采空區(qū)塌陷規(guī)律資料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第一章緒論研究背景 隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源需求口益增加，伴隨著礦石的開采人們獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，然而采空區(qū)安全問題口益突出。部分礦山采用空場采礦法開采，礦體開采后，形成了大面積采空區(qū)，隨著采空區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，采空區(qū)地壓不斷增加，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)局部冒落，礦柱變形并破壞，最終有可能導(dǎo)致采空區(qū)塌陷，嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)。近幾十年來，采空區(qū)冒頂塌陷事故不斷，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，部分采空區(qū)現(xiàn)狀己成為礦山安全生產(chǎn)的重大隱患，采空區(qū)塌陷己成為礦

2、山生產(chǎn)的重要地質(zhì)災(zāi)害之一1-3 以大冶桃花山礦采空區(qū)塌陷事故為例，該礦山采用空場采礦法，經(jīng)過多年開采，己形成多水平大面積采空區(qū)。由于回采結(jié)束后采空區(qū)缺乏有效支護(hù)手段，1998年至2003年礦山共發(fā)生過六次采空區(qū)塌陷事故，上下采空區(qū)連通且塌陷至地表，形成了一個長約70- 80米，寬約30-50米，50米深，面積約3000平方米的近似圓形塌陷坑，給礦山生產(chǎn)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失4-6 采空區(qū)塌陷是一個復(fù)雜的力學(xué)時空過程，礦山巖體復(fù)雜，影響因素極多，解決這類問題需要進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。研究采空區(qū)塌陷規(guī)律，可以找出礦山采空區(qū)塌陷的主要影響因素，判斷塌陷區(qū)的發(fā)展趨勢以及現(xiàn)有采空區(qū)的穩(wěn)定性，為采空區(qū)塌陷預(yù)警、

3、采礦工程設(shè)計、采空區(qū)治理工作、采空區(qū)安全評價等提供理論依據(jù)。準(zhǔn)確的采空區(qū)塌陷規(guī)律研究對礦山安全和生產(chǎn)具有重大作用，準(zhǔn)確的研究結(jié)果可保證最大限度的回收國家礦產(chǎn)資源，避免資源的浪費(fèi)，為礦山帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，同時可指導(dǎo)礦山生產(chǎn)的安全進(jìn)行，預(yù)防塌陷事故的發(fā)生和降低塌陷事故帶來的危害。因此，在地下采礦形成大規(guī)模采空區(qū)時，掌握采空區(qū)塌陷規(guī)律，對礦山安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行具有重要意義7。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 采空區(qū)塌陷規(guī)律的研究，是礦山重要課題之一。采空區(qū)塌陷問題研究的重點(diǎn)是采空區(qū)頂?shù)装宓墓芾?、采空區(qū)圍巖的控制、采空區(qū)上覆巖層移動規(guī)律和采空區(qū)地壓活動所導(dǎo)致災(zāi)害的控制及地表沉陷的控制。其工程特點(diǎn)表現(xiàn)為:礦山地質(zhì)條件和

4、圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)復(fù)雜多變;隨著礦體的開采，采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力大小不斷改變;巖層的運(yùn)動狀態(tài)也不斷變化;礦山采空區(qū)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型不斷發(fā)展變化fgl。采空區(qū)頂板冒落、地表塌陷及沖擊地壓等是目前礦山最大威脅之一9。礦山采空區(qū)頂板冒落、片幫、塌陷等引起的安全事故，是礦山生產(chǎn)事故中很大一部分，其根本原因則是采空區(qū)地壓平衡的失控，為此，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，在采煤形成采空區(qū)塌陷問題研究上己取得重要成果，并形成了開采沉陷學(xué)科10-12 早在1838年。比利時Gono t就提出了開采沉陷“垂線理論”，隨后又提出了“法線理論”。德國的Jicinsky于1876年提出“二等分線理論”。耳西哈于1882提出“

5、自然斜面理論”13。法國的裴約爾于1885年提出“拱形理論”等。1903年，Halbaum認(rèn)為，可將采空區(qū)上覆巖層視作懸臂梁，地表變形是由上覆巖層的下沉導(dǎo)致的。1909 Korten根據(jù)變形實測結(jié)果總結(jié)出水平變形與移動的分布規(guī)律。1913年，Eckardt認(rèn)為巖層的移動應(yīng)是巖層逐步彎曲導(dǎo)致的。1919年，Lehmann提出，地表沉陷過程與褶皺的形成過程類似。S chmitz等人于1923-1940年提出了影響函數(shù)法研究開采沉陷影響面積。前蘇聯(lián)的阿維爾申利于1947年建立了地表下沉盆地剖面方程。波蘭學(xué)者Litwinszyn于1954年提出隨機(jī)介質(zhì)理論研究開采沉陷“。至此，國外己逐步形成開采沉陷學(xué)

