近空区露天矿安全开采技术研究.pdf

中图分类号婴墨5 垒 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码1 Q 堇垫 密级公珏 近空区露天矿安全开采 技术研究 S t u d yo n s e c u r ee x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yi n n e a r - - c a v i t yo p e n - - p i tm i n e s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 吾| J 指导教师 李谢平 采矿工程 充填理论与技术 资源与安全工程学院 张钦礼教授 王新民教授 中南大学 2 0 1 3 年5 月 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。 作者签名垄邋量日期 L 年上月丑日 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。 作者签名垫n 导师签掣日期韭年上月丛日 近空区露天矿安全开采 技术研究 摘要由于民采、盗采等其他历史原因，我国的一些露天矿山在开采 境界内存在着大量未处理的空区。随着露天开采作业的进行及暴露时 间的增加，这些形态复杂、大小高低不同的的采空区，稳定性越来越 差，不断诱发岩石崩塌、台阶滑坡、地面塌陷、台阶失稳等地质灾害， 严重威胁着露天开采人员与设备的安全。因此，开展露天境界内的空 区顶板的厚度、近空区边坡稳定性、空区治理等方面的研究，对于确 保矿山该露天矿开采作业安全，防止采空区坍塌造成伤亡事故的发生 有及其重要的意义。 本文以柿竹园野鸡尾露天矿区开采境界范围内采空区为研究对 象，针对近空区开采的安全性做具体分析，主要研究内容如下 1 、通过现场资料收集和采空区调查，了解其工程地质条件、水 文地质条件和采空区特点，确定空区对露天采矿作业的影响。 2 、根据采空区的跨度及采空区顶板岩石的物理力学性质，采用 多种经验公式对顶板安全厚度进行理论计算。运用A n s y s 软件，模拟 顶板的受力状态，通过分析不同厚度下顶板所受拉应力的大小，确定 顶板的安全系数。 3 、由近空区边坡的性质，选取典型剖面进行稳定性分析。采用 极限平衡法及有限元强度折减法进行计算、模拟，得出各个剖面的稳 定性情况，以确保近空区边坡生产作业的安全。 4 、根据露天开采境界内采空区的查明状态，选择合理的采空区 探测方法；以空区特点为研究对象，根据空区赋存形态、矿岩稳固条 件，确定有效的采空区治理方法。 论文含图6 8 幅，表2 0 个，参考文献8 7 篇。 关键词露天开采境界，采空区，顶板安全厚度，边坡稳定性， 空区治理 分类号T D 8 5 4 S t u d yo ns e c u r ee x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yi n n e a r - c a v i t yo p e n p i tm i n e s A b s t r a c t D u et op d v a t em i n i n g ，i l l e g a lm i n i n ga n do t h e rh i s t o r i c a l r e a s o n s ，t h e r ea r el a r g ea m o u n t so fu n p r o c e s s e d c a v i t i e si ns o m eo p e np i t m i n e si nC h i n a ．A st h ep r o c e s so fm i n i n gi no p e np i tc o n t i n u e sa n d e x p o s u r et i m ei n c r e a s e s ，t h o s ei r r e g u l a rc a v i t i e sw i t hc o m p l e xs h a p e sa n d v a r i e ds i z e sa n dh e i g h t sa r eb e c o m i n gl e s sa n dl e s ss t a b l e ．T h e ya r el i k e l y t ou n l e a s hah o s to fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，s u c ha sr o c k s l i d e s ，l a n d s l i d e s ， g r o u n dc o l l a p s e sa n di n s t a b i l i t yo fo p e n c a s tb e n c h ，l e a v i n g as e r i o u s t h r e a tt ot h es a f e t yo fm i n i n gp e r s o n n e la n de q u i p m e n t ．