缓倾斜采空区处理的理论与实践.pdf

缓倾斜采 空 区处理 的理论 与实践 李俊平 ， 周刨兵 ， 冯长根 。 1 ． 鸡 西大 学安全 与环境 工程 系， 黑龙 江鸡 西 1 5 8 1 0 0 2 ． 武 汉大 学水利 水 电学 院 ； 水资 源与 水 电工程科 学国 家重点 实验 室 ， 武 汉 4 3 0 0 7 2 3 ． 北 京理 工 大 学机 电学院 。 北京 1 0 0 0 8 1 案 eV 1 eW 摘要坚硬顶板下特大型 采空场的处理是中国普遍存在 的、 特有的一类采矿 技术 难题 。国 内外已有的采空区处理方法 中能解决冲 击地压 问题 的。 应用成本 昂贵。为了经济有效地处理全面采矿法等空场法遗 留的大量采空区及矿体 残采， 在国 内外采空区处理与利 用方法的基础上 ， 提 出了切槽放顶法和切顶与矿柱崩落法 。 并应用数值模拟 、 相似模 拟和岩 体声发射技术研究 了各新方法的基本参 数的设计 方法和 实施效果 的分 析、 评价方法 ， 形成了针对缓倾斜采空 区处理的从理论分析 、 方案设计 、 现场实施到效果观测 的一整 套可供推广借鉴的理论、 实施和评价体 系。 实践表明， 提出的理论、 实施和评价体系是技 术可行 、 经济合理、 简便适用的 ， 具有重大的 社会意义和重要的经济价值 。 关■词采空区处理 ； 切槽放顶法 ； 切顶与矿柱 崩落 法； 控 制爆破 ； 岩体声发射 中圈分类号T D 3 2 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 7 8 5 7 2 0 0 9 1 3 0 0 7 1 0 7 M e t h o d a nd Pr a c t i c e ． Di s p o s i ng Ge n t l y I n c l i n e d Ab a n d o n e d S t o p e L I J u n p i n g 。。 ， Z HOU C h u a n g b i n g ， F ENG Ch a n g g e n 。 1 ． S c h o o l o fS a f e t y a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g , J i x i U n i v e r s i t y , J i x i 1 5 8 1 0 0 , He i l o n g fiang P r o v i n c e ， C h i n a 2 ． S t a t e Ke y L a b o r ato r y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r E n gin e e r i n g S c i e nce ； C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s and H y d r o e l e c t r i c E n gin e e r i n g , Wu h an U n i v e r s i t y , Wu h an 4 3 0 07 2 ，Ch i n a 3 ． S c h o o l o f Me c h at r o n i c a l E n g i n e e r i n g , B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e r i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a Ab mc t Ab a n d o n e d s t o p e d i s p o s a l i s a g r e a t p r o b l e m o f mi n i n g t e c h n o l o g y a n d p r o d u c t i o n s a f e t y ．