基于突变理论的露天矿复杂采空区稳定性研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名’导师 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 露天开采以其生产效率高、生产工艺简单，在我国矿山开采中所 占的比例日益增大，但是由于很多露天矿山都曾经进行过长时间的地 下开采，遗留了大量的采空区未进行充填处理，对安全生产、人员和 露采设备产生严重的危害。因此，开展露天矿采空区的稳定性研究工 作尤为重要和迫切。本文以三道庄露天矿区复杂采空区为研究背景， 综合应用多级模糊综合评判法、强度折减法、突变理论等对其进行了 稳定性分级和安全系数研究，研究内容和研究成果如下 1 以现场调查的相关参数为基础，选取了合理的影响因素、 和影响因子，对该矿区2 8 个未知稳定性采空区进行二级模糊综合评 判，评价过程中首次考虑了露天矿开采影响因素，确定了每个采空区 的稳定性等级，结果与实际相吻合。 2 对不同跨度和不同项板厚度下的单个规则采空区和重叠规 则采空区进行三维数模值拟。以模拟所得的采空区关键点位移量为数 据依据，耦合强度折减法与突变理论两种方法，从剪切破坏和拉伸破 坏两个角度分别研究采空区的剪切安全系数和拉伸安全系数，研究结 果表明，采空区受剪切破坏明显，可将剪切安全系数视为该采空区的 整体安全系数。同时得到了不同跨度和顶板厚度对安全系数的影响规 律。对重叠采空区的数值模拟，得到了上下层采空区顶板位移的不同 变化规律。 3 运用强度折减及突变耦合分析法对一个典型的三道庄露天 矿复杂采空区进行研究，获取了可信的安全系数，为下一步采空区的 安全处理提供了有力依据。 关键词复杂采空区，露天开采，模糊综合评判，强度折减法，突变 理论，数值模拟 查奎兰堡主兰垡笙茎 一 A B S T R A C T ～ A B S 眦C T O p e n - p i tm i n i n gh a sw o ng r e a tp o p u l a r i t yi nC h i n aa si th a sh i g h --⋯ p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n ds i m p l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ．H o w e v e r , m a n y o p e np i tm i n e sh a db e e nu n d e r g r o u n dm i n e df o ral o n gt i m e ，w i t h n u m e r o u sg o a f sw i t h o u tb e i n gf i l l e d ，w h i c hh a sb e i n gp o s e ds e v e r et h r e a t t ot h es a f ep r o d u c t i o n ，m i n i n go p e r a t o r sa n de q u i p m e n t ．T h e r e f o r e ，t o e a r l yo u tr e s e a r c ho nt h eg o a fs t a b i l i t yi s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n d u r g e m ．A c c o r d i n g t ot h ec o m p l e xg o a fc o n d i t i o n si nS a n d a o z h u a n go p e n p i t ，t h es t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o na n dt h es a f e t yf a c t o rw e r ee x a m i n e db y i n c o r p o r a t i n g t h e s er e s e a r c h m e t h o d o l o g i e so fm u l t i ．1 e v e lf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，s t r e n g t hr e d u c t i o na n dc a t a s t r o p h e t h e o r ye t c ．T h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ed e t a i l e da sf o l l o w s 1 J u d g i n gb y t h e f i e l d - s u r v e y b a s e dp a r a m e t e r s ．r e a s o n a b l e i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ei m p a c te l e m e m sw e r es e l e c t e dt oa s s e s st h e s t a b i l i t yo f2 8g o a f si nt h em i n i n ga r e ab y2 - l e v e lf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ．T h ee v a l u a t i o nt o o kt h e0 p e n p i tm i n i n gi n f l u e n c ef a c t o r si n t o a c c o u n tf o rt h ef i r s tt i m ea n dt h e s t a b i l i t yd e g r e eo fe a c hg o a fw a s d e t e r m i n e d ．