T h e r e f o r e ，a S t u d yo nt h i c k n e s so ft h ec a v i t yr o o fi no p e np i tl i m i t ，s l o p es t a b i l i t ya n d c a v i t i e st r e a t m e n ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei ng u a r a n t e e i n gt h es a f e t yi n o p e np i tm i n i n ga sw e l la sp r e v e n t i n ga n yc a s u a l i t ya c c i d e n t sc a u s e db y c a v i t yc o l l a p e ． T a k i n g a sr e s e a r c ho b j e c tc a v i t i e si nt h eo p e np i t so f Y e j i w e iM i n ei n S h i z h u y u a n ，t h i ss t u d ya i m st om a k eas p e c i f i ca n a l y s i so nt h es e c u r i t yo f m i n i n g i nn e a rc a v i t i e s ．T h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s 1 ．C o l l e c t i n gf i e l dd a t aa n di n v e s t i g a t i n g c a v i t i e st ou n d e r s t a n d e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n d f e a t u r e so fc a v i t i e s ，t h u st h ee f f e c to fc a v i t i e so no p e np i tm i n i n gC a nb e c o m f i r m e d ． 2 ．A d o p t i n gv a r i o u se m p i r i c a lf o r m u l a st ot h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t et h e s e c u r et h i c k n e s so f r o o fb a s e do nt h e s p a n o fc a v i t i e sa n d p h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o o f r o c k ．S i m u l a t i n gt h es t r e s ss t a t eo f r o o ft h o u g hs o f t w a r eA n s y s ，t h e nt h es a f e t yf a c t o ro fr o o fc a nb eo b t a i n e d b ya n a l y z i n gt h et e n s i l es t r e s st h a tr o o f so fd i f f e r e nt h i c k n e s ss u f f e r ． 3 ．S e l e c t i n gt y p i c a lc r o s ss e c t i o n sf o rs t a b i l i t ya n a l y s i sa c c o r d i n gt o p r o p e r t i e so f s i d es l o p e sn e a rc a v i t i e s ．B yu s i n gl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d a n ds t r e n g t hr e d u c t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o di na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ， t h es t a b i l i t yc o n d i t i o no fe a c hc r o s ss e c t i o ni sw o r k e do u tS Ot h a tt h e s a f e t yo fm i n i n go ns l o p e sn e a rc a v i t i e s ． 4 ．