复杂条件下空区诱发的岩移及冒落效应研究.pdf

分类号密级 U D C10407学号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 复杂条件下空区诱发的岩移及冒落效应研究复杂条件下空区诱发的岩移及冒落效应研究 Research on goaf rock movement and roof caving effect under the complex conditions 学 位 类 别硕士 作 者 姓 名陈尚波 学 科 专 业采矿工程 研 究 方 向岩石力学与工程 指 导 老 师张耀平（教授） 2014 年5月25日 万方数据 第六章 结论与展望 69 学位论文独创性声明 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。据我所知， 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 包含已获得江西理工大学或其他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做了明确的说明并表示谢意。 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。 研究生签名时间年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解江西理工大学关于收集、保存、使用学位论文的规定即学校有权保存按要求提 交的学位论文印刷本和电子版本，学校有权将将学文论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。本人允许本学位论文被查阅和借阅，同意学校向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并通过网络向社会公众提供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名（手写） 导师签名（手写） 签字日期年月日签字日期年月日 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要 采空区顶板大面积冒落诱发的冲击地压是矿山最主要的灾害形式之一， 为保证矿山 安全、高效、有序的回采，确保资源最大限度的回收，加强空区诱发的上覆岩层移动及 顶板冒落规律研究意义重大。本文采用理论研究、现场实测与计算机模拟计算相结合的 研究方法，全面系统的对复杂条件下空区诱发的岩层移动及顶板冒落规律进行分析， 揭 示了龙桥铁矿矿体回采产生的开采效应，其主要研究内容和成果如下 本文采用基于 SURPAC 的 FLAC3D模型， 模拟龙桥铁矿采用无底柱分段崩落法采矿 工艺诱发的空区顶板冒落规律及岩体移动的时空演变过程，其结果可以概括为矿体的开 采破坏了原岩应力的平衡，引发了空区围岩的岩体移动及应力转移，造成顶板下沉、顶板 鼓起、两帮围岩垮落的现象。空区顶板的最大主应力随着开采的深度及跨度的增加，其应 力集中区域也不断扩大，空区顶板的最大主应力也将由压应力逐渐转为拉应力，底板在一 定程度上应力也得到了释放，随着围岩远离空区，其应力也将恢复到原岩应力状态。 根据能量守衡观点和气体动力学理论， 建立了大规模顶板围岩垮落伴随的冲击气浪 灾害力学模型，并对龙桥铁矿扰流模型冲击气浪进行了计算，估算了岩块冒落引起空气 流动速度的最大值、 岩块冒落产生的冲击气浪速度的最大值及确保井下作业人员安全距 离岩块冒落点的最小距离。 基于无损探地雷达的原理和方法对空区顶板覆盖层厚度进行了探测， 其探测图片可 以清晰的显示矿岩覆盖层厚度达到了两个分层厚度，满足国家安全生产规定要求，保证 了井下作业的安全。 同时通过钻孔摄影技术大量的监测数据表明空区顶板岩体冒落存在 一定的规律性，其随时间的冒落演变过程可以归纳为相对稳定阶段→初始冒落阶段→ 持续冒落阶段。 结合灰色模型、最小二乘支持向量机等人工智能方法的优势, 提出了基于残差型 G-LSSVM 的智能预测方法。将SVM、GM（1,1）模型及残差型 G-LSSVM 模型分别用于龙 桥铁矿覆盖层冒落高度及碴石厚度的预测，残差型 G-LSSVM 预测的精度要优于单一的 SVM 和 GM（1,1） ，该模型可以避免单一人工智能方法预测的盲目性和随机性，可以运 用到相关工程领域，准确及时的预测到冒落高度及碴石厚度对于地下铁矿石资源安全、高 效的回收具有极其重大的意义。 关键词关键词FLAC 3D；覆盖层厚度；钻孔监测；残差型 G-LSSVM 万方数据 Abstract II Abstract Large area caving goaf roof induce impact ground pressure is one of the major s of disasters in mines, In order to ensure the mine safety, efficient and orderly mining, To ensure maximum recycling resources, Strengthen the cavity induced by overlying strata movement and roof caving regularity study is of great significance. In this paper, By theoretical research andfieldmeasurementandcomputersimulationresearchofcombining, Comprehensive system of empty areas under complex conditions induced rock movement and roof caving regularity analysis，Reveals the effects of mining iron ore mining generated LongQiao, The main research contents and results are as follows In this paper, based on FLAC3Dmodel SURPAC,The simulation of Longqiao iron roof of pillarless sublevel caving mining technology induced caving space movement and rock evolution, The results can be summarized as ore mining destroys the balance of the original rock stress, Sparked an empty area surrounding rock moves and stress transfer, Subsidence caused by roof, roof muster, between two rock collapse phenomenon, With the increase of mining depth and span of the roof of an empty area of maximum principal stress, The stress concentration area is also expanding, Empty area of the maximum principal stress roof will also be turning into a tensile stress stress, To some extent, the stress plate has also been released, With the rock away from the empty area, Stress will also be restored to its original rock stress state. According to the energy balance point of view and the theory of gas dynamics, Establishment of a mechanical model of the impact of large-scale disasters blast rock roof collapse accompanied, And Long Qiao iron ore shock waves turbulence model are calculated, Calculated the maximum