T h er e s u l t sa g r e e dw e l lw i t he n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． 2 T h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt oi n v e s t i g a t e t h es i n g l er e g u l a ra n do v e r l a p p i n gr e g u l a rg o a l sw i t hv a r y i n gs p a na n d r o o ft h i c k n e s s ．B a s e do nt h ed i s p l a c e m e n to ft h ek e yp o i n t s ，t h es a f e t y f a c t o r sw e r ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e df r o mt h ep e r s p e c t i v e so fs h e a r f a i l u r ea n dt e n s i l ef a i l u r e ，b yc o u p l i n gs t r e n g t hr e d u c t i o na n dc a t a s t r o p h e t h e o r y ．砀e 。r e s u l t ss h o wt h a tt h eg o a ff a i l e db ys h e a rm o r eo b v i o u s l y , i n d i c a t i n gt h a tt h es h e a rs a f e t yf a c t o rs h o u l db ea s s u m e da st h eo v e r a l l s a f e t yf a c t o ro ft h eg o a f ．I na d d i t i o n ，n el a wo fs a f e t yf a c t o ri n f l u e n c e d b yb o t hs p a na n dr o o ft h i c k n e s sw a so b t a i n e dr e s p e c t i v e l y ．F u r t h u r m o r e ， t h en u m e r i c a lr e s u l t s c o m i n gf r o mt h eo v e r l a p p i n gg o a fs i m u l a t i o n v e r i f i e dt h a td i f f e r e n td e f o r m a t i o nb e h a v i o r sh a p p e n e di nt h er o o fo ft h e g o a f s ． I I 中南大学硕士学位论文 3 S t r e n g t hr e d u c t i o na n dc a t a s t r o p h et h e o r yc o u p l e da n a l y s i sw e r e a p p l i e dt oi n v e s t i g a t eat y p i c a lc o m p l e xg o a fi nS a n d a o z h u a n go p e np i t ，A 一 一一 一 I 一7 一 c r e d i b l es a f e t yf a c t o rw a so b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e das t r o n gb a s i sf o r s a f e t ym a n a g e m e n to ft h en e x tg o a f ． K e yw o r d s c o m p l e xg o a l , o p e n p i tm i n i n g ，f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ，s t r e n g t hr e d u c t i o n ，c a t a s t r o p h et h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题来源、研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．1 ．1 采空区稳定性分级研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．1 ．2 采空区稳定性数值分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．1 ．3 采空区与露采环境耦合分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 研究内容、方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．1 研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～7 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 第二章露天矿复杂采空区形成过程与安全影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 三道庄露天矿简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 矿区及矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 ．