6、科的理論體系。 上世紀(jì)50年代，我國開始對開采沉陷理論進(jìn)行研究，經(jīng)過多年努力，也己逐步形成一套符合我國礦山開采實際情況的開采沉陷理論。1965年，劉寶深、廖國華等在隨機(jī)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展，提出了“概率積分法”。1981年，何國清ls等提出了碎塊體理論。1985年，何萬龍16等提出了地表移動的計算方法。1988年，劉文生17研究了礦房尺寸對地表沉陷的影響。2000年，郭增長18提出了預(yù)計地表在不充分開采時移動的方法。2005年，張永波19等根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果和相似模擬實驗結(jié)果，結(jié)合分形幾何理論對采動覆巖形成分形裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化規(guī)律進(jìn)行了研究。2008年，黃英華研究了石膏礦采用房柱法時采空區(qū)的失穩(wěn)機(jī)理

7、。2010年，王鵬20研究了復(fù)雜開采條件時上覆巖層變形和移動規(guī)律。 目前，采空區(qū)塌陷研究方法主要有以下幾種: 1唯象學(xué)研究方法。這類方法是通過收集地表位移的監(jiān)測和觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法總結(jié)上覆巖層移動與地表沉陷規(guī)律，學(xué)者己提出了多種地表塌陷預(yù)測方法，典型的有典型曲線法21概率積分法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，剖面函數(shù)法22，分布函數(shù)法23 ，模糊數(shù)學(xué)方法，圖表法24，灰色預(yù)測方法，采空區(qū)矢量法及穩(wěn)健統(tǒng)計方法25等。 2)力學(xué)研究方法。為揭示上覆巖體破壞的力學(xué)本質(zhì)，學(xué)者們提出了許多力學(xué)模型和假說，如普氏地壓學(xué)說、懸臂梁(板)冒落論26-27、太沙基理論、冒落巖體碎脹充填論、冒落巖塊鉸結(jié)論、采場薄板礦壓理論、

8、礦山巖體損傷力學(xué)方法、巖層控制的關(guān)鍵層理論28等，這些理論加強(qiáng)了人們對上覆巖層移動規(guī)律的認(rèn)識。但由于開采塌陷問題過于復(fù)雜，目前尚無公認(rèn)和通用的采空區(qū)塌陷理論。 (3)數(shù)值模擬方法。隨著計算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，某些軟件己能較準(zhǔn)確的模擬采空區(qū)塌陷過程和地下巖層的移動，數(shù)值模擬方法己廣泛應(yīng)用于復(fù)雜巖體力學(xué)問題的研究。目前，常用數(shù)值分析方法為:有限差分法、有限單元法、邊界單元法等。依據(jù)上述數(shù)值分析方法，世界上許多公司己開發(fā)出相應(yīng)專用程序。有限差分程序有美國Ita sca公司開發(fā)的FLAC3 D，有限元程序則有加拿大學(xué)者研究出的SAP2D、我國西安礦業(yè)學(xué)院開發(fā)的NCAP和SASI公司開發(fā)的最著名

9、的ANSYS，邊界單元法程序是由南安普敦大學(xué)首創(chuàng)的，目前己開發(fā)出TWOFS, TWODD, TWOD1程序，此外，由加拿大多倫多大學(xué)開發(fā)的邊界單元程序EXAMINE也己得到應(yīng)用29-35采空區(qū)塌陷研究己取得了十分可喜的成績，但尚有許多需要探討和深入研究的內(nèi)容，有很多問題還需要進(jìn)行全面系統(tǒng)深入的研究，還需要一個長期的研究發(fā)展過程才能滿足于工程實踐的要求。3研究內(nèi)容和方法 空場采礦法礦體開采后形成的采空區(qū)塌陷涉及到采空區(qū)頂板、礦柱、圍巖、上覆巖層穩(wěn)定性，破壞機(jī)理及其復(fù)雜，影響因素甚多。采空區(qū)塌陷過程及其復(fù)雜，其影響因素和破壞機(jī)理尚未完全研究清楚?；诂F(xiàn)有研究現(xiàn)狀，對采空區(qū)頂板和礦柱失穩(wěn)機(jī)理和破壞模