P r o p e rd e t e c t i n g m e t h o di Ss e l e c t e d a c c o r d i n g t ot h e H I a s s e r t a i n m e n ts t a t eo fc a v i t i e si no p e n p i tl i m i t ．A n dt h r o u g hs t u d y i n g p r o p e r t i e so fc a v i t i e s ，e f f e c t i v ew a y so ft h e c a v i t i e st r e a t m e n ta r e c o n c l u d e db a s e do nt h e i ro c c u r r e n c em o d ea n ds t a b i l i t yo fo r er o c k s ． T h i sp a p e rc o n t a i n s6 8f i g u r e s ，2 0t a b l e s ，8 7r e f e r e n c e s ． K E YW O R D S C l a s s i f i e a t i o n o p e n - p i tl i m i t ，c a v i t i e s ，s e c u r et h i c k n e s so fr o o f , s t a b i l i t y o f s l o p e ，c a v i t i e st r e a t m e n t s T D 8 5 4 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 近空区开采底板安全厚度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 近空区边坡稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．3 采空区治理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 研究内容及路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 近空区露天矿安全开采条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 矿区概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 矿区地层及构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．2 矿区构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 矿区水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．1 矿区气候条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．2 地形与地表水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．3 含、隔水层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．4 水文地质条件综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 矿区环境地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．5 矿区工程地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．6 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 6 2 ．7 采空区现状及影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 8 3 空区上方露天作业安全底板厚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 空区上方露天作业安全底板厚度理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 ．1 荷载传递交汇线法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 V 3 ．1 ．2 厚跨比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．3 普氏拱法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．4 长宽比梁板法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 0 1 ．