I n c u r r e n t ，d o me s t i c a n d f o r e i g n me t h o d s d i s p o s i n g a b a n d o n e d s t o p e ，i t wa s e x p e n s i v e t h a t t h e y c o u l d s o l v e t h e p r o b l e m r o c k b u r s t ．I n o r d e r t o d i s p o s e a g r e a t d e a l o f a b a n d o n e d s t o p e l e ft b e h i n d i n b r e a s t me t h o d a n d S O o n o p e n s t o p e me t h o d a n d e x t r a c t o u t r e mn a n t mi n e e c o n o mi c a l l y a n d e f f e c t i v e l y ， o n t h e b a s i s o f d o me s t i c a n d f o r e i g n me t h o d s d i s p o s i n g a n d u t i l i z i n g a b a n d o n e d s t o p e ，l o c a l g r o o v i n g t o p- c a v i n g a n d r o o f c u t t i n g a n d p i l l a r d i l a p i d a t i o n i s p r o p o s e d b y c o n t rol l e d e x p l o s i o n i n t h i s p a p e r ．An d t h e i r me t h o d s d e s i g n i n g t h e b a s i c p a r a me t e r s a n d a na l y s i n g a n d e valu a t i ng t h e e ffe ct i v e c u t t i n g r o o f a r e s t ud i e d by n u me r i c a l s i mu l a t i o n ，s i mi l a r i t y s i mu l a t i o n a n d Ac o u s t i c E mi s s i o n A E t e c h n i q u e s o f r o c k - ma s s ． I n a w o r d ， a s e t o f t h e me t h o d a n d a c t u a l i z i n g a n d e v a l u a t i n g s y s t e m i s p u t f o r w a r d t h a t ma y b e e x t e n d e d a n d u s e d f o r r e f e r e n c e ． T h e i n t e g r a l me t h o d a n d a c t u a l i z i n g a n d e v a l u a t i n g s y s t e m i n c l u d e s a n a l y s i s me t h o d ， p r e c t d e s i g n me t h o d ， t h e me t h o d c a r r y i n g o u t a n d mo n i t o r i n g a n d e v a l ua t i ng ． Th e r e s u l t s h o ws t ha t i t i s t ec hn o l o g i c a l l y f e a s i bl e ， e c o n o mi c a l l y r e a s o n a b l e a n d s i mp l e s u i t a b l e ， a n d i t h a s t h e s i g ni f i c a nt s o c i a l s i g n i fic a nc e a n d t h e i