10、式進(jìn)行了總結(jié)，利用ANSYS有限元程序分析采空區(qū)應(yīng)力分布情況和穩(wěn)定性，結(jié)合桃花山礦塌陷實例分析其采空區(qū)塌陷規(guī)律并找出采空區(qū)塌陷控制因素。研究思路如下: (1)搜集資料:選擇研究方向，總結(jié)礦山地質(zhì)資料，現(xiàn)場調(diào)查礦山采空區(qū)規(guī)模和采空區(qū)塌陷情況及塌陷現(xiàn)狀，搜集國內(nèi)采空區(qū)塌陷相關(guān)資料，并對相關(guān)資料進(jìn)行總結(jié)和歸納。 (2)數(shù)值模擬:在礦山現(xiàn)場選取礦石和圍巖巖樣，在實驗室進(jìn)行點(diǎn)載荷實驗，并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料選取數(shù)值模擬中巖體參數(shù)，根據(jù)礦山各采場現(xiàn)狀平面圖、現(xiàn)狀圖和地表地形圖等構(gòu)建礦山三維有限元模型，結(jié)合礦山實際情況施加邊界條件，計算分析礦山各采空區(qū)應(yīng)力分布情況和采空區(qū)穩(wěn)定性。 (3)頂板和礦柱穩(wěn)定性分析:結(jié)

11、合現(xiàn)有頂板和礦柱穩(wěn)定性計算方法，對礦山現(xiàn)有采空區(qū)頂板和礦柱進(jìn)行了穩(wěn)定性計算和分析，得出采空區(qū)頂板和礦柱穩(wěn)定性。 (4)采空區(qū)塌陷規(guī)律研究:根據(jù)礦山歷次采空區(qū)塌陷實例，分析礦山頂板冒落規(guī)律?；诓煽諈^(qū)塌陷基本條件計算分析地表塌陷形成過程和規(guī)律，并分析塌陷體穩(wěn)定性。 (5)采空區(qū)塌陷控制因素和塌陷防治措施研究:結(jié)合礦山地質(zhì)條件和采空區(qū)現(xiàn)狀，基于桃花山礦采空區(qū)塌陷規(guī)律，分析桃花山礦采空區(qū)塌陷控制因素。結(jié)合礦山塌陷現(xiàn)狀，提出采空區(qū)塌陷防治措施。第四章采空區(qū)失穩(wěn)機(jī)理和破壞模式4.1引言 空場采礦法在礦體開采后，采場以敞空形式存在，往往會形成大面積采空區(qū)，主要靠礦柱和圍巖本身強(qiáng)度來維護(hù)采空區(qū)穩(wěn)定36。隨著

12、礦體的開采，采場圍巖應(yīng)力狀態(tài)不斷改變，采場原始應(yīng)力平衡破壞，應(yīng)力狀態(tài)重新分布，最后會達(dá)到新的平衡狀態(tài)。采空區(qū)形成后，采空區(qū)覆巖失去支撐，原本平衡狀態(tài)破壞，致使上覆巖層移動變形，發(fā)生頂板冒落，甚至?xí)?dǎo)致采空區(qū)大面積塌陷，采空區(qū)離地表較近時，采空區(qū)塌陷會導(dǎo)致地表塌陷。 空場采礦法形成的采空區(qū)，其穩(wěn)定性狀態(tài)由頂板和礦柱穩(wěn)定性共同決定，其中頂板破壞是目前礦山主要災(zāi)害之一37。采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)基本可以分為以下幾個類型:(1)礦柱穩(wěn)定、礦房穩(wěn)定;(2礦柱穩(wěn)定、采空區(qū)頂板失穩(wěn)。此時，礦柱穩(wěn)定，但采空區(qū)頂板失穩(wěn)后采空區(qū)頂板大面積冒落，可導(dǎo)致上下采空區(qū)連通;(3)礦柱失穩(wěn)、頂板完整。由于礦柱所受荷載超過礦柱強(qiáng)度

13、，礦柱破壞失穩(wěn)，且不足以支撐采空區(qū)頂板巖層，造成上覆巖層整體向下沉陷;(4)礦柱失穩(wěn)、頂板整體破壞。礦柱失穩(wěn)破壞后，頂板巖層不斷向上破壞甚至有可能發(fā)展至地表。采空區(qū)采深較小時，則會形成地表塌陷。 采空區(qū)塌陷是一個復(fù)雜的力學(xué)時空過程，礦山巖體復(fù)雜，影響因素極多，采空區(qū)塌陷影響因素主要有地質(zhì)條件、采空區(qū)開采方式、頂?shù)装骞芾矸椒?、圍巖物理力學(xué)條件、采空區(qū)開采深度、采空區(qū)規(guī)模、采空區(qū)空間位置等。4.2采空區(qū)頂板破壞模式和失穩(wěn)機(jī)理 采空區(qū)頂板失穩(wěn)時，則會發(fā)生頂板冒落。按照頂板冒落范圍，常見頂板冒落可分為兩大類。 (1)局部冒頂 局部冒落的特點(diǎn)主要為冒落范圍較小，冒落巖體體積較小，原因是己失穩(wěn)破壞的頂板巖

