采沉陷预计的三维层状介质计 算机程序脚】；另外还有学者用非线性三维有限元模拟了开采沉陷的岩层移动；在软 件处理方面，任涛等用m a t h c a d 对矿山沉降作出了分析和计算1 2 6 1 ；成枢等还研究了 地表移动的数值分析新方法【2 7 l 。 大量的研究结果表明，将分析几何和损伤力学、人工神经网络和模糊数学等先 进的理论应用于矿山开采、高速公路边坡的沉陷领域中，这有助于深入认识和理解 复杂的矿山开采沉陷现象，有助予研究矿山开采沉陷更深层次的机理、特征和规律 6 一 河北理i ：大学硕士学位论文 以及以此为出发点的控制开采损害的技术措施，将推动矿山开采沉陷理论的进一步 发展和工程实用 1 1 3 开采沉陷理论的发展趋势 岩层和地表移动的科学研究工作目前正处于向纵深发展的阶段，即从研究水平 和缓倾斜矿体到研究倾斜和急倾斜矿体的岩层与地表移动规律；从研究主剖面的移 动和变形分布规律，到研究下沉盆地全面积的移动和交形分布规律：从研究无地质 构造破坏、简单地质采矿条件，到研究有地质构造破坏、复杂地质采矿条件的移动 和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形，到研究开采过程的动态移动和变 形的分布规律等。此外，旨在减少地面建筑物损害的并下开采措施也引起各国学者 的普遍重视。上述问题，有的己经取得一些可喜的成果，有的尚待迸一步的研究与 实践。可以期望随着“三下”采矿和建筑物、井巷保护技术的发展，岩层和地表移鏊 动的理论水平必将获得更大的提高1 2 明。 1 2 国内外充填体稳定性研究现状 1 2 1 国外充填体稳定性研究现状 在稳定性研究中，国外以研究充填体强度及其作用机理为主，在矿山生产中以 此为依据来保证充填体的稳定，国外采矿工作者对此作了不少贡献。 加拿大的基德克里矿，采用分段火孔崩矿嗣后阶段充填法，主要采用块石胶结 充填。对影响稳定性的因素如骨科、采场离析、下料冲击、充填用水、充填体的 动、静载强度等进行了一系列试验，用绝密特链连续冲击方法来测定抗冲击强度， 并在现场用三维测试仪监测了爆破震动对充填体稳定性的影响，用冲击波理论分析 确定了最佳方法【2 9 】。 澳大利亚的巴莱特等人用二维和三维有限元方法，将充填体做为线弹性体，对 暴露胶结充填体垂直壁的稳定性进行了分析研究，认为充填体稳定性不完全取决于 暴露高度，还取决于横向尺寸和回采顺序及充填体的有效成拱作用刖。 坎德尔等人用三维显示拉格朗日有限差分法模拟研究了垂直走向矿柱回采过程 中充填体及围岩的稳定性，并进行了现场测试。认为充填体必须具有足够抗变能 力，才能将回采矿柱的负荷重新分布到周围充填料和两帮岩石上去，且充填体必须 在矿柱爆破矿石、崩落矿石运走之前，能够自由地稳定直立网。 7 1 文献综述 澳大利亚的艾斯丘等人0 0 在矿柱回采充填研究中，首次采用常规方法进行试验 室试验获得了充填料的可能参数，并建立了几种数学模型来研究充填体的稳定性， 并以二维有限元法模拟研究进行比较，拓展了研究方法的范围，并以现场实测进行 验证。 苏联正b 马列条等人在研究“十月”矿垂直分条下向分层全面法充填体稳定性 时，认为充填体本身强度、采空区顶板形成方式、有关的充填体结构特点、充填暴 露面的几何尺寸与顶板受力条件、回采与充填体接触处矿石崩落时爆破破碎作用与 地震作用等因素是影响充填体稳定性的主要因素，并对爆破机理进行了初步理论分 析1 3 0 。 苏联基申克矿就时间因素对充填体影响做了研究，得出瞬时和长期荷载作用下 计算顶板和矿房跨度的公式【3 0 j 。 加拿大女王大学的米切尔对高窄充填体的稳定性用离心模型方法就爆破动载荷 对充填体稳定性影响进行了模拟研究，得到充填体对爆破冲击波起低通滤波器作用 的结论1 3 ”。 澳大利亚对芒特艾萨矿大面积胶结充填体稳定性的现场系统监测，有效地提供 了现行回采方法，采场结构、充填料和充填方式的相关参数1 3 2 l 。 南非的布莱尔研究了刚性充填体和柔性充填体的力学性质，认为柔性充填体可 以提供剩余阻力，限制矿柱横向变形的侧压力，虽然比刚性充填体小得多，但对保 持矿柱自身稳定性来说，已具有足够的支撑作用1 3 3 1 。 