3 矿床水文地质及开采技术条件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．1 ．4 开采历史与现用采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 复杂采空区形成过程及类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．2 ．1 复杂采空区的成因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 复杂采空区的几种类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．3 复杂采空区对矿山生产安全的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1 三道庄露天矿采空区的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 复杂采空区对生产安全的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 第三章采空区围岩变形破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 采空区地压活动机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 采空区地压的分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1 孔的应力集中理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．2 梁理论分析薄上覆岩层稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．2 ．3 块体极限平衡理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．3 水平采空区地压分布规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 3 ．1 水平采空区顶板应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．2 水平采空区覆岩应力带的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．3 水平采空区顶板变形分带⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 第四章露天矿复杂采空区多级模糊综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．1 模糊综合评判法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1 模糊综合评判法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．1 ．2 模糊综合评判一般步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 采空区模糊综合评判模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．1 影响因素及因子分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 ．2 隶属函数和隶属度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 ．3 指标权重的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．4 建立评判模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 模糊综合评判工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 单因素模糊评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．2 二级模糊综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．3 评判结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第五章露天矿复杂采空区强度折减位移突变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 理论简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 ．1 突变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 ．2 尖点突变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 ．3 强度折减法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 露天矿采空区强度折减位移突变分析的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．1 露天矿采空区稳定性安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．2 采空区关键点位移尖点突变模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．2 ．3 计算分析过程的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 规则采空区突变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．