14、體失去依托導(dǎo)致的，其觸發(fā)原因是采礦工作(包括爆破、裝礦等)過程中，未及時支護(hù)己暴露可見的破碎頂板。 (2)大面積冒頂 采空區(qū)大面積頂板冒落時會產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波引起災(zāi)難性的破壞。隨著采礦的不斷進(jìn)行，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，如不及時處理，采空區(qū)達(dá)到一定的規(guī)模后可以誘導(dǎo)頂板巖石的崩落，而且可使冒落分階段、大面積地發(fā)生，大片的采空區(qū)巖石冒落又可以引起空氣快速擴(kuò)散產(chǎn)生空氣沖擊波，并產(chǎn)生巨大的沖擊壓力。沖擊波所產(chǎn)生的氣浪具有很大的破壞性，給礦山井下作業(yè)人員和設(shè)備帶來危害。4.2.1頂板破壞模式頂板破壞模式，指采空區(qū)形成后，懸露頂板在次生應(yīng)力和其自重共同作用下表現(xiàn)出的失穩(wěn)破壞方式。各采空區(qū)由于采空區(qū)規(guī)模、地質(zhì)條件等因

15、素的不同，頂板破壞模式也各不相同。通過分析總結(jié)采空區(qū)頂板失穩(wěn)現(xiàn)象，可將頂板的破壞模式概括為拱形冒落、沿斷層破碎帶抽冒、折斷垮落、楔形冒落和頂板的離層垮冒五種破壞模式。 （1）頂板拱形冒落。根據(jù)普氏地壓學(xué)說，采空區(qū)頂板巖塊在自重作用下，會逐漸冒落，最終形成一定高度的免壓拱以支撐上覆巖體自重，免壓拱形成后，采空區(qū)頂板會趨于穩(wěn)定。 (2)沿斷層破碎帶抽冒。如果采空區(qū)上覆巖層存在斷層破碎帶，頂板被斷層切割，如果斷層破碎帶傾角較大、厚度較大，頂板則會沿斷層破碎帶抽冒。 (3)頂板折斷垮落。頂板巖層厚度不大，巖體強(qiáng)度較低時，如果存在斷層破碎帶垂直礦體走向切割采場頂板，可使頂板成為懸臂梁，在頂板巖體自重作用

16、下，在垂直方向和水平方向頂板會發(fā)生折斷破壞。 (4)頂板楔形冒落。如果頂板巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，部分頂板巖體被多條較大裂隙切割后形成楔形巖體，楔形體在自重作用下回脫離母巖冒落。 (5)頂板離層冒落。采空區(qū)上覆巖層為層狀，如果巖體層間結(jié)合力小，單層連續(xù)性好，單層巖層厚度小，巖石強(qiáng)度低而頂板跨度較大，則在構(gòu)造力和巖體自重共同作用下，頂板巖層之間會分離，直接頂板產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)彎曲變形超過巖層抗拉強(qiáng)度時，直接頂板巖體向采空區(qū)冒落。4.2.2頂板失穩(wěn)機(jī)理 (1)地質(zhì)構(gòu)造弱面導(dǎo)致冒落 礦巖層在形成過程中隨地質(zhì)變化形成的地質(zhì)構(gòu)造弱面，對頂板的穩(wěn)定性影響很大38弱面的存在破壞了頂板的完整性，有的弱面使巖性、頂板

17、組合結(jié)構(gòu)改變，頂板的強(qiáng)度降低，最后導(dǎo)致頂板冒落。裂隙、節(jié)理等構(gòu)造較發(fā)育時，會頻繁出現(xiàn)小規(guī)模冒頂，極端時會發(fā)生大面積頂板冒落。裂隙發(fā)育形成的弱面，對頂板的穩(wěn)定性影響也較大。雖然頂板巖性、結(jié)構(gòu)未改變，但頂板完整性破壞，強(qiáng)度大大降低，穩(wěn)定性也降低。節(jié)理裂隙發(fā)育時，頂板巖體受壓后容易破碎，如果未支護(hù)，則會發(fā)生局部冒頂。層理發(fā)育形成的弱面，則使頂板組合結(jié)構(gòu)改變，頂板巖體沿層理產(chǎn)生離層裂隙，導(dǎo)致巖層和母巖分離，使頂板巖體強(qiáng)度降低從而發(fā)生離層冒落。而且，層理面越光滑，頂板穩(wěn)定性越差;有水平層理的頂板較有斜交波狀層理的頂板穩(wěn)定性差;當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度相同，有層理弱面的巖層厚度越小，頂板越容易失穩(wěn)。 (2)“關(guān)鍵塊