of rock caving cause air flow speed, the impact of block caving blasts the maximum speed and ensure the underground work personnel a safe distance from the minimum distance of placement of rock. Based on the condition of the ground penetrating radar GPR principle and of cavity roof cladding thickness detection, The detecting images can clearly display ore-bearing rock cover thickness has reached the two layer thickness, Satisfies the requirement of safe production regulations of the state, to ensure the safety of underground work. Meanwhile photography by drilling a large empty area of monitoring data indicate the presence of roof rock caving certain regularity, Its evolution over time of caving process can be summarized as The relatively stable stage, the initial caving stage, continued falling stage. Combined with the grey model, least square support vector machine of artificial 万方数据 Abstract III intelligence and other advantages, proposes the prediction of intelligen residual type based on G-LSSVM. The SVM model, GM 1,1 model and the residual-type G-LSSVM model were used to overlay LongQiao iron ballast stone caving height and thickness of the forecast, The residual type G - LSSVM forecasting accuracy is better than a single SVM and the GM 1, 1, The model can avoid the blindness and randomness of a single artificial intelligence to predict, Can be applied to the engineering field. Accurate and timely forecast to caving height and thickness of ballast stone is of great significance for the recovery of high security, underground iron resources. Key Words FLAC3D;Cover thickness;Drilling monitoring; The residual type G-LSSVM 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 IV 目目录录 摘要.............................................................................................................................................I ABSTRACT...............................................................................................................................II 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 选题背景和研究意义..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 无底柱分段崩落法在国内外应用现状研究...................................................2 1.2.2 采空区顶板冒落规律研究现状.......................................................................2 1.2.3 矿岩覆盖层形成机理研究...............................................................................3 1.3 研究内容、方法和技术路线......................................................................................4 第二章地质概况及矿区地应力测量.........................................................................................6 2.1 区域地质与矿区地质..................................................................................................6 2.2 矿床地质特征..............................................................................................................8 2.2.1 矿体特征...........................................................................................................8 2.2.2 矿床成因...........................................................................................................9 2.3 开采技术条件............................................................................................................10 2.3.1 环境地质条件.................................................................................................10 2.3.2 水文地质条件.................................................................................................10 2.4 矿区地应力测量........................................................................................................11 2.4.1 测点位置及空心包体应力计.........................................................................11 2.4.2 主应力计算......................................................................................................12 2.4.3 地应力实测结果..............................................................................................17 2.5 本章小结....................................................................................................................21 第三章 空区诱发的顶板冒落特征数值模拟.........................................................................22 3.1 引言............................................................................................................................22 3.2 基于 SURPAC 的 FLAC3D模型建立....................................................................... 