1F L A C 3 D 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 3 ．2 单层采空区突变分析数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 ．3 重叠采空区突变分析数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．4 实际复杂采空区突变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．4 ．1 露天矿复杂采空区建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．4 ．2 露天矿复杂采空区数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 5 ．4 ．3 强度折减位移突变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 第六章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 本文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．2 进一步研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 选题来源、研究目的与意义 1 ．1 ．1 课题来源 随着我国国民经济的持续快速发展，各种矿产资源的需求量也越来越大，钼 资源作为一种重要的战略资源，其消费利用量目前呈持续增长态势。河南省栾川 县三道庄钼矿区，是国家重要的钼金属生产基地。由于历史原因，三道庄矿区富 含钨钼的矿层曾经被当地多家集体单位和个人非法无规则的乱采滥挖，形成了众 多形状各异大小不等的采空区。为了保护国家重要的矿产资源，由洛阳栾川钼业 集团股份有限公司对该矿区进行整合并根据开采条件统一进行露天开采。但是由 于采空区的存在，对后续的采矿活动形成了严重的安全威胁，在采空区上部进行 露天采矿作业显得尤为危险。目前三道庄矿区已发生了多起采空区塌陷事故，造 成了人员伤亡事故及重大财产损失。 1 ．1 ．2 研究目的与意义 常年开采所形成的采空区是目前公认的仅次于瓦斯之外的影响矿山生产安 全的第二大危险源；采空区事故已形成我国非煤矿山企业分布最为广泛、发生最 为频繁、危害也最大的一类典型灾害【1 3 】。我国大多数非煤矿山，譬如广西大厂 矿区、栾川三道庄钼矿区、厂坝铅锌矿、广东大宝山铁矿、秦岭金矿、贵州开阳 磷矿、铜陵狮子山铜矿、云南兰坪铅锌矿、郴州柿竹园多金属矿等，经多年的民 间掠夺式开采，留下大量未处理的采空区，严重影响了矿山的安全生产。我国由 于地下采空区造成地表塌陷的面积超过1 1 5 0 k m 2 1 4 1 ，表1 ．1 给出了我国主要金属 矿山采空区统计量，其中前四个矿山的采空区形成原因主要为国家大规模统一开 采，后四个矿山采空区主要是由民采乱采滥挖形成。 表1 ．1 我国金属矿山采空区体积量统计 据统计资料，我国金属矿山使用空场采矿法的比重占5 3 ．5 ％，形成了大量未 经处理的采空区【孔。从1 9 4 9 年新中国成立算起，我国目前保守采空区总保有量 超过2 5 0 亿m 3 ，超过整个三峡库区容量。另据统计，我国8 0 ％左右的地下矿山 中南大学硕士学位论文第一章绪论 存在采空区塌陷灾害，每年造成的直接经济损失约4 亿元，非煤矿山事故死亡人 数3 3 ％以上与采空区危害有关，据国家安监总局统计，2 0 0 1 年7 月至2 0 0 8 年4 月期间，我国非煤矿山共发生采空区引起的3 人以上重大事故3 6 起，造成3 4 7 人死亡。例如，2 0 0 1 年7 月1 7 日广西南丹矿区发生老采空区特大透水事故，事 故造成8 0 人死亡；2 0 0 4 年1 1 月河北邢台沙河铁矿发生火灾，因采空区相互贯 通，致使火灾事故增大，死亡7 0 人；2 0 0 5 年1 1 月6 日，河北省邢台县会宁镇 尚汪庄康立石膏矿发生采空区坍塌事故，直接塌陷区直径约6 0 米，6 0 0 米x 8 0 0 米范围的地面不同程度出现裂缝。事故造成3 2 人死亡，3 2 人受伤，致使井巷严 重破坏，地面生活区部分房屋倒塌造成直接经济损失7 4 4 万元；2 0 0 7 年1 1 月， 山东金岭铁矿发生采空区塌陷事故，塌陷量1 5 万m 3 ，事故造成地表的化工厂陷 落，直接经济损失上亿元。表1 ．2 给出这期间的事故分类及死亡人数统计情况。 2 0 0 8 年4 月1 6 日，山西繁峙平型关铁矿因地下空区上部矿柱和回填料失稳 塌陷，致使地表材料库房发生坍塌，事故导致当时正在库房工作的3 名工人失踪。 同年4 月2 1 日，河北承德市丰宁金信钼业有限公司因相邻工作面爆破作业震动， 导致发生顶板冒落事故，造成3 人死亡。同年4 月2 2 日，山东省烟台蓬莱金鑫 实业公司下属的庄沟子矿因地下未知采空区塌落，造成尾矿库内部大量水与泥沙 经过采空区涌入基建矿井，事故导致正在井下从事作业的8 名人员下落不明。 2 0 0 9 年6 月2 6 日1 4 时左右，隆安县广西凤凰银业有限责任公司凤凰银矿2 3 0 窿道中段1 ．3 采场发生一起冒顶事故，死亡1 人，轻伤1 人。2 0 0 9 年1 1 月1 0 日凌晨5 时许，甘孜州康定县金鑫矿业旅游有限责任公司康定金矿1 8 号矿洞装 矿点，项板发生垮塌 塌方量约5 0 立方米 ，造成4 人死亡。2 0 1 0 年1 0 月5 日， 内蒙古自治区阿拉善盟阿左旗沙拉西别矿区地面发生塌陷，导致地面4 间房屋陷 落地下，死亡3 人。2 0 1 1 年1 月4 日湖北东圣化工集团东杨矿业有限责任公司 响水槽磷矿，发生顶板冒顶事故，死亡1 人。2 0 1 1 年3 月7 日湖北省兴山县树 空坪矿业有限公司蒋家湾磷矿，发生采空区冒顶事故，死亡1 人。 