18、體”導(dǎo)致冒落 半堅硬和堅硬巖層中，各種結(jié)構(gòu)弱面將頂板巖體切割成鑲嵌塊體。礦體開挖前，這些鑲嵌塊體處在應(yīng)力平衡狀態(tài)。礦體開挖后，鑲嵌塊體暴露并失去了支撐，暴露出的鑲嵌塊體失去平衡，會沿著巖體中結(jié)構(gòu)弱面滑動、失穩(wěn)。這些鑲嵌塊體即為“關(guān)鍵塊體”f39“關(guān)鍵塊體”是保持采空區(qū)頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵組成，同時也是采場頂板穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)。采空區(qū)頂板中存在的某個“關(guān)鍵塊體”的冒落，會使相鄰塊體失穩(wěn)并釋放冒落，連鎖反應(yīng)下會導(dǎo)致采空區(qū)頂板塊體的連續(xù)冒落，甚至致使采空區(qū)頂板整體失穩(wěn)、冒落。 (3)應(yīng)力集中導(dǎo)致冒落 礦體開挖前，圍巖應(yīng)力狀態(tài)自然平衡;開挖后，自然平衡狀態(tài)破壞，原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布。隨

19、著工作面的不斷推進(jìn)，原巖應(yīng)力分布狀態(tài)不斷改變而產(chǎn)生新的應(yīng)力場，從而在采場頂板中會出現(xiàn)應(yīng)力集中40。根據(jù)“普氏地壓學(xué)說”，采空區(qū)形成后，在應(yīng)力集中作用下，頂板免壓拱形成范圍內(nèi)頂板巖體應(yīng)力狀態(tài)失去平衡，頂板巖層會出現(xiàn)下沉、彎曲現(xiàn)象，采空區(qū)頂板中部出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力增加到一定大小并超過頂板巖體極限抗拉強(qiáng)度時，頂板巖層出現(xiàn)拉裂縫，隨著時間推移，拉裂縫會不斷延伸擴(kuò)大最終致使頂板冒落。 (4)能量釋放導(dǎo)致冒落 在巖體構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力的共同作用下，巖體的形狀和體積改變，產(chǎn)生彈性能量聚積41-42。俄國阿維爾申提出，礦巖體內(nèi)聚積的彈性能組成為:由體積變化產(chǎn)生的體變彈性能Uv、形狀變化產(chǎn)生的形變彈性能U

20、f和頂板彎曲下沉產(chǎn)生彎曲彈性能Uw組成，即:式中： 由上式可知，隨開采深度、懸頂長度和采空區(qū)暴露面積的增加，積聚的能量越大。當(dāng)圍巖能量積聚到一定值時，產(chǎn)生的應(yīng)力會超過頂板巖體極限強(qiáng)度，此時，彈性能就會突然釋放，導(dǎo)致巖體嚴(yán)重破壞，就會產(chǎn)生巖體的彈射或頂板冒落等現(xiàn)象。 (5)地下水導(dǎo)致冒落 當(dāng)?shù)V體圍巖可溶時，受井下充填富余水和構(gòu)造裂隙水的影響，圍巖物理力學(xué)性能大大減弱，致使采場頂板巖體相互作用力下降，從而造成頂板冒落。4.3礦柱破壞模式及影響因素 采空區(qū)形成后，采場應(yīng)力狀態(tài)重新分布，采空區(qū)穩(wěn)定性主要由留設(shè)的礦柱維持，礦柱穩(wěn)定性是決定礦山安全生產(chǎn)順利進(jìn)行的重要問題43。礦柱穩(wěn)定性與采場安全密切相關(guān)，

21、合理確定礦柱位置、尺寸、留設(shè)形式既能提高礦石回采率，又可以保證采空區(qū)安全。不合理的礦柱留設(shè)形式，會導(dǎo)致礦柱承受荷載集中，所受荷載超過礦柱強(qiáng)度就會致使礦柱失穩(wěn)破壞，引發(fā)礦柱上覆巖體破壞，導(dǎo)致冒頂?shù)仁鹿?44.3.礦柱破壞形式 礦體開采后，圍巖應(yīng)力重新分布，礦柱荷載會增加。礦柱荷載超過礦柱強(qiáng)度時，礦柱發(fā)生破壞。根據(jù)大量實驗和現(xiàn)場觀察證明，礦柱破壞形式主要為脆性破壞、延性破壞和弱面剪切破壞45，如圖4.1所示: (1)脆性破壞 礦石硬度不大時，礦柱失穩(wěn)后發(fā)生脆性破壞。礦柱在載荷作用下沒有顯著變形就突然破壞。產(chǎn)生這種破壞的原因是巖石中裂隙發(fā)育和發(fā)展的結(jié)果。 (2)延性破壞 礦柱很少發(fā)生這種破壞，因為在