5 结构力学法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 ．6K ．B ．鲁佩涅依特公式法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 0 1 ．7B ．H ．波哥留波夫的公式法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 有限元数值模拟法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．2 ．1 岩体物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．2 ．2 数值模拟方案与结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 空区上方露天作业安全底板合理厚度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 近空区开采边坡稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 极限平衡法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 0 1 ．1 安全系数F 的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 ．2 边坡剖面稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2A J l S y s 强度折减法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．1 有限元强度折减法的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．2 强度折减法边坡岩体稳定失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 ．3 边坡坡面强度折减法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 各边坡剖面稳定性分析结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 近空区露天矿安全开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．1 露天采空区的治理步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．2 露天开采境界内空区的探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 - 3 露天开采境界内空区的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．4 露天境界内空区的治理标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．5 近空区开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 0 1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 Ⅵ 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81 V I I 中南大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 ．1 研究的背景及意义 据统计，我国国民经济发展所需的9 2 ％以上的一次性能源以及8 0 ％以上的 工业生产原料均来自于矿产资源，我国经济的发展离不开各类矿产资源的开发 及利用。而作为一个地域辽阔、矿产资源分布不均的国度，对矿产资源的开采 进行合理有计划的控制即管理极为困难。受矿山采选技术和设备的局限，以及 民采盗采等非计划性开采的影响，目前，在我国部分露天矿山开采境界内存在 着大量未处理的采空区。虽然各矿山地采空区形成原因不尽相刚1 。5 1 ，但随着开 采作业的进行，这些采空区将对露天矿生产安全产生严重威胁，扰乱矿山生产 的正常进行。 露天开采境晃内的采空区受地压、爆破震动、机械作业动荷载、岩石风化 及地下水等的影响，空区发生了不同程度的破坏、坍塌，空区的形态发生改变， 加上采空区所留矿柱被盗采，致使采空区相互贯通，更为复杂难辨。而随着露 天开采作业的进行及空区暴露时间的增加，这些高低不同、形态复杂的不规则 采空区，稳定性越来越差，存在着诱发岩石崩塌、边坡滑坡、地面塌陷、台阶 失稳等地质灾害的可能，严重威胁着露天开采作业人员及设备的安全。 近年来，随着矿山开采的进行，采空区引发的安全问题日益受到研究人员 的重视。但研究的主要方向是地采空区的应力应变分析、空区顶板的沉降以及 地下采空区的治理等。