22 3.2.1 数值模型的建立.............................................................................................22 3.2.2 数值模拟矿岩力学参数的确定及其模拟矿体开挖的过程.........................23 3.2.3 介质力学模型与破坏准则.............................................................................24 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 V 3.3 矿体回采后顶板冒落和岩层移动规律研究............................................................25 3.3.1 矿体回采诱发的-285 水平剖面垂直位移分析............................................25 3.3.2 矿体回采诱发的-285 水平剖面最大主应力分析........................................28 3.4 垂直矿体走向回采效应显现规律研究....................................................................31 3.4.1 垂直矿体走向回采诱发的最大主应力变化分析.........................................31 3.4.2 垂直矿体走向回采诱发的最小主应力变化分析.........................................33 3.4.3 垂直矿体走向回采诱发的 Z 方向位移变化分析........................................35 3.5 本章小结....................................................................................................................36 第四章 采空区顶板岩体冒落规律与危害分析研究.............................................................38 4.1 引言............................................................................................................................38 4.2 空区顶板岩体冒落过程分析....................................................................................38 4.2.1 空区顶板岩体冒落机理.................................................................................39 4.2.2 采空区顶板冒落规律分析.............................................................................41 4.3 采空区围岩冒落冲击气浪灾害分析........................................................................42 4.3.1 采空区气浪冲击灾害力学模型.....................................................................42 4.3.2 龙桥铁矿绕流模型冲击气浪的计算.............................................................42 4.4 本章小结....................................................................................................................46 第五章 覆盖层厚度及顶板冒落高度监测和智能预测.........................................................47 5.1 引言............................................................................................................................47 5.2 基于无损地质雷达的空区覆盖层厚度的监测与结果分析....................................47 5.2.1 探测方法.........................................................................................................47 5.2.2 探测原理.........................................................................................................48 5.2.3 空区覆盖层厚度探测结果与分析.................................................................49 5.3 基于钻孔摄像的空区顶板冒落高度及碴石监测....................................................52 5.3.1 钻孔监测布置.................................................................................................53 5.3.2 现场监测数据收集.........................................................................................54 5.3.3 顶板围岩冒落规律分析.................................................................................55 5.4 基于残差型 G-LSSVM 的岩石冒落高度及碴石厚度预测.....................................59 5.4.1 基本原理.........................................................................................................59 5.4.2 残差型 G-LSSVM 模型预测.........................................................................60 5.4.3 