22、這種情況下礦柱破壞之前要發(fā)生很大的變形，且沒有明顯的破壞載荷，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出。但在錨桿支護(hù)的情況下，礦柱受兩向或三向的力也可能發(fā)生延性破壞(或塑性破壞)。 (3)弱面剪切破壞 由于礦柱中存在節(jié)理、裂隙、層理、軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，礦柱的整體性受到破壞。在荷載作用下，這些軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪切力大于該面上的強(qiáng)度時，礦柱就發(fā)生沿著弱面的剪切破壞。4.3.2礦柱失穩(wěn)控制因素礦柱是否失穩(wěn)與很多因素有關(guān)，主要有以下幾種因素: (1)礦柱強(qiáng)度，主要為礦石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度; (2)礦柱所承受上覆巖體荷載大小; (3)礦柱中的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面與作用力之間的方位關(guān)系對礦柱強(qiáng)度有著很大的影響; (4

23、)礦柱的寬高比，礦柱寬度與高度比值越小，礦柱越易失穩(wěn); (5)礦柱尺寸與礦房尺寸，礦房尺寸一定時，礦柱尺寸與位置是否合理決定了礦柱是否失穩(wěn)，礦柱尺寸不合理時，礦柱承受荷載過大失穩(wěn)后先行破壞而導(dǎo)致荷載集中到相鄰礦柱，引發(fā)相鄰礦柱失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致采空區(qū)頂板的大面積冒落。4.3.3礦柱失穩(wěn)機(jī)理 隨著礦體開采，采空區(qū)礦柱受開挖(如反復(fù)加卸載、爆破震動)的影響，礦柱一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力集中并超過巖體屈服極限，巖體狀態(tài)由彈性變?yōu)樗苄?，并形成松動區(qū)，可稱為塑性軟化區(qū)ay。礦柱中部巖體為彈性狀態(tài)，該部分巖體位于彈性區(qū)。彈性區(qū)內(nèi)巖體內(nèi)積蓄彈性應(yīng)變能釋放后，塑性軟化區(qū)擴(kuò)大，從而導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)。其力學(xué)模型可簡化為圖4

24、.2 0 大量實驗結(jié)果表明，巖石受載時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性為:加載開始時，在應(yīng)力作用下巖石中原本存在的微裂紋閉合，隨著巖石所受載荷增加，巖石到達(dá)線彈性變形階段，巖石變形超過其彈性極限時，巖石中微裂紋會迅速傳播，直至巖石的應(yīng)力達(dá)到其峰值強(qiáng)度。在此之后，巖石的性質(zhì)發(fā)生明顯改變，隨著變形的增加巖石的抗變形能力不斷減少，巖石開始表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。4.4多水平采空區(qū)塌陷模式及機(jī)理 空場采礦法礦體開采后會形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)主要靠礦柱和頂板支撐上覆巖層，礦體傾角和厚度較大時，必然會形成多水平采空區(qū)。多水平開采時，上覆巖層壓力主要由最上層采空區(qū)頂板和礦柱支撐，上部采空區(qū)礦柱所承受荷載會逐步傳遞到下部采空

25、區(qū)礦柱和頂板上。多水平開采時，所留礦柱尺寸、形狀、空間位置及其重要，當(dāng)上下兩層礦柱對應(yīng)時，上覆巖層荷載才能通過礦柱有效傳遞到下部采空區(qū)頂板和礦柱，從而確保采空區(qū)穩(wěn)定性。 多水平開采時，所留礦柱空間位置可分為以下幾種情況: (1)上下礦柱完全不對應(yīng)(如圖4.3 a):上部采空區(qū)礦柱承受荷載絕大部分由下部采空區(qū)頂板巖層承擔(dān)。如果此時頂板所承受荷載過大，則發(fā)生大面積采空區(qū)冒頂可能性很大。 (2)上下礦柱部分對應(yīng)(如圖4.3b):上層礦柱荷載部分由下層采空區(qū)頂板巖層承擔(dān)，此時局部頂板和礦柱應(yīng)力集中，發(fā)生局部冒頂事故可能性很大。 (3)上下礦柱完全對應(yīng)(如圖4.3c):此時礦柱荷載能有效傳遞，礦柱能有效