针对露天开采境界范围内采空区的研究相对较少。因此， 深入进行近空区露天矿开采安全的研究，分析采空区条件下合理有效的开采方 法，具有重要的意义。 本文以柿竹园野鸡尾矿区地采空区为工程研究对象。目前，该矿区的井下 生产虽然已完全停止，但是受地采空区的影响，在进行露天开采时仍可能发生 重大安全事故。因矿山原有未处理空区及8 0 5 m 以下部分未探明空区的存在，随 着露天开采工作台阶的下移，将可能发生顶板塌陷、台阶失稳等类型的灾害。 因而，对近空区露天矿展开空区上方露天作业底板最小安全厚度计算、近空区 边坡稳定性分析、开采境界内空区的治理等方面的研究，防止顶板突发性垮塌 及边坡失稳等重大灾害的发生，可为矿山的安全有序生产有提供有效保障，减 少矿山人员伤亡、财产损失。 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 近空区开采底板安全厚度研究现状 对因空区的存在而造成的地表沉降、塌陷等地质灾害长期以来受到了多领 域、多部门的重视，进行了较多的研究。准确合理地确定一定跨度下采空区上 方露天作业安全底板厚度，是矿山开采过程中重要的安全性指标。影响底板的 安全厚度的因素很多，综合来讲，除了岩体自身的结构和应力等内在因素外， 还有地表水侵蚀及爆破震动等外在因素，这些因素相互干扰，复杂多变，构成 了确定底板安全厚度的众多不确定性。 如何确定底板的安全厚度其实是一个多因素作用下的复杂问题，它不仅与 多重客观复杂地质条件相关，而且本身呈一种高度非线性关系。虽然关于空区 处理方法和计算底板安全厚度的文献较多，但目前还没有给出计算确定空区跨 度和底板厚度之间关系的统一方法和方式。 上个世纪，国外就有不少的专家学者就采空区对地表建构筑物产生的危害 进行了初步的探究【6 。8 】。在国内，对采空区上方露天作业安全底板厚度的关注度 也在逐年上升。李地元等根据对露天境界内空区的探测结果，采用多种方法计 算了底板的最小安全厚度，选取合适的方法对采空区进行治理[ 9 】。秦予辉等采用 K ．B ．鲁佩涅伊特公式计算一定跨度下采空区的底板最小安全厚度【l0 1 。李夕兵等 在对矿山采空区进行探测的基础上，提出了采空区的治理方法以及安全性评价 方法[ 1 1 】。孙国权等利用F L A C 3 D 程序对采空区的稳定性做出了定性的分析[ 1 2 1 。 F r e i d i n 等使用有限元软件模拟采空区顶板的受力状态，并对其稳定性作分析， 得到空区允许的暴露范卧1 3 】。何俊锋等结合矿山地下露天联合开采的实际，使 用了理论计算与数值模拟相结合，得到了采空区稳定性分析的可靠方法[ 1 4 】。廖 春芳，彭衡和等对空区上部岩层安全厚度采用三维分析与枚举优化相结合的手 段作出研究【1 5 】。汪勇在结合国内外地下转露天开采矿山底板最小安全厚度确定 方法的基础上，对底板稳定分析及安全底板厚度提出了一些新的研究I l6 1 。黄润 秋、陈尚桥等使用数值模拟的方法分析空区与围岩相互作用，并确定不同的影 响因子对空区底板厚度产生的作用，在此基础上得到预测模型【1 7 , 1 8 ] 。王勇、孙彩 红在有限元数值模拟的基础上，结合向量回归方法得出合理的预测模型[ 1 9 1 。 1 ．2 ．2 近空区边坡稳定性研究现状 随着露天开采作业的进行，开采深度及规模的增大，露天矿边坡失稳也越 来越多地出现，研究露天矿边坡稳定性已是露天矿安全生产的重中之重。规模 中南大学硕士学位论文1 绪论 庞大的空区群，在上部矿岩逐渐被剥离而出露后，将在露天矿境界范围内形成 高度较大、坡度较陡的边坡，对矿山的安全生产造成危害。因此，近空区开采 过程中，有必要对这种类型的边坡的稳定性进行研究，保证生产作业的安全。 边坡稳定性研究方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件。 总的说来，对于露天矿岩质边坡的稳定性分析，目前较为常用的有极限平衡法 及数值模拟法。这两种方法相互补充，综合利用，为工程设计提供准确的依据。 1 、极限平衡法 极限平衡分析法作为最简单、最基本的边坡稳定系分析方法已到广泛应用， 所得的分析结果通常用作为设计依据。极限平衡分析法最早是由瑞典人 K ．P e t t e r s o n 在1 9 1 5 年所提出的瑞典条分法。F e l l e n n i u s 等人于1 9 2 7 年在其 基础上提出了所谓的普通条分法，这种方法把边坡滑面假设为圆弧形，使其满 足力矩的平衡条件，但该方法不满足力平衡的条件。在1 9 5 5 年，B i s h o p [ 2 0 】提出 修正条分法，其假定边坡的滑面为圆弧形状，它满足力矩平衡条的件及垂直方 向上力平衡的条件，不能满足水平方向上的力平衡条件。J a n b u [ 2 1 ] 于1 9 5 7 年提 出更精细条分法，可适应于滑动面为任意形状的情况，并在1 9 6 8 t 2 2 1 年和1 9 7 3 [ 2 3 ] 年进行了改进。L o w e J 、K a r a f i a t h L 1 9 6 0 【2 4 l 及美国陆军工程师联合会【2 5 1 1 9 7 0 一起提出一种力平衡的条分法。