表1 2 采空区重大事故及死亡人数统计 由于三道庄矿区现在采用露天开采，而在露天采场下部存在大量形态复杂、 多层重叠、上下贯通的采空区，分布在露天采矿场三分之二的大面积范围内，标 高为 l1 6 0 “ - - 1 4 6 0 m ，空区长度l O , - - 一2 0 0 m ，宽度2 ～ 5 0 m ，高度2 “ - - 4 0 m ，空区 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 最小面积数十平方米，最大超过1 2 0 0 0 m 2 ，空区总数2 0 0 多个，据掌握的资料计 算，总容积超过1 0 0 0 万m 3 1 6 , 7 l 。这对上部露天作业人员和设备无疑都是一个极 大的安全威胁，因此，对于三道庄露天矿复杂采空区稳定性的研究工作是十分重 要而迫切的，对该矿预防和减少采空区事故、保障安全生产、辅助设计处理方案、 提高产出效率等都具有十分重要的意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 采空区稳定性分级研究现状 国内外学者对采空区问题的研究起步很早，早在1 8 3 8 年比利时工程师哥诺 特就提出了关于采空区开采沉陷的第一个理论一垂线理论；随后G o n o t 提出“法 线理论”；德国学者于J i e i n s k y ，1 8 7 6 提出的“二等分线理论”；耳西哈 1 5 5 2 提出 了“自然斜面理论”；1 8 8 5 年法国学者裴约尔提出了“拱形理论”；1 9 0 7 年，俄国 学者M ．M 普罗托加科诺夫提出了一种分析地压的理论假说一压力平衡拱假说， 被后人称之为普氏理论。 U u b s c h eD ．H ．等在R M R 分级系统的基础上，考虑采场围岩环境和采矿活动 的影响，对R M R 分级系统进行修正，提出了适用于矿山采场围岩稳定性分级的 M R M R 系统；英国学者M a t h e w 于1 9 8 1 年建立了岩体稳定性指数N 与采矿暴露 面形状系数S 之间的关系 稳定性图表 ，用此方法对采空区进行稳定性分级，获 得广泛应用l 。 现代数学理论的高速发展为采空区的稳定性分级理论的完善和发展提供了 广阔的平台，目前国内外常用的采空区分级方法有模糊聚类分析法、模糊综合 评价法、层次分析法、重整化群方法、未确知测度理论、B a y e s 判别分析法、突 变级数法等、物元分析法等。 1 模糊聚类分析法 邓红卫等为对群空区进行稳定性分级及综合处理研究，利用数值模拟的结 果，综合考虑顶板最大位移、最大主应力、最小主应力等3 个因素对群空区进行 聚类分级，并在此基础上提出群空区的综合处治对策，结果表明运用模糊聚类 分析方法，实现最大顶板位移、最大主应力和最小主应力的多因素五级分类，分 级结果与空区实际的稳定性一致。提出了不同稳定性类别的空区处置对策，为矿 山空区的安全处置提供一种技术思路f l 甜。 2 模糊综合评价法 施东风等应用可变模糊集理论建立矿山采空区围岩稳定性可变模糊综合评 价模型，初步探讨了影响采空区围岩稳定性的评价指标以及稳定性分级标准，并 结合某矿山采空区实饲对稳定性评价的结果进行了对比验证分析，结果表明在 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 种权重向量下，样本级别特征值向量均隶属于3 级，即该采空区围岩稳定性等 级为第3 级，稳定性差f 1 3 】。 3 层次分析法 程爱宝等通过建立采空区稳定性影响因素综合评价指标体系，以层次分析法 确定主观权重、并结合粗糙集理论确定客观权重，然后将主、客观权重进行有机 集成得到组合权重，使得采空区稳定性影响因素的评价更具客观性，从而提高采 空区稳定性分级的精度【1 4 】。 4 B a y e s 判另I j 分析法 宫凤强、刘科伟等利用B a y e s 判别分析法对采空区危险程度进行预测，他们 选取了7 项关于采空区稳定性的影响因素作为判别因子，以北京某矿区历史塌陷 资料的典型样本，进行了工程实际分析，证明了该方法分析过程简单，并具有稳 定的模型结构，用以评价采空区危险程度判别能力强【1 5 】。 5 重整化群法 周子龙等提出采空区稳定分级的重整化群法，该方法的优点是能够从整体角 度系统地研究采空区群体稳定性，并给出了空区群变尺度级联失稳迭代函数，计 算得到了空区群整体性失稳破坏的临界概率，一定程度上解决了以往分析采空区 群整体失稳过于复杂的难题，代之以简单易行的概率计算问题【1 6 】。 6 未确知测度理论 宫凤强等运用未确知测度理论建立了采空区稳定性分级与排序的模型。他们 以矿山地质资料和工程实际状况为研究出发点，综合考虑采空区的1 4 项稳定性 影响评价因素，通过实测的数据建立起各影响因素未确知测度的计算函数。该函 数模型考虑到采空区稳定性影响因素中有许多的不确定和不具体因素，并分别对 这些不确定因素进行定量和定性分析，各影响因子的指标权重采用用熵进行计 算，最终按照置信度识别准则对采空区进行危险等级评定，得到了较好的评价结 果【1 7 1 。 7 突变级数法 陈红江等利用突变级数理论，分析影响采空区稳定性的因素f 包括采空区体 积率、距地表的垂深、地质构造复杂程度、煤层倾角、覆盖层厚度、覆盖层类型 等 ，研究采空区塌陷的预测方法，并将结果与神经网络分级法相比较，证明了 基于突变级数理论的采空区塌陷预测方法具有科学性和有效性【1 8 】。 8 物元分析法 高峰等采用基于模糊数学的物元分析【1 9 1 理论，建立地下采空区稳定性分级 的复合模糊物元评价模型。模型内含物元事物M 采空区危险性分类的等级 ，各 个评价指标C 和与之相对应的模糊量值∥似，最终通过计算得到的关联度结果应 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用关联度最大原则，对矿山采空区进行综合评判得到具体的稳定性等级1 2 0 J ，为 对采空区稳定性分级提供一个全新的思路。 另外，神经网络法、灰色关联分析、灰色定权聚类、可拓方法和集对分析等在 采空区的稳定性分级中也有较为广泛的应用1 2 1 2 甜。 1 ．2 ．2 采空区稳定性数值分析研究现状 随着计算机技术的迅速发展，数值分析方法在工程地质力学研究领域里也日 益广泛应用。