mpo r t a nt e c o n o mi c v a l u e ． Ke y wo r a b a n d o n e d s t o p e d i s p o s a l ；t h e l o c a l g r o o v i n g t o p c a v i n g me t h o d ；t h e r o o f c u t t i n g a n d p i l l a r d i l a p i d a t i o n me t h o d ； c o nt r o l l e d e x pl o s i o n ；a c ou s t i c e mi s s i o n o f r o c k ma s s 0 引言 采 空 区处 理 问 题 一 直是 中 国及 世 界 采 矿 不发 达 国家 普 遍存 在 且 特有 的采 矿 技 术难 题 。 防范 顶板 冲击地 压 ， 调控 开 采地 压 ． 是研 究采 空 区处 理 问题 的关键 。 崩落法能及时消除采空区 ， 且处理成本相对充填法低， 但 地表 发 生沉 陷 ， 其 中 的切 顶与 全 面放 顶也 需几 十 元／ m z 。充 填 法控制地表移动的效果好 ， 但较 昂贵。支撑法除非采出率极 低 ， 一般不能避免顶板发生 冒落或 冲击地压。封闭隔离法适 于孤立 小 矿体 开 采后 的采空 场处 理 。联 合法 易 于吸 收上 述 4 收 稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 9 基金项 目国家安全 生产科技发展计划项 目 0 6 5 1 2 ； 黑龙江省博士后科研启动金 项 目 L B H Qo 6 0 o 3 ； 国家自然科学基金重点项 目 5 0 2 3 9 0 7 0 作者 简介 李俊 平 中国科协所属全 国学会个人会员登记号 E 5 2 0 0 0 1 7 1 7 S ， 教授 ， 研 究方向为矿 山岩石力学及矿山安全生产管理； 电子信箱 j u n p i n g l i 1 6 3 ． c o rn 科 技 导 报 2 0 0 9。 2 7 1 3 71 蔫 eV 1 eW 种 基本 方 法 的优点 ， 克服 其局 限 性 ， 但 已有 的支撑 充 填 法 、 崩 落 隔离法 、 矿房崩落充填法 、 支撑片落法等 4种联合法施工 费用仍 较 昂贵 。总之 ， 联 合法 是采 空 区处理 的发展 方 向 ， 采 空 区处理 要 与采空 区利 用相 结合_ l - 2 ] 。 本 文探 索 了渗 流对 采 空 区处 理 的影 响 、 采 空 区处 理 引起 的顶 板应 力 和位 移重 分布 、 采空 区处 理 对安 全 生产 的影 响等 科 学 问题 ， 发现 了经 济合 理 、 简便 可行 的采 空 区处 理 新 方法 ， 解决 了新 方法 应 用 中的基 本参 数设 计 、 应用 效 果评 价 等技 术 问题 ， 提 出了切 合实 际 的从 理论 分 析 、 方 案设 计 、 现场 实施 到 效果 观测 的一 整套 可供 推广借 鉴 的理论 、 实 施和 评价体 系 。 本文的主要研究内容包括 ① 分别在东桐峪金矿 高 山 下深埋 和湖北荆襄化工集 团有限责任公 司木架山采 区 薄 覆 岩 开 展 特 大型 采 空 区处 理 新方 法研 究 ， 分 别 提 出切 槽 放 顶 法 控 制爆 破局 部切 槽放 顶技 术 和切 顶 与矿 柱 崩落 法 ， 并 分 别研 究切 槽位 置 、 切 槽 宽度 和切 槽 深度 等 切槽 放顶 法 的基 本 参数 ， 极 限跨度 、 极 限悬 臂 跨 度 、 切 顶深 度 等切 顶 与矿 柱崩 落 法 的基本 参 数 ， 形成 了缓 倾斜 采 空 区处 理 的完 整 理论 与方 法体系。 ② 应用数值模拟 N F A S 、 AN S YS 、 E P S C A 3 D 、 相似模 拟 和岩 体声 发 射技 术研 究切 槽 放顶 法 及其 拓展 方 法 切 顶 与 矿 柱崩 落 在 控制 坚硬 顶 板 冲击地 压 ， 减缓 地表 不 均匀 沉 陷 ， 调整开采地压等方面的作用效果。③ 在采空区处理 、 煤矿沿 空 留巷 顶板地 压控 制 中全 面推广 切槽 放顶 法 的应 用 。 