26、支撐上覆巖層。 多水平開采時，采空區(qū)深度對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響也較大。采深較大時，采空區(qū)上覆巖層荷載相對較大，礦柱和頂板所承受壓力也越大。頂板和礦柱更容易失穩(wěn)。頂板和礦柱破壞后，由于巖體具有松散特性，垮落巖體會充填采空區(qū)，采空區(qū)體積變小，應(yīng)力重新分布，采空區(qū)會逐步趨于穩(wěn)定(如圖4.4a。采深較小時，上覆巖層荷載相對較小，但采空區(qū)塌陷后，如果冒落巖體厚度不夠，則會形成地表塌陷(如圖4.4b ) o 地表塌陷形成后，采空區(qū)上覆巖層整體性遭到破壞，上覆巖層會形成更多的斷層、裂隙和節(jié)理，如果形成的塌陷體下方存在采空區(qū)，則塌陷體有可能向下部繼續(xù)發(fā)展。根據(jù)經(jīng)驗，塌陷巖體向下發(fā)展必須滿足兩個基本條件:失穩(wěn)力學(xué)

27、條件和采空塌陷空間。 (1)塌陷巖體具備失穩(wěn)力學(xué)條件:當(dāng)采空區(qū)上方的圍巖，在可塌陷巖體接觸面上不能夠提供足夠的抗剪強(qiáng)度來支撐對應(yīng)的可塌陷巖體重量時，采空塌陷即可發(fā)生。反之，則處于穩(wěn)定狀態(tài)。 (2)塌陷巖體具備足夠的采空塌陷空間:巖石破壞后有一定松散系數(shù)，破壞巖體會充填采空區(qū)，只有當(dāng)下方有足夠的采空塌陷空間時，塌陷體才會向下發(fā)展，導(dǎo)致地表塌陷坑的進(jìn)一步擴(kuò)大。第六章桃花山礦采空區(qū)塌陷規(guī)律及影響因素 桃花山礦采用空場采礦法，經(jīng)過多年開采，己累計形成采空區(qū)面積約3萬mz，開采期間，礦山發(fā)生過多次采空區(qū)塌陷，己形成地表塌陷，部分采空區(qū)己被塌陷體充填。目前礦山正在一188米水平以下進(jìn)行采礦活動，數(shù)值計算結(jié)

28、果表明，礦山局部采空區(qū)應(yīng)力集中，有可能發(fā)生小規(guī)模采空區(qū)冒頂，為保證礦山安全生產(chǎn)，在收集、整理礦山相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析了礦山采空區(qū)塌陷規(guī)律、塌陷體發(fā)展趨勢和采空區(qū)穩(wěn)定性，為礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。6.1采空區(qū)頂板冒落過程和破壞模式6.1.1桃花山礦頂板冒落過程 礦山前期開采無序，上部采空區(qū)規(guī)模較大，采空區(qū)位置上下重疊且無上下對應(yīng)礦柱，回采結(jié)束后采空區(qū)未處理且缺乏有效支護(hù)手段。桃花山礦井于1998年發(fā)生采空區(qū)冒頂塌陷事故，冒頂塌陷使一23米水平和一86米水平采空區(qū)與上部采空區(qū)分別連通，空區(qū)區(qū)高度分別達(dá)到48.5米和43米。2002年2月14口地表塌陷，-86米水平采場與地表+117米

29、貫通，形成長50米，寬30米的塌陷坑，2月17口塌陷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。2003年10月和2007年7月桃花山礦原塌陷區(qū)又發(fā)生地面沉降變形，最后形成了一個長約70- 80米，寬約30-50米，50米深，面積約3000平方米的近似圓形塌陷坑。采空區(qū)與塌陷區(qū)剖面圖如圖6.1所示。 根據(jù)礦山歷次塌陷相關(guān)資料，綜合分析可知桃花山礦采空區(qū)頂板的冒落過程可大致分為以下幾個階段。 (1頂板穩(wěn)定階段 礦體開采過程中，采空區(qū)跨度、采高較小，頂板厚度足夠，礦體開采時，采場崩下大量礦石和巖石，對采場圍巖和頂板有一定支撐作用。采場規(guī)模足夠小時，采場頂板穩(wěn)定。 (2)頂板免壓拱形成階段 隨著開采范圍增大，采場頂板跨度和規(guī)模增

30、大，在頂板巖體自重影響下，頂板巖體會出現(xiàn)冒落，形成一定高度免壓拱。 (3)頂板大面積冒落階段 礦體開采結(jié)束后，采空區(qū)形成，由于采空區(qū)跨度、采高過大，頂板厚度不足，地質(zhì)構(gòu)造若面破壞頂板整體性等原因，采空區(qū)頂板大面積冒落，甚至出現(xiàn)頂板整體塌陷導(dǎo)致上下采空區(qū)連通。 (4)地表塌陷階段 上下采空區(qū)連通后，采空區(qū)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，最上層采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定狀態(tài)破壞，整體失穩(wěn)，上覆巖體冒落或整體下滑，直至形成地表塌陷，塌陷體充填采空區(qū)后，采空區(qū)暫時穩(wěn)定。 (5)塌陷體向下發(fā)展階段 地表塌陷后，塌陷體充填采空區(qū)，下部采空區(qū)局部上覆巖體為塌陷體，塌陷體整體強(qiáng)度較低，采空區(qū)頂板上覆巖體壓力較大且超過頂板抗壓強(qiáng)度，下