日本的山口和山富应用平面有限元弹一塑性模型研究了一个采场在充填前后所 引起的应变。结论是：充填体的作用是阻止限制围岩的变形，减慢采区周围岩层逐 渐破坏，并使破坏过程平缓地发展。 1 2 2 国内充填体稳定性研究现状 国内充填采矿在7 0 年代以来获得了很大发展，许多金属矿山特别是有色矿山和 黄金矿山，越来越多采用充填采矿法，相应有关充填体强度的研究有所增加。 8 0 年代以来，我国先后在金川龙首矿和二矿、招远金矿、内蒙古大水清金矿进 行了现场实测，检测围岩变形和位移，巷道变形项板压力，胶结充填体的应力，应 变，取得了大量数据【3 2 1 。 s 河北理j ：大学硕十学位论文 江西冶金学院的卢平从弹性理论和楔体滑动分析两方面探讨了胶结充填体矿柱 中的应力分布。导出了相应得弹性理论和楔体滑块分析解，并用有限元进行辅证 踟 钱方明在干式充填地压研究中采用光弹模拟、相似模拟及边界元法进行了研究 嗍 陈俊彦在美国矿业局用有限元法对胶结充填体的支撑作用做了大量的模拟分 析，结果表明充填体作为一种被动支护材料，可以阻止围岩的变性和破坏得发展， 充填体的弹性模量越大这种效果越好1 3 习 长沙矿山研究院的周先明等人用有限元计算分析了下向胶结充填体和采场的稳 定性问题i 蚓。 东北工学院的张国联在对红透山二步回采嗣后块石胶结充填研究中应用有限元 和边界元耦合方法进行了数值模拟研究【，7 l 。 1 2 3 充填体稳定性研究的发展趋势 由前面叙述可知，充填体稳定性研究方法主要分为三类； 1 现场监测； 2 力学作用的数值模拟计算； 3 物理模型模拟实验 现场监测需要大量仪器，费用高，而且所测数据不准；数值模拟以某种理论为 依据进行必要的简化，建立相应的数学模型，计算后可得出定性分析结果，经济而 不失科学性；物理模拟可反映充填前后的情况，但边界条件不好取，然而具有直观 性。 因此，充填体稳定性研究的发展趋势将是：采用数值分析的方法，考虑采矿过 程中材料和工程性质等因素，尽量较接近实际的模拟采矿过程，然后与生产实践相 结合【3 3 l 。 1 3 开采沉陷的预计方法 当地下开采范围足够大的时候，岩层移动发展到地表，在地表形成一个下沉盆 地。在地表下沉盆地范围内出现各种移动和变形，根据具体地质采矿条件计算下沉 盆地内的移动和变形值是开采沉陷预计的任务预计地表移动和变形的方法有多 种，下面分类介绍如下： 9 1 文献综述 1 3 1 基于实测资料的经验方法 经验方法是以实测资料为基础，通过对大量的实际观测资料进行总结和分析， 找出地表移动和变形与地下开采条件的关系，确定预计各种移动和变形值的函数形 式包括解析公式、曲线或者表格以及计算预计经验公式。目前，应用比较广泛而且 具有代表性的经验计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法 1 剖面函数法 根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状，来确定不同的剖面函数用于描述 下沉盆地，作为预计地表移动和变形的公式，这种预计地表移动和变形的方法统称 为剖面函数法。 在开采沉陷研究初期，人们主要通过观测的手段认识地表开采沉陷现象，随着 观测资料的积累，不断加深对地表移动和变形规律的认识，逐渐总结出适合不同地 质采矿条件下预计地表移动和变形的经验方法。由于实地观测资料以及对地表移动 和变形规律的认识程度不同，因此，总结出的剖面函数有多种形式，比如前苏联采 用如下剖面函数进行地表下沉预计嗍： = ( - 一量+ 去葫n 争 = g 所c o s 口石万 啊_ o 9 每办- o 9 每 式中： 厶，二r 一分别为工作面走向方向和倾斜方向的开采长度，m ； o t 一煤层倾角，。； x 一下沉盆地中心距预计点的距离，m ： 一半盆地长，m ； 卜开采厚度，m ； 口一下沉系数。 