利 用 本 文提 出 的控 制爆 破局 部 切 槽 放 顶技 术 处 理 东 桐 峪 金 矿 4 3万 多 m 采空 区 ． 施 1 经费 不 超过 6 0万 元 。利 用 本 文 提 出 的 切顶 与矿 柱 崩 落 法处 理 荆 襄 磷 矿 3 8万 多 m 采 空 区 ， 并 杜绝非 法开 采 ． 施工 经 费不超 过 1 2 0万元 。 1 切槽放顶 法在 东桐 峪金矿 采空 区处 理 中的应用研 究 切 槽 放顶 法 控制 爆 破局 部切 槽 放顶 技 术[3 ,5 - 6 3 的要 点 是 应 用 控 制爆 破 手段 ． 分 别 在顶 板 拉 应 力 最 大 的地 段 沿 空 场走 向全 长实 施 一定 深 度 、 一定 宽度 的控 制爆 破 切 槽 ， 诱 使 顶 板 最 先 在该 地 段 冒 落 ． 并 尽 可 能使 冒落 接 顶 ， 从 而实 现 空 场 小 型化 及其 与 深部 开采 系统 的 隔离 同 时将 开采 废石 有 计 划地 简易 排入 处理 过 的采 空 区 ． 削 弱可 能发 生 的 自然 冒落所 激起 的空 气 冲击 波 ． 最 终消 除 冲击 地 压 隐 患 ， 并 使顶 板 应 力 向有 利 于安全 开 采 的方 向重 分布 ， 确保 安 全生 产 。从 方 案的 要点 中可 见 ， 有必要 研 究切 槽位 置 、 切槽 深 度 和切槽 宽 度这 3 个基 本参 量 的设 计方 法 ． 并 计算 排 人到 处理 过 的采 空 区 的合 理松 石厚 度 。 1 ． 1 切槽 放顶 方法 的基 本参 数 1 。 1 ． 1 切 槽位 置 1 首次 切槽 位置 将 东 桐峪 金矿 采 空 区抽象 为 固定 端 和简 支 梁组 合模 型 ， 将切槽放顶形成的接顶堆积坝假设为弹簧支座 ， 按照材料力 学 ． 推导 出首 次切槽 位置 为 4 a 2 b 一 a 2 1 6 b 2-． 一 一 7 2科技 导 报 2 0 0 9， 2 7 1 3 5 8 a b 十 一5 8 a ll 罢 1 1 a s i nO ／ s l n o t ／ 式 中 ， O L 为采 空 区倾 角 。 ； 。 为 岩梁 从 8 6 6 m水 平 到首 次切 槽 点 的倾 斜距 离 m ； a为岩梁 从 8 6 6 m 水平到 钢筋 混凝 土支 撑 隔离墙 的倾 斜距 离 m ； b为 岩梁从 钢筋混 凝土 支撑 隔离墙 到矿体露头的倾斜距离 m ； H为从地表到矿体露头的垂直 距 离 m 。 2 二 次切 槽位 置 同样 ， 继续 推导 出二 次切槽 的位 置为 _ { 6 ⋯ d [ 卜 一2 d Z b c 一 H c 2 - 2 b d - b 一 塑 l r ， 、 3 c c s i n a ’ r s i n ac o s a。 、 。 式 中 ， r 为 爆破 崩 落岩 石 容重 1 0 N ／ m ； c a X o ； d为 岩梁 从延 伸后 的新水 平点 到首 次切 槽点 的倾斜 距离 m ； R。 为爆 破松 石堆积坝的支反力， 并且 R。 取为 Ma x [ R D ] A t r Wl 。 A为崩落岩 石抗 压 强 度 的折 减 系 数 ，一 般 A 1 0 为 岩 石 抗 压 强 度 MP a ； 为切槽 宽度 m ； Z 为沿走 向 的单 位长 度 ， 取 1 IT I 。 实 践 和数 值 模 拟证 明 ， 如 果 矿层 分布 基 本 均 匀 ， 不 发 生 显著 的突 然变 化 ， 按 式 1 和式 2 设 计是 基本准 确 的。 1 ． 1 _ 2切槽 深度 根据 断裂损 伤力 学理 论 ． 推导 出切槽 深 度计算公 式 为 一 半 _ 1 3 v ／ 4 9 0 3 3 0 ．0 1s2 6 z - 1 ．7 x 1 0 4 一 re 3 式 中 ， ， J 为切 槽 爆破 炮孔 的设 计 深度 1 13 ； k为 岩体 松散 系数 ； Ⅳ 为 采 空 场 顶 、 底 板 垂 直 高 度 m ； z为 岩 石 声 阻 抗 1 0 6 k g ／ m S ； S 为 岩石抗 拉 强度 MP a ； 1 “e 为 炮孑 L 半径 m 。 