31、部采空區(qū)頂板失穩(wěn)直至整體垮落，塌陷體向下進(jìn)一步發(fā)展充填下部采空區(qū)，地表塌陷區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。6.1.2桃花山礦頂板破壞模式 總結(jié)分析桃花山礦歷次塌陷資料，該礦山頂板主要存在以下幾種破壞模式: (1)頂板拱形冒落。前期開采時，采空區(qū)跨度、采高較大，頂板巖體在自重作用下向上冒落，礦山大部分采空區(qū)頂板破壞形式都表現(xiàn)為拱形冒落，當(dāng)頂板厚度不足時，則會出現(xiàn)頂板大面積冒落事故，如1998年發(fā)生的頂板冒落和2002年9月發(fā)生的頂板冒落; (2)沿斷層破碎帶抽冒。據(jù)地質(zhì)資料表明，該礦礦體受破碎帶控制，礦體走向基本與破碎帶走向一致，局部采空區(qū)頂板在斷層切割作用下會冒落，2006年9月，桃花山礦在負(fù)142米、負(fù)1

32、57米和負(fù)172米三個水平中段采空區(qū)的頂板就出現(xiàn)過沿斷層破碎帶抽冒; (3)頂板折斷垮落。地表塌陷形成后，部分采空區(qū)正上方為塌陷體，塌陷體施加荷載集中在部分采空區(qū)頂板，頂板巖層厚度不大，在斷層破碎帶作用下，頂板成為懸臂梁，塌陷體施加荷載超過頂板強(qiáng)度極限，頂板折斷垮落; (4)塌陷巖體擊穿頂板。塌陷體充填部分采空區(qū)后，上部采空區(qū)頂板失穩(wěn)向下冒落，采空區(qū)內(nèi)塌陷體隨之向下冒落，形成巨大沖擊力，在沖擊力作用下，頂板直接被擊穿直至整體垮落。6.2塌陷體發(fā)展規(guī)律和穩(wěn)定性分析原桃花山礦井前期開采時，上部采空區(qū)離地表較近，采空區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，在外界因素綜合影響下，上部采空區(qū)頂板冒落，上下采空區(qū)連通，直至在桃

33、花山礦井地表形成地表塌陷。塌陷體充填上部采空區(qū)后，在雨水等因素影響下，塌陷體逐步向下發(fā)展，導(dǎo)致下部采空區(qū)塌陷充填，地表塌陷坑范圍逐步擴(kuò)大，目前，塌陷體己充填至一140米水平采空區(qū)。結(jié)合礦山歷次塌陷資料，采用力學(xué)方法分析塌陷體發(fā)展規(guī)律和塌陷體穩(wěn)定性。6.2.1地表塌陷基本條件 針對桃花山礦，塌陷體不斷向下發(fā)展。根據(jù)經(jīng)驗，塌巖體向下發(fā)展必須滿足兩個基本條件:失穩(wěn)力學(xué)條件和采空區(qū)塌陷空間。從力學(xué)成因來講，只有當(dāng)這兩個條件同時滿足時才會形成采空區(qū)塌陷。 (1)塌陷巖體具備失穩(wěn)力學(xué)條件:當(dāng)采空區(qū)上方的圍巖，在可塌陷巖體接觸面上不能夠提供足夠的抗剪強(qiáng)度來支撐對應(yīng)的可塌陷巖體重量時，采空塌陷即可發(fā)生。反之，則處于穩(wěn)定狀態(tài)。 (2塌陷巖體具備足夠的采空塌陷空間:如圖6.2所示，巖石破壞后有一定松散系數(shù)，破壞巖體會充填采空區(qū)，只有當(dāng)下方有足夠的采空塌陷空間時，塌陷體才會向下發(fā)展，導(dǎo)致地表塌陷坑的進(jìn)一步擴(kuò)大。 采空區(qū)具備塌陷基本條件后，塌陷體向采空區(qū)發(fā)展，塌陷體具有一定采空塌陷勢能。 如圖6.2所示，假定采空區(qū)高度為h，采空區(qū)跨度為L，位于采空區(qū)上方和采空區(qū)跨度L等寬的巖體重量為W，則采空塌陷勢能尸:可用下式表示: （6.1） 顯然，如式6.1所示，采空塌陷勢能與采空區(qū)高度h和塌陷體總重量W成正比。而塌陷體總重量與塌陷體幾何尺寸成正比。