M o r g e n s t e m P r i c e p 闭提出一种既能满足力 平衡的条件又能满足力矩的平衡条件的分析方法，它允许条块间力作用的方向 发生变化。S p e n c e r l 【2 7 】于1 9 6 7 提出一种简化条分法，其预先假定条块间各力 作用的方向。在1 9 7 4 年H o e kE [ 2 8 ] 提出边坡发生楔形体滑坡的分析方法，该方 法假定各滑动面为平面，用各滑动面的总抗滑力与楔形体总的下滑力来计算安 全系数。在19 7 7 R e v i l l a 与C a s t i l l o t l 2 9 】提出剩余推力法。1 9 7 9 年S a r m a [ 3 0 ] 提出所谓的“非垂直条分法”，认为除了平面和圆弧面以外，滑动体在发生滑动 前必须要先破裂成互相滑动的块体之后才会滑动。S a r m a 及剩余推力法法在分 析岩质边坡稳定性时得到了较为广泛的应用。此外，潘家铮【3 1 】还对边坡稳定性 分析问题提出最大值及最小值原理，陈祖煜【3 2 】对此原理进行理论上的证明。极 限平衡法分析边坡稳定性时主要的缺点为没有考虑到材料的应力和应变关系， 方法所得的安全系数也是假定滑动面上各条块的平均安全度，其求得的条间力、 滑条底部反力并不是边坡发生滑移变形时所真实存在的。 2 、数值模拟法 数值模拟法将岩体视为变形体，能模拟材料的应力与应变关系，还可以处 理较为复杂边界条件下材料的非均匀性、各向异性等特性，可对边坡内的位移 场分布、应力分布和塑性区的范围进行有效的分析。有限单元法 F i n i t eE l e m e n t 中南大学硕士学位论文1 绪论 M e t h o d ，F E M 最先应用在研究边坡稳定性分析开始于上个世纪6 0 年代左右， A n a g o s t i 1 9 6 9 [ 3 3 】、G i g e r 1 9 7 6 【3 4 】、B a l i g h 1 9 7 7 [ 3 5 ] 、C h e n 1 9 8 3 [ 3 6 】、 D e n n h a r d t 1 9 8 5 【37 1 、U g a i 1 9 8 5 [ 3 s 】和S e e d 1 9 8 8 t 3 9 】等先后利用有限元分析法 对边坡稳定性的问题进行研究，取得了较多研究成果。而后发展了边界元、离 散元【4 0 1 、不连续变形分析【4 1 ’4 2 1 、数值流形方法[ 4 3 1 、运动单元法[ 4 4 , 4 5 ] 、快速拉格 朗日法[ 4 6 】等数值方法。随着不同的数值分析方法发展，出现了数值方法间的相 互耦合，例如无限元、有限元、离散元、边界元和块体元等互相藕合，解析解 与数值解的结合，还有一些非确定性数值方法，如模糊有限元、随机有限元 法、概率数值分析法等。 1 ．2 ．3 采空区治理研究现状 由于地采空区的存在，及其对露天矿生产作业的安全所带来的威胁，采取 有效的采空区治理方法是保证矿山安全生产的关键。空区治理是一个十分复杂 的问题，受空区赋存形态、围岩属性、施工难易程度影响，具体采用哪种方法， 需要综合考虑。 对于未知采空区，治理前首先需对采空区的形态特征作出探测，在此基础 上针对采空区的特点采用相对应的方法来治理。目前而言，对于未知的采空区， 国内外已作出了多种探测手段的研究。叶图强等在钻孔探查的基础上，结合激 光探测仪对采空区进行了有效的探测[ 4 ‘7 1 。徐白山等对地震波法在矿山地下采空 区的探测做出了研究[ 4 8 。5 1 1 。刘敦文等根据金属矿山采空区的特点，应用探地雷 达法取得了良好的效果【5 2 】。薛金芳等利用地电影像资料对比分析了高密度电法 对地下采空区的探测效果【5 3 , 5 4 】。王俊茹等对瞬变电磁法进行采空区探测的结果做 出了分析与研究【5 5 - 5 7 1 。曾若云等从物理方法研究、技术方法选择的角度探测采 空区【5 8 】。郭崇光等在分析综合电法原理的基础上，通过在矿山的应用实例取得 了较好的效果【5 9 1 。为了得到空区形态更精准的数据，作进一步的分析，部分学 者在前述几种方法的基础上，结合三维激光探测的方法，效果十分显著1 6 训。 在露天开采境界内的空区，因空区处理的目的不同，其治理方法与传统的 地采空区治理方法有所差异。谢九敬【6 1 1 、赵兴[ 6 2 】等提出了使用中深孔对采空区 进行分区治理的方案。崔晓荣【6 3 】、王永红[ 州等总结了空区治理施工安全的组织 与管理。巫瑞良[ 6 5 】阐述了地采空区对露天生产的影响极其应对措施。李俊平[ 6 6 】 在研究空区底板受力的基础上提出了局部切割技术处理采空区的方法。千海洪【6 结合矿山生产所用凿岩设备，采用高台阶崩落法，为复合型采空区的治理供了 一些思路。周文勇【6 8 】采用多种方法，对地下转露天矿山采矿区的治理进行了实 4 中南大学硕士学位论文1 绪论 践。程秀升【6 9 1 则采用硐室爆破处理了复杂大规模空区。郑茂兴等‘7 0 1 对露天剥离 法处理地下采空区进行了技术探讨。张东方[ y l , 7 2 ] 通过对采空区的归类分析，在分 析采空区特性的基础上，提出了方案处理不同类型的采空区。