波兰上西里西亚煤田使用的剖面函划柏】： 喇寺舛文匐2 卜s ， 式中： 1 0 - 河北理工大学硕十学位论文 棚计参数 匈牙利煤田曾用过的剖面函数【柏l ： 矽= 唧卜三降) 2 式中。 棚计参数。 我国许多矿区使用过多种剖面函数法，应用最多或有代表性的主要是负指数函 数法1 4 负指数函数法是用负指数来表示下沉剖面函数的方法，其走向方向主断面 半盆地下沉计算公式为： 叫卜三y 矿( 曲= w o ek ( 7 ) 式中： 研妙地表移动盆地主断面上任意点的下沉值，m l l ； 矾r - 她表最大下沉值，m d ； 口，岛，卜一预计参数，可以根据矿区实测资料求得。 卜地表下沉翁地主断面上任意点到开采边界的距离，m ； 有了下沉曲线函数公式，根据下沉与其他移动和变形的关系式，可以得到相应 移动和变形的计算公式。由于剖面函数不可能考虑更多的地质采矿因素，因此大多 数剖面函数仅适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计。 2 典型曲线法 r 典型曲线的基本原理与剖面函数完全相同，只是剖面函数是通过解析函数的形 式来表述地表的下沉和预计点位置的函数关系，而典型曲线是以表格或诺谟图的形 式来表示地表的下沉与预计点位置的函数关系。 在国外，如前苏联、英国等曾采用典型曲线法进行开采沉陷的预计，特别是英 国，编制的地面沉陷工程师手册就是以典型曲线为基础 4 2 1 ，指导开采沉陷的预 计。我国具有代表性的典型曲线主要有：峰峰矿区和平顶山矿区的典型曲线1 4 3 。 不论是剖面函数还是典型睡线，都是建立在实测资料的基础上的，对由地下开 采引起的地表沉陷机理研究较少，有些学者将这种方法称为“唯象说”由于建立 剖面函数或典型曲线需要大量的实测资料，使这种方法在实践应用中受到很大制 约。但是，典型曲线和剖面函数来源于实测资料，并应用到相似条件下地表移动和 变形预计中，因此，在目前所有预计方法中，其预计精度最高。 l 文献综述 1 3 2 随机介质理论 1 波兰j l i t w i n i s z y n 理论 将岩层移动视作随机过程是波兰j l i t w i n i s z y n 宅e 1 9 5 4 年提出的，他从开采影响传 播算子的传递性出发，证明此算子满足s m o l u c h o w s k i 偏微分方程。在二维情况下， 描述岩层在开采影响下的下沉规律： 尝= 坼) 窘+ m ( z ) 等+ ( 力w ( 8 ) 函数系数k ( z ) ，m ( z ) ，n ( z ) 是表示介质特征的参数。在半无限开采时候，地表 下沉为： 毗：) = 等岛厂扩i 玑 “z ) = f 七。脑( 1 0 ) 2 w e b e r 分布法 该方法由何国清提出，是以碎块体理论为基础，岩层与地表移动的基本微分方 程为： 墼塑；彳( 五z ) 鱼譬一b ( x ，z ，0 5 p ，( x ：, z ) ( d zc臂ck。 p ( x ，o ) = 以功? ( 1 2 ) 其特解： 峨= 弘叫纠d 一学 式中： p ：，吐，c z 是与z 有关的参数。 3 f 分布法 该方法是由吴戈提出，其实用的下沉剖面方程为： = 篙b 学州e 训争一， 4 概率积分法 1 2 河北理工大学硕士学位论文 概率积分法是把岩体看作一种随机介质，把岩层移动过程看作一种服从统计规 律的随机过程来研究岩层与地表的一种方法从统计观点出发，可以把整个开采分 解成无限个微小单元的开采，整个开采对岩层及地表的影响等于各个单元开采对岩 层及地表影响之和按随机介质理论，单元开采引起的地表下沉盆地呈正态分布， 且与概率密度的分布一致因此，整个开采引起的下沉剖面方程可以表示为概率密 度函数的积分公式，故称此法为概率积分法这种方法计算过程较简单，系统性和 实用性较强，因而在中国应用较广泛洲h 习 开采近水平或缓倾斜煤层时地表的移动和变形： 1 ) 地表下沉： 矽g ) ：譬r 。一料虮) w o = m r c o s a 。