实 际证 明 ， 在 硬岩 中按公 式 3 设计 切槽 深 度 ， 能够确 保 顶板 按要 求 垮落 。由于 软岩 层理 发 育 ， 要 求爆 破 裂纹 穿过 层 理 时 ， 切 槽深 度要 修正 。 1 ． 1 ． 3切槽 宽度 按照 井下 空气 动力 学 ， 推导 出切槽 宽度 的计 算公式 为 ≥c V Z ／ 2 f L p g c o s a 4 式 中 ， P 为松 散 岩石 密度 k g ／ m ； g为重 力加 速 度 为松 散 岩 石 间 的摩擦 系 数 ； C为 阻 力 系数 ； p 为 空气 密 度 k g ／ m ； V 为 宽 的石 渣堆 可承 受 的气流 速度 m ／ s 。 实 际证 明 ， 按 照 公式 4 设 计 堆坝 宽度 ， 能够 确 保 阻隔 和 削弱顶 板 冒落 冲击波 。 1 ． 1 ． 4松石 垫层 的厚 度 按 照井 下空 气动力 学 ． 有 0 ． 7 4 ／ ] 毗 5 式 中 ， h 为有 效 削波 的 松石 垫层 厚 度 m ； Z 为 粗糙 系数 ， Z 6 ． 6 x 1 0 一 ； d c 。 为冒落岩块平均直径 m ； Ⅳ 0 为岩层 冒落高度 i n ， 一般 N o ≥Ⅳ； ， J 为可能冒落岩层厚度 i n ； F为冒落面 积 比 ， L N o 时 取 1 。由式 5 可 求得东 桐峪 金矿 8号脉 采空 场 的有效削波垫层厚度不超过 0 ． 4 9 in 。急倾斜的 1 2号脉的有 效 削波 垫层 厚度 最大 不超 过 1 5 ． 2 m， 一般 不超 过 7 ． 7 0 1T I 。 1 ． 2 切槽放顶前、 后顶板应力状态的材料力学分析 按照首次切槽位置研究 的分析方法 ， 用材料力学方法可 以分 析东 桐峪 金矿 采空 区切 顶前 、 后 深部 水平 8 6 6 m 水平 ， A 点 和钢 筋混 凝 土 支撑 隔离 墙 1 1 3 3 m 水 平 ， B点 处 的应 力 状态 变化 情况 。 切顶前 8 6 6 m水平顶板处于三 向应力状态 ， 其顶板岩梁 下表面受压。切顶 ， 尤其接顶后， 岩梁的力学状态改变了， 钢 筋混 凝土 隔 离墙 处 的顶板 处 于三 向应 力状 态 ， 其 承 载 能力 增 加 ． 而深部水平的顶板受力下降 ， 如表 1所示 表中负值表示 与初 始假 定方 向相反 ， 计 算 时 O L 取 4 0 。 。这 有 利 于将 来深 部 e vi e w 0≥ 表 2 各方案 在深部弓 l 起应 力集中程度比较表 T a b l e 2 D e g r e e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o n e l e me n t n e a r b y t h e 7 5 O m l e v e l Ie d g e u 1 ． 3顶板 应 力状态 的数 值模 拟 应用 N F A S非线性 二维有 限元分析软件 、 A N S Y S三维 分析 软件和三维应力一 渗流耦合分析软件 E P S C A 3 D分别计算 。 分析 表明 ． 在 9 6 6 i n和 8 6 6 m水平 附近 实施沿走 向全长 的控制爆 破 切槽放顶是合理的 放顶引起应力向有利于安全生产的方向重J 分布 ． 9 8 0 m平巷地压及其附近下层矿的开采地压降低 ， 8 6 6 m 水平以下 的深部 矿体 的开采地 压降低 ， 引起 地表岩体 移动不 明 显 增加切槽放顶宽度引起深部水平应力集中程度降低 的效果 [ 不 明显 表 2 沿倾 向类似地 实施控制爆 破局部切 槽放 顶 ， 不 仅 可以凋整局部地压 ， 而且可以减小地表岩体移动 ， 降低关键点J 的支撑压力 表 3 ； 考虑渗流时， 采空区处理后地表岩体移动量 和应 力集 中程度将 更小 ． 可能 是经采矿 疏干后 地下水位 在采 空 区以下 ， 因此 ， 地下水 渗流 对采空区表现为一种浮力， 对深部【 水平的待采矿体则表现为一种重力荷载。 表 2中 ， 3种 计 算 方案分 别 为不 实施 控 制爆 破切 槽 放 顶 、 f 放顶宽度取 1 0 m、 放顶宽度取 2 0 11 1 。其 中， 为垂直应力 压 l 应力 ， MP a ， 为水 平应 力 拉 应力 ， MP a 。