程建勇【7 3 1 等使用 露天台阶深孔切割崩落处理多层复合空区。以上方案均取得了良好的效果，为 同类型矿山的采空区治理工艺及技术的探索提供了参考。 1 ．3 研究内容及路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 针对柿竹园矿业公司野鸡尾矿区铜锡矿露天采区开采境界内地下开采和民 采所形成的复杂空区群，根据空区的勘察情况，对空区上方露天作业安全底板 厚度进行计算，对近空区边坡稳定性进行分析，最后，对露天开采境界内空区 的探测、治理的方案以及治理的步骤进行了研究。为野鸡尾矿区铜锡矿床近空 区安全开采及空区治理提供安全保障。 野鸡尾矿区采空区特征是8 0 5 m 空区体积大、数量多且形状复杂；而8 0 5 m 以下由于民采、盗采及其他历史原因，空区情况尚未查明，为实现野鸡尾矿区 铜锡矿床的近空区安全开采，有必要进行如下内容的研究 1 空区上方露天作业安全底板厚度分析 对于矿山8 0 5 m 以上已经查明的空区，根据采空区的具体形态及其顶板岩体 特性，采用多种经验公式及理论方法进行空区上方露天作业底板安全厚度的计 算；并使用A N S Y S 数值模拟软件对各空区不同顶板厚度条件下底板的受力状态 进行模拟分析，以底板允许拉应力检验底板的安全系数，选择合理的安全系数 来确定底板的合理厚度。通过对各种方法的比较与评价后，确定合理的最小安 全厚度。 2 近空区边坡稳定性研究 对因1 、2 号空区群已塌落至地表而形成的高陡边坡，选取6 组不同坡度与 高度的边坡剖面进行稳定性研究，使用极限平衡法计算边坡剖面的安全系数； 同时使用有限元强度折减法模拟边坡岩体的受力状态，通过边坡失稳判据确定 边坡的稳定性状态，从应力应变角度分析边坡的安全系数。最后，给出边坡剖 面稳定性的评价。 3 露天开采境界内空区的治理研究 针对野鸡尾矿区8 0 5 m 以下存在未探明的采空区，选用多种探测方法相结合 进行探测，为采空区的安全有效治理提供保障。从底板矿岩稳固性、空区形态 中南大学硕士学位论文l 绪论 特征、底板安全厚度等角度对空区治理的难易程度进行区分；结合露天矿山生 产作业工艺特点确定出采空区的治理与否的标准；最后，根据空区赋存的形态 特征，参考类似矿山的空区治理方法，得出野鸡尾矿区露天采境界内采空区适 用的治理方法。 1 ．3 ．2 研究技术路线 1 以柿竹园有色金属公司为工程依托单位，进行空区现场调查，并收集、 整理相关的文献资料； 2 分析相关资料，了解野鸡尾矿区露天境界内采空区的特点，并由此分析 空区对露天矿生产的主要影响； 3 以空区资料为基础，结合地质资料及岩石力学参数，计算底板最小安全 厚度，同时对近空区边坡稳定性进行研究； 4 在上述研究内容基础上提出合理的空区治理方法。 本文主要研究技术路线，如图1 ．1 所示。 中南大学硕士学位论文1 绪论 图1 - 1 主要研究技术路线 7 中南大学硕士学位论文2 近空区露天矿安全开采条件分析 2近空区露天矿安全开采条件分析 2 ．1 矿区概述 柿竹园有色金属有限责任公司 以下简称“柿竹园矿” 所辖矿区地处南岭 山脉中段，行政区划属湖南省郴州市苏仙区。矿区位于湖南省郴州市南东约 2 6 k i n ，地理坐标为东经1 1 3 。0 7 ’3 0 ”～1 1 3 。1 0 ’4 1 ”，北纬2 5 。4 2 ’1 3 ”一2 5 。5 5 。4 6 ”。野 鸡尾锡多金属矿区 以下简称“野鸡尾矿区” 位于柿竹园矿所辖矿区内，地理 坐标东经11 3 0 1 0 ’0 8 ”～1 1 3 0 1 0 ’4 4 ”，北纬2 5 0 4 4 ’1 3 ”～2 5 。4 4 ’4 6 ”。铜锡多金属矿床 东邻野鸡尾铅锌矿床，西与柿竹园钨锡钼铋矿床相接。 2 ．2 矿区地层及构造 2 ．2 ．1 矿区地层 矿区出露地层有泥盆系上统佘田桥组 D ，S 、中统棋梓桥组 D q 、中统跳 马涧组 D ，t 、震旦系下组 z 1 。 1 泥盆系上统余田桥组 D 3 S 分布于矿区西部，为中厚层状含泥质灰岩和泥质灰岩夹薄层泥质条带灰岩。 由于后期热液作用，岩石多蚀变成大理岩，在岩体接触带上形成石榴石透辉石 矽卡岩、萤石绢云母岩等，向外逐渐为矽卡岩化大理岩、网脉状大理岩。是区 内锡石一硫化物、矽卡岩型矿床的主要围岩。 2 泥盆系中统棋梓桥组 D 2 q 分布于矿区中部，为含白云质灰岩，经蚀变后为含白云质大理岩、大理岩 化灰岩。岩石中自云质分布不均匀，含量约占5 * ／o - - 6 ％。含白云质高者，岩石风 化面具明显的刀砍状构造。它与岩体接触时矽卡岩化不发育，一般只在接触带 上形成以磁黄铁矿为主的硫化物矿化蚀变带，宽度几米至1 0 余米不等。其上部 含泥质较高的不纯灰岩在与岩体接触时可以形成一定厚度的矽卡岩。大理岩中 以绢云母、电气石等为主组成的细脉也较发育，常构成岩石的网脉状构造。这 些网脉密集时，也可单独构成工业矿体。棋梓桥组大理岩是区内铅锌矿床的主 要围岩，野鸡尾矿区许多裂隙构造有关的铅锌矿脉即产于该层位中。 3 泥盆系中统跳马涧组 D 2 t 区内只出露中段上部的一部分，分布于矿区东南角上。岩性以灰白色