预测结果分析.................................................................................................62 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 VI 5.5 本章小结....................................................................................................................63 第六章 结论与展望.................................................................................................................64 6.1 论文主要结论............................................................................................................64 6.2 展望............................................................................................................................65 参 考 文 献.............................................................................................................................66 万方数据 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景和研究意义选题背景和研究意义 人类社会的生存和发展离不开矿产这种不可再生资源，它是推动经济社会可持续发展 的不可或缺的物质基础[1-4]。随着人类对地下矿产开采范围的不断扩大和开采深度的不断增 大，在获取重要的农业生产、工业生产发展的物质基础的同时，不可避免会对地下造成破 坏，形成各种形态各异的空区，其面积往往达到几万、几十万，甚至上百万m2，体积则达 到几十万、几百万 m3，这些存在的空区很容易由于失稳而引发顶板大面积冒落，产生巨大 的冲击地压灾害， 从而对地下采矿作业人员和设备构成了巨大的安全隐患[5]。 五十年代以来， 我国辽宁的弓长岭铁矿，湖北的荆襄磷矿，江西的小龙、盘古山、铁山垄、下垄和石人嶂 等钨矿，湖南的锡矿山南矿山，四川里伍铜矿，广西的合浦恒大石膏矿，广西大厂的长坡、 高峰、 铜坑等锡矿都曾发生过大规模地压灾害， 给国家造成了巨大的人员伤害和经济损失[6]。 1965 年湖南的锡矿山南矿山就发生了 2 次巨大的顶板冲击地压灾害，第一次造成地表下沉 盆地达10.69 万 m2，最大下沉深度达0.5m，破坏了通风巷道 120m、运输巷道130m，部分 采矿中段也被迫停产 3 天，造成了资源的严重损失；第二次顶板冲击地压，不但导致了顶 板大面积冒落、地表开裂下沉，通风系统、井下运输破坏，而且还造成 1 号竖井井架发生 倾斜，顶端最大倾斜值达到了 43mm，井壁也出现 11 条大小不一的裂缝。由此可见顶板大 面积来压的危害相当大，很有必要对它的产生、发展过程进行研究并提出相应的防治措施。 安徽庐江龙桥铁矿自 2006 年建成投产至今，已经形成许多形态各异的采空区，空区赋 存深度约为-285m，由于该矿区主要采用无底柱分段崩落法，随着矿体不断的向下回采， 崩 落深度增大的同时也造成了采空区暴露面积的不断扩大 ，当空区两帮岩体所能承受的应力 值超过它的极限变形值时，便会引发两帮围岩的破坏与移动，出现空区顶板下沉、崩落、 破坏、倒塌等现象；严重的将导致大面积的岩体移动，直接威胁地下开采作业和地表安全， 甚至造成地下矿体无法正常回采[7]。因此，加强岩移监测和顶板冒落规律研究，对于确保矿 山的安全生产和可持续发展至关重要。本文以空区诱发的岩层移动、顶板冒落特征为研究 主题，结合龙桥铁矿开采实际情况，为保障矿山长期安全以及高效的回收地下资源，应用 理论分析与数值模拟技术，同时结合多种现场监测手段对龙桥铁矿主矿体在应用崩落法回 采过程中顶板岩移特征及覆盖层冒落规律进行研究分析[8-9]。 万方数据 第一章 绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 无底柱分段崩落法在国内外应用现状研究 无底柱分段崩落法由于具有开采强度大、安全性好、机械化程度高以及成本低等突出 优点， 因而它在国内外地下矿山特别是地下铁矿山开采中得到了广泛应用[10-13]。 世界上最大 的也是最早利用这种采矿工艺的地下铁矿山瑞典的基鲁纳铁每年用这种采矿方法采出矿 石2000 万吨左右,被称为“地下露天开采”。随后，加拿大的格兰杜克（Grauduc）铜矿、 克 莱蒙 （Craigmont） 铜矿、 赞比亚穆富利拉 （Mufulira） 铜矿、 澳大利亚芒特艾萨 （Mount-Isa） 铜矿、扎伊尔喀漠托（Kamoto）铜矿以及前苏联的某些矿山都引入无底柱分段崩落法这种 采矿工艺回采地下矿产资源，无底柱分段崩落法已名副其实的成为世界上最为广泛运用的 地下采矿方法之一[14-15]。 作为一种工艺成熟的采矿法自 20 世纪60 年代引入我国后， 也迅速 在我国矿山尤其是地下铁矿山开采中得到了广泛的推广应用。如武钢集团的程潮铁矿、金 山店铁矿、鲁中冶金矿山公司的小官庄铁矿、张家洼铁矿、宝钢集团的梅山铁矿、安徽庐 江的龙桥铁矿等[16]。根据目前的数据统计，在我国大中型地下铁矿山中，使用无底柱分段 崩落法的矿山采出的矿石量约占大中型地下铁矿山采出矿石量的 80﹪以上，同时，该采矿 方法在化工矿山及有色金属矿山中也得到了较为普遍的推广[17]。 1.2.2 采空区顶板冒落规律研究现状 在矿山生产中，采空区失稳会造成顶板大面积冒落，除了产生动力冲击外，还会形成 每秒数百米的压缩气流，即所谓的气浪，它的冲量很大，不但能够对地下构筑物及设备造 成巨大的破坏，造成地下资源无法回收，而且严重威胁井下采矿技术人员的生命安全[18-19]。 为了保障地下采矿作业人员的生命安全，保证地下构筑物及采矿设备免遭破坏，从而达到 安全、高效的回收地下矿石资源，注重对于空区顶板冒落规律的理论研究显得至关重要， 多年来，国内外众多的专家、学者、采矿技术人员为此展开了一系列的研究工作，并总结 出了一些得到认可的冒落机理。 Griffith 强度理论认为由于岩体本身包含大量微细的裂纹及缺陷，当岩体遭到外力的 作用时，就会使这些赋存在岩体中的裂纹及缺陷引起应力集中现象，当应力集聚到一定的 强度时，这些裂纹及缺陷就开始扩展并相互贯通，最终导致断裂。而当悬空的顶板岩体由 于其断裂带相连部分的承载能力低于下部岩石的重量时，岩块在自重作用下就发生了塌落， 开始时岩块大都是沿软弱结构面破裂并冒落，但是随着冒落的持续进行，又会引发岩块新 的冒落[20-22]。 熊仁钦运用能量理论和流体力学理论分析了造成空区顶板冒落的破坏机理可分为拉断 破坏和剪切破坏两种方式，这两种破坏机理都具有一次性冒落的面积大，速度快，引发的 冲击破坏力极强等特点，并由此提出了防止顶板大面积冒落的主动措施[23]。 万方数据 第一章 绪论 3 张晓君通过对某矿采空区大面积冒落情况的调查和统计认为，采空区顶板冒落前均有 一定预兆，如听到岩层断裂声、出现顶板掉渣、矿柱开裂等现象，这些都是岩快大量冒落 前的预警信息[24]。 李清望、任风玉等结合西石门铁矿矿区结构面调查并根据矿岩的点荷载强度测定来对 岩体进行了分级，得出了南区采空区顶板冒落方式可分为散体形式零星冒落和批量冒落两 种[25]。 江文武，丁铭等通过 FLAC3D数值模拟软件对龙桥铁矿矿体的回采效应进行了模拟研 究，结果表明龙桥铁矿在开采过程中发生大规模冒落而产生的冲击地压的概率很小[26]。 王运敏，胡杏保等基于地质因素分析的基础上通过数值模拟的手段充分分析了不同暴 露面积下空区顶板围岩的应力应变的时空演变分布规律及产生的冒落规模和冒落高度，结 果表明，断层是影响空区顶板围岩冒落规模及冒落高度的关键地质因素[27]。 黄英华，徐必根等采用Ｍａｔｈｅｗｓ稳定图方法来计算出空区顶板围岩从变形到冒 落、从冒落到持续冒落的临界阀值[28]。 采空区顶板冒落最终还会诱发地面塌陷，其发展过程是当地下矿体采出后，采空区 的顶板岩体由于在自重应力和构造应力的作用下产生向下弯曲和移动。当顶板岩层的张拉 应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板岩层将出现断裂、破碎并相继出现岩块冒落， 最终发展到