表 3中 ， 3种计 算 方案分别为不实施控制爆破切槽放顶 、 仅沿走向在 9 6 6 m和 8 6 6 m水平附近实施控制爆破切槽放顶 、除沿走向放顶外局 部还沿倾向类似放顶 ，其 中最大平均顶板位移发生在 9 6 6 m f 水平和 1 1 3 3 t n水平之间。 1 ． 4 采空区处理的相似模拟 J 实验表明 ， 控制爆破局部切槽放顶引起的岩体移动不明 显 ． 相似模拟试验计算 的岩体移动与采空区处理现场观测相 科 技 导 报 2 0 0 9。 2 7 1 3 7 3 毒 eV lew 水平 正对 6 1 4采 场 附近 ，沿 空场 走 向实 施 了长 约 7 0 m 的控 制 爆破 切 槽 放 顶 ，沿 倾 向放 顶 宽 1 0 m。2 0 0 1年 2月 7日一 2 0 0 2年 3月 分 别 在 8 6 6 I l l 和 9 8 0 m 水 平 不 问 断 地 随 机 抽 样 监测 岩 体 声发 射 特 征 。放 顶 停 止 约 1个 月后 继 续监 测 。 监测评价表明 ， 实施 控制爆破局部切槽放顶 ， 能引起顶 板应 力 向有利 于安 全生 产 的方 向重分 布 1 _ 7技术 经济 分析 实 施 “ 采 区 空 场 处 理 及 采 场 地 压 控 制 ” 可 为 矿 山 带 来 3 5 0 4万 元 的 年 直 接 经 济 效 益 。其 中 ， 节 约 采 空 区处 理 费 1 3 8 0万 元 ， 每 年节 约 安全 措 施 资金 3 3 3万元 、 生 产投 资 2 9 1 万元 。因放顶后新增 的极薄脉矿柱回收和底板 清理等多采 矿 ， 2 0 0 1 2 0 0 5年 间每 年 至少 带来 直 接利 润 1 5 0 0万 元 以上 另外 每年还 可节 约 可观 的废 石 运输 费和 矿柱修 建费 。 1 ～ 9 8 O m 平 巷 ； 2 ～ 人 行 井 ； 3 一 人 工 矿 柱 ； 4 9 6 6 m 平 巷 ； 5 一 溜 矿 井 ； 6 9 1 6 m 平巷 ； 7 一 底柱 8 一 顶 柱 9 一采空场 ； 1 O 一点柱 ； 1 1 一底板 ； 1 2 一预裂炮眼 ； 1 3 一切顶炮服 ； 1 4 一 残留顶柱 ； 1 5 --顶板 ； 1 6 一 回收矿柱后的 9 6 6 m 平巷 ； B 一B 表示矿柱回收后的剖面 ； a 一放顶 带宽度 ， 取 a l 0 m； 预裂眼离放顶带的距离 ． 取 b 2 m 图 1 矿 柱 回收 前 、 后 剖 面 及 切 顶 炮 眼布 置 示 意 F i g ．1 Sk e t c h o f gr o o v i n g b la s t h o l e dis t r i b u t i o n a n d t h e s e c t i o n p l a n e b e f or e a n d a f t e r t h e p i l l a r iS e x t r a c t e d 2切槽 放顶 法在 荆襄化 工集 团采 空 区处理 中的应 用 结合 实 际要求 ， 在 切槽 放 顶法 的 基础 上 提 出切顶 与 矿柱 崩落 法M。 其 思路 是 利用 天然 断层 等大 型弱 面或爆 破切 断顶 板 ， 并 崩 倒极 限悬 臂跨 度 内 的矿 柱 ． 或 者 没有 弱 面 也 不切 顶 弱化而直接崩倒极限跨度 内的矿柱 ， 使顶板 自然 冒落 。为了 确保后续矿体安全 回采 ， 结合矿体开采 价值 ， 可采用砌人工 隔离墙或留连续矿壁以隔断 自然 冒落区与深部开采系统 的 联 系 ， 或在 自然 冒落 区以下 修截洪 沟 为 了经济 、 合 理 地 实施 切 顶 、 崩 倒矿 柱 ． 必 须 应用 顶 板最 大允 许跨 度 理论 或数 值模 拟 方法 确 定 回收 哪些 矿 柱 ， 从 而得 到诱 发顶 板 自然 塌落 的 最小 顶 板跨 度 极 限跨 度 ， 或 者 确定 切顶 深 度及 顶板 因 天 然 断层 或 爆 破 切 顶 而处 于悬 臂 状态 下 的极 限跨度 悬 臂极 限跨 度 。 2 ． 1 顶板 最大 允许 跨度 的计 算 根据梁理论 、 板理论和模型法 1 1 ． 2 5 H[ o - ／ r H 0 ．