( 1 6 ) 式中： 矿g ) 距开采边界点为x 的地点的下沉值，i n i i l ； r 一主要影响半径，m ； w o 她表最大下沉值，m ； 肼一煤层开采厚度，m ； 玎下沉系数； 口一煤层倾角，o 。 2 ) 地表倾斜： f ( 力：掣：堕。1 纠( 1 7 ) 毛；墅( 1 8 ) 式中： 西力任意点的倾斜值，m m m 。 毛地表最大倾斜值，m m m 。 3 ) 地表曲率： k ( j ) ：粤掣：孚( 三) p 州( 1 9 ) 血， 1 3 l 文献综述 k o = + 1 5 2 ( 2 0 ) 式中； 足( x ) 任意点的曲率值，l o - 3 m ： 鼠最大曲率值，1 0 3 m 。 4 ) 水平移动： ( 功：b i ( z ) ：6 降：p _ z ( x - ，p ( 2 1 ) j o - - b ( 2 2 ) 式中： ( 力任意点的水平移动值，n l l l l ； 一最大水平移动值，n l l r l ： b 水平移动系数。 5 ) 水平变形： ( x ) ：要! 攀：垃而监( 与。i 玎( 2 3 ) e o ：1 5 拍监( 2 4 ) 式中： 占( x ) 任意点的水平变形值，n 蛐b 5 岛最大水平变形值，m m i n 刘天泉、仲惟林、焦传武等系统总结了概率积分法在我国实践中的应用，特别 分析了概率积分法预计参数与上覆岩层力学性质的关系，使概率积分法在我国得以 推广应用嗍。由于概率积分法具有一定的理论基础，预计的参数完全可以通过实测 资料求得，而且对于一个矿区参数相对稳定，参数变化遵循一定的规律。同时概率 积分法可以适用任何形状工作面、地表任意点的移动和变形预计。因此，概率积分 法在我国得到了广泛地应用。特别是在我国最新修订的建筑物、水体、铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规程中更是将概率积分法作为预计地表移动和变形的 方法加以详细的论述【4 刀，可见概率积分法在我国开采沉陷中起到的重要作用。 1 4 河北理1 - 人学硕士学位论文 1 3 3 影响函数法 影响函数法的基本原理是假定地下微面积的开采对地表任意一点的影响与地表 点距微面积的水平距离有关，并与开采的微面积成正比，微面积开采引起地表的下 沉增量可表示为【4 研； d w = q m f ( r ) d a ( 2 5 ) 式中： 所瑚响函数； 卜一单元开采面积与地表点的水平距离； 圩下沉系数； 胂一开采厚度。 当开采面积为a 时，地表点的下沉为： w = p ( ，) d x d y ( 2 6 ) 影响函数的形式可以根据不同的方法确定，即可以根据实测资料分析求得，也 可以直接给出，波兰学者克诺特给出的影响函数为高斯曲线嗍。其最终计算地表下 沉的公式与概率积分法完全相同，因此有些学者将概率积分法归结为影响函数法 1 5 0 l 。德国曾根据影响函数法的原理发展了预计地表移动和变形的积分网格法【5 l l 。 1 3 4 连续介质力学理论 连续介质力学方法是将上覆岩层假定为一种连续介质，按现有的力学方法求解 上覆岩层移动与变形的方程。以连续介质力学为基础的方法能够较好地反映岩层以 及地表沉陷力学发展过程的本质。迄今应用的理论主要包括弹性理论、塑性理论、 粘弹塑性理论、断裂理论等 1 萨武斯托维奇理论 萨武斯托维奇将上覆岩层假定为各向同性均质的弹性体，无限拉伸的上覆岩 层，一端支撑在煤层上，另一端支撑在充填体或冒落岩石上。采用温克提出的弹性 地基梁的近似理论可以求解出地表下沉公式1 5 = 1 ； 在充填体上方： 帅，= 一南c x d 笨s 访假甜肚， 1 5 i 文献综述 在煤柱上方： 帅，= 寿e x 一d 笨咖肛+ 瞄肛n ， 口= 去，= 1 啬c 2 9 ，弘v 面2 1 面2 ” 式中： 渊层本身的阻力系数； 硒填体本身的阻力系数； 县一系数，e = 兰一； f i _ 弹性模量； ，一泊松比。 2 波兰a s a l u s t o w i c z 理论 应用弹性基础梁理论给出了地表下沉表达式： 在充填体上方： 矿( 功= 降，慨一妄阡，m 。p 一“c o s o 譬(