数值模拟方法是通过计算机对实物进行的一种数值模型试验。由于 通用性强，方便灵活，易于修改，耗资少，而且能够模拟多种非常复杂的情况， 并能够进行反复试验，故在采空区稳定性分析方面应用十分广泛。 目前常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、离散元法和边界元法 等。依据这些方法的基本原理，开发出了很多相关软件，例如基于有限元开发 了A N S Y S 、M I D A S ；基于有限差分法开发了F L A C 3 D 、F L A C ；基于离散元开发 了3 D E C 、U D E C 等。 刘希灵等利用激光三维扫描系统通过地表钻孔对采空区进行精确三维探测， 把激光三维探测的数据导入S U R P A C 建立空区三维块体模型，研究了S U R P A C 和F L A C 3 D 的数据转换方式，并编制相应程序把空区三维块体模型导入软件 F L A C Ⅲ进行稳定性数值分析，从最大位移量、最大拉、压应力的角度分析了采 空区围岩稳定性f 2 6 】。 林航等利用F L A C 3 D 计算某大型地下采场开挖过程中的变形和破坏情况，对 比分析空区是贯通与不贯通2 种方案下采场的应力一应变响应，通过研究发现两 种方案应力分布形式基本相同，且数值也大体相同。在空区以内2 种方案得到的 位移等值线云图的分布形式基本相同，但其位移有较大差别f 2 刀。 杨金林等采用离散元程序分析地下矿山采空区的动力扰动问题，通过不断更 改扰动应力的波峰值取值，研究了扰动应力强度大小如何影响采空区的稳定性， 对模型的计算分静力状态与动力状态两种情况。研究发现某矿山采空区形成后， 最大位移为2 ．9 8 m m ，在旋加了动载荷的影响下，增加到5 ．0 r a m ，其增幅和动载 荷大小成正比；最大主应力与最小主应力的分布也较大地受到动载荷的影响，模 型塑形区增大也较为明显1 2 8 J 。 杨宇江等以齐大山铁矿为工程背景，利用F L A C 3 D 软件和M o h r - C o u l o m b 屈 服准则，通过极限分析方法和数值模拟技术相结合，研究了在附加载荷的作用下， 不同厚度的空区项板的稳定性，计算结果表明当顶板厚度小于5 ．5 m 时，顶板 的破坏以受拉伸破坏为主，破坏区呈拱形向围岩内发展，此时的安全系数和极限 承载能力随顶板厚度的变化并不明显，近似呈线性关系；当厚度大于5 ．5 m 后， 项板的安全系数和极限承载能力随顶板厚度增大而迅速增加鳓。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 ．3 采空区与露采环境耦合分析研究现状 1 采空区与露采环境三维建模 目前中国正在使用露天开采的矿山很多由于历史原因都存在数量不等的地 下采空区，如何有效的分析和处理由于这些采空区的存在所带来的影响是一／卜很 有特色的技术难题，而首要任务就是整理和分析清楚露天矿环境和采空区的空间 位置关系问题，以为后续的研究提供技术基础。这就用到了三维建模及其可视化 技术，这项技术近年来有着长足的进步和发展。 例如刘科伟等以S u r p a c 软件为平台，基于以不规则三角网 T I N 为基础的复 杂地质体三维可视化建模技术0 0 - - 3 2 1 ，研究了露天开采境界与复杂空区群的三维 可视化技术，并将该技术成功应用于某矿区，建立了该矿区内露天开采境界内地 表、地下矿体以及复杂空区群的三维可视化模型，研究重点对空区群内部错综复 杂的通透关系进行三维描述，然后进一步利用其分析空区群的安全隐患及空区间 的连带破坏作用，为露天境界内复杂空区群的灾害控制、安全性评判及矿区地表 开采的施工设计提供了参考依据，从而解决了多空区矿山的盲目开采问题，有效 预防了重大安全事故的发生【3 3 1 。 2 采空区与露天边坡的相互作用 不管露天转地下开采还是地下转露天开采，在开采方式转换的过程中势必要 受到采空区的影响，在开采过程中由于采空区的存在引发的一系列问题已经引起 很多专家和学者的注意，并在这一方面进行了很多卓有成效的研究。露天矿边坡， 是受地下采空区影响非常严重的一个部分，它们之间的相互作用也是研究人员十 分关心的一个方面，目前在这方面的研究已经非常成熟。 鉴于空区位置和跨度的不同对边坡的稳定性产生的影响不同，柴红保等建立 了多个分别包含位置不同、跨度不同的空区的边坡模型，使用强度折减法对这些 边坡的稳定性进行分析，研究位置不同、跨度不同的空区对边坡的稳定性的影响 规律，得出较为可靠的结果[ 3 4 1 ；尹光志等以典型的深凹露天矿山云南磷化集团 晋宁磷矿6 撑坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿为工程背景，通过室内物理地质力 学相似模拟模型试验对其露天转地下开采影响下露天矿边坡和地下采场围岩的 应力和变形活动规律进行试验研究【3 5 1 。 3 采空区与露天地表的相互作用 采空区与露天地表的相互作用关系不同于采空区与边坡的相互关系，这里的 露天地表指的是近似水平的平面，研究这两者之间的关系，最重要的一方面即确 定在地应力、外部荷载作用下采空区与地表之间的覆盖岩体的稳定性状况，进而 确定合理的顶板安全厚度。目前，这方面的研究也比较多。 常用的采空区顶板安全厚度的计算方法有荷载传递线交汇法、顶板厚跨比 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 法、极限平衡分析、按结构梁与板块理论进行估算、按破裂拱理论进行估算、 K ．B ．鲁别涅依特理论估算法、B ．H ．波哥留波夫理论计算等。 伏萨尔梁法其实是结构力学与普氏平衡拱结合而得出的一种方法，原来用于 研究层状裂隙岩体中地下采场顶板脱层后的稳定性，因这种状况与露天采空区 顶板剥离卸载后的状况相似，故对伏萨尔梁法进行修正，将其应用露天采场采空 区顶板研究是合适的，陆富龙等运用伏萨尔梁法计算了某露天矿采空区顶板安全 厚度f 3 6 1 ；李地元等综合采用结构力学梁法、K ．B ．鲁佩涅依特理论估算法等进行计 算，并对计算结果和三维数值模拟分析结果进行比较，