0 0 1 2 k 1 Q 6 等 计算的崩顶极限跨度介于4 7 ～ 1 1 7 13 3 ． 之间． 切顶或顶板受断层、 冒落带切割的崩顶悬臂极限跨度为3 7 11 3 。其中， 仅模型法的计 算结果考 虑了开采深度 日 对拉应力集 中系数 k的影 响。 2 ． 2顶板 极 限跨度 与切 顶深 度的 ANS Y S分析 根据三维 A N S Y S分析的对应跨度下顶板最大拉应力作曲 线， 依据岩体抗拉强度 ， 分析出南部顶板极 限跨度为 1 0 2 m． 如 图 2所示。切断覆岩厚度的 5 0 ％， 类似模拟顶板悬臂跨度与 顶板最大拉应力的关系 ， 见图 3， 分析 出顶板极限悬臂跨度为 7 7 m。 研究表明 如数值模拟时 ， 充分考 虑本矿岩体的层理特 7 4 科 技 导 报 2 0 09， 2 7 1 3 囊 12。 霎 ； 肾 2 ／ 一 ’ ◆ 一 ． 。 。 7 0 9 0 l 1 0 1 3 0 l 5 0 l 7 0 顶板极限跨度， m 图 2完 整顶 板 极 限跨 度 与 最 大拉 应 力 的关 系 F i g ． 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n mi n i ma l r o o f s p a n a n d ma x i ma l t e n s it e s t r e s s a t c omp l e t e r o o f ／ 厂 60 7 0 8 0 9 0 悬臂长／Y ／ m 图 3顶板 悬臂长度与其最大拉应 力的关 系 F i g ． 3 Re l a t i o n s h i p be t we e n r o o f l e n g t h a n d i t “ s ma x i ma l t e n s i o n a t c a n t il e v er r o o f 征 ，顶板极限跨度将更接近相似模拟的极限跨度值 1 1 0 r n [8 1 。 根据梁理论 、 板理论和模型法计算的结果偏差较大 ， 原 因是 5 O 5 O 5 O 5 如 枷 如 3 B d 善 毯 K嚼蟮鼙 这些公式无法精确考虑开采深度 H对拉应力集中系数 k的 影 响 ． 也无 法精确 考虑 矿 体赋存 状 况 。这些 缺点 ， 数 值模 拟 和 相似模拟可以克服。板极限悬臂跨度 7 7 m时 ， 切断覆岩厚度 的5 0 ％， 可保证顶板较好垮落。因此， 取切顶深度为覆岩厚度 的 5 0 ％。 按 照 切 槽深 度 式 3 ． 设 计 出 切 顶 深度 为 顶板 覆 岩 厚 度 的 5 0 ％时 ， 切 槽 放顶 炮 孔 垂 直 顶 板 的 深 度 为 8 ． 0 ～ 1 1 i n ， 折 算 成铅 垂深 度则 为 9 ～ 1 2 IT I 。 2 ． 3顶板 应 力状态 的数 值模 拟 按照类似的矿山力学参数，应用三维 AN S YS分析顶板应 力状态表明． 按照极限跨度值 l 1 0 m、 顶板极限悬臂跨度 7 7 I n 、 垂直 顶板 的切顶 深度 8 ． 0 ～ 1 1 m或 铅垂 切顶 深 度 9 ～ 1 2 i n处 理 木 架 山采 空 区 ． 能 引 起顶 板 按 要 求 自然 冒落 ， 采空 区处 理 后 后续开采的 P H 、 P m矿体处的拉应力集中不超过 2 ． 5 MP a 、 压 应力 集 中不 超过 6 MP a ， 岩 移不 明显 。 因此 ， 采 空 区处 理不 会 影响后 续 P H 、 P m矿体 的安 全开 采 。 根据岩 石力 学试 验 的参 数 ， 考虑 0 ～ 3 m厚 的直接 顶 板磷 块 岩 ． 重新 应用 A N S Y S分析 。 得 出 的结果 与上 述结 果 差 别不 明显 图 4和图 5 。 修正 后 ， 采空 区处 理对 后 续开采 的影 响更 小 。按 上述 确定 的极 限跨 度 和切顶 深 度 ， 可 以确 保顶 板 及 时 自然坍塌 。 O 0 ． 0 2 7 6 8 9 0 ． 0 5 5 3 7 8 0 ．0 8 3 0 6 7 0 ． 1 1 0 7 5 6 0． 01 3 8 45 0． 01 4 5 34 0． 0 69 2 23 0． 09 6 91 2 0． 1 2 4 60 位 移／ m 图 4按类 比参数的位移 云图 F i g ． 4 Di s p l a c e men t c l o u d d i a g r a m a c c o r din g t o a n a lo g o u s p a r a me t er s 0 0 ． 1 4 0 l 5 O 0 ．2 8 0 3 0 0 0 ． 4 5 5 4 8 7 0． 07 0 075 0． 2l 0 22 5 0． 350 3 75 位移 ， m 图 5按试验 参数 的位移云 图 F i g ． 5 Di s p la c e me n t c l o u d d ia gr a m a c c o i n g t o e x p e r i me n t a l p a r a me t e r s 案 eV 1 ew E P S C A 3 D分析表明 ， 采空 区处理前后 ， 考虑渗流时的位 移 、 应力较不计渗流时减小 了。这是 由于矿体底板是较好 的 隔 水 层 ． 岩 体 渗 透 性差 ， 地下 水 流 对 采 空 区 围 岩 的作 用 体 现 为一 种 浮力 。 2 ． 4采 空 区处理 的相 似模 拟 由于 有 限元 模 拟 的是 一 种弹 塑性 静 力 学模 拟 模 型 ． 前 提 假设条件是岩体为连续介质 ， 而崩落顶板极限跨度范围内的 矿柱 或切 顶并 崩 落 顶板 极 限悬 臂 跨度 范 围内 的矿 柱后 ， 尤其 覆 盖 层较 薄 时 ， 顶 板将 会 破 裂 、 坍 塌 而变 成 离散 介 质 ， 而 且 整 个 矿 柱 崩 落 、 顶 板 破 裂 、 坍 塌 和 地 表 移 动 的过 程 是 个 动态 变 化过程 。 因而有限元失去了计算成立的前提假设条件。因此 ， A N S Y S模拟的地表移动角是不准确的， 有必要借助相似材料 模拟确定地表移动角。 相似模拟表明， 在该下凹地形下应用 1 l 0 m的极限跨度可 确保 上贫矿 及 白云岩顶板 自然塌 落 ，达 到采空 区处理 的 目的 ； 处理之后地表岩体移动不明显 ； 若全部崩倒上部大矿柱 ， 顶板 跨度将达到 1 4 0 1 T I ， 会导致 7 8 。 与 6 5 。 的垮落角、 地表移动角一 般达 6 4 ．4 。 ． 如图 6所 示 ； 用条 带矿 柱取代 采空 区 中分 布 的小 矿 柱 点柱 后 ， 将三维相似模型简化成二维模型 ， 并能确保下 凹 地形 下上覆 薄层 覆 岩的 应力 、 应 变不 失真 ； 采 空 区处理 时崩 倒 上部大 矿柱 和小 矿柱 ． 不会 影响后续 矿体的安全 开采 。 图 6采空区上部大、 小矿柱崩倒的模 型 F ig。 6 Mo de l f o r c o mp l e t e o r d i la p i d a t i n g p a r t l y b i g o r e p i l l a r a n d s ma l l o r e p i l lar 科 技导 报 2 0 0 9， 2 7 1 3 7 5 誊 eV 1 eW 2 _ 5试 验效 果评 价 现 场切 顶 与矿 柱 崩落 试 验表 明 ， 相 似模 拟 试 验确 定 的垮 落角 、 地表移动角及崩顶极 限跨度较准确 ； 根据数值模拟确 定 的崩 顶 极 限跨 度 、 悬臂 极 限跨 度 基 本 比较 准 确 ， 误差 不 超 过 8 ％； 根据数值模拟和公式 3 确定的切顶爆破深度 ， 能保 证 顶板 较好 垮落 ； 采 空 区处理 不会 影 响后 续 矿体 开采 。 应 用 切 顶 与 矿 柱 崩落 法 成 功 处 理 了荆 襄 磷 化 集 团公 司 木架 山采 空 区 ， 地表 局部 下沉 量 高达 2 6 C I l l ， 未在 地 表形 成很 明显 的塌 落 盆地 ， 消 除 了 冲击 地 压 隐 患 ， 并 从 技 术 上成 功堵 塞 了非 法开 采通 道 。在采 空 区 处理 过 程 中 ， 成功 回收磷 矿 石 5 ．5万 t ， 带 来 直接 经 济效 益 9 5 0万 元 。相 比在地 表剥 离 搬运 采空 区上方 覆 岩 ， 节约采 空 区处理 费用 6 5 6 2 ． 5万元 。 3 切 槽放顶 法在 煤矿