采场地质灾害分析评价与控制.pdf

I S S N 1 6 712 9 0 0 CN 4 3 1 3 4 7 ／ T D 采矿技术第 4卷第 1期 Mi n i n g Te c h n o l o g y，Vo l ， 4， No ． 1 2 0 0 4年 3月 Ma r ． 2 0 0 4 ● 采 场 地 质 灾 害 分 析 评 价 与 控 制 邓红卫 ， 周爱民， 黄筱军 长沙矿山研究院， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 摘 要 通过对某种采矿方法、 采场地压活动规律和采场地质灾害因果关系的分析评价， 阐述 了 目前 工程界控 制采场地压 的几种主要手段 ， 提 出了对该 问题 的认识 与看法。 关键词 采场地压； 灾害评价； 岩层控制； 断裂韧度 ； 应力强度 因子； 损伤因子 矿山安全性评价的重要一项就是采场地压。根 据原劳动部门和经贸委安全生产局对非煤矿山事故 的统计与分析， 1 9 8 7～1 9 9 9年间非煤矿山死亡人数 最多的事故类别是冒顶片帮、 坍塌 ， 这两类事故无不 与采场地压息息相关。地压灾害在金属矿 山、 煤矿 时有发生 ， 小则发生掉块 、 片帮 ， 大则整体坍塌 、 并波 及地表 如广西某锡矿 ， 造成严重的人员伤亡及财 产损失。因此 ， 对于矿山来讲， 针对采场地压灾害应 用系统安全工程学原理进行科学评价 ， 采用科学手 段进行分析 ， 把现代 的科学理论 如岩层控制原理 等 与本矿 的具体实际结合起来 ， 真正找到一条控 制采场地压活动的路子 ， 掌握采场地压灾害的防治 措施是非常重要的。 1 采场地压 活动规律 与灾害形式 采场地压是原岩作用在采场顶板、 矿柱、 围岩上 的压力与围岩因位移或冒落岩块作用在支护结构上 压力的总称。采空区的形成 ， 破坏 了原岩的应力平 衡条件 ， 必然引起应力的重新分布 ， 在采场周围形成 二次应力场。如果二次应力场中的应力没有超过岩 体的承载能力 ， 岩体就会 自行平衡； 由于采动的影 响 ， 二次应力场中应力可能发生叠加 ， 有时大大超过 原岩应力 ， 导致岩体出现破裂甚至冒落或断面产生 很大变形 如金川二矿区 。 二次应力场与采场尺寸、 断面形状有关， 并且在 时间上 、 空间上不断变化。二次应力场应力分布是 一 种由应力 、 岩性 、 岩体结构控制的 自然现象， 是采 掘工作扰动原岩应力平衡的必然结果。当二次应力 场中应力超过岩体强度之前 ， 岩体以弹性变形为主 ， 当应力增高达到或超过 围岩体强度时， 围岩进入塑 性变形状态， 在临空 面产生破坏、 松胀 ， 因而释放应 力 ， 出现应力降低区。 采场地压活动与采矿方法密切相关。以崩落法 为例 无底柱分段崩落法采场地压显现是通过 回采 进路 、 分段运输联络道、 溜井及中深孔变形与破坏来 反映的。采场地压活动规律一般表现为 回采进路 周围岩体中存在着移动性支承压力 ； 采场地压分布 有明显的分区分带特征 ； 上、 下回采分段对应部位有 一 定影响； 滞后进路地压显现严重。有底柱崩落法 矿山的采场地压显现主要是底部出矿道的变形与破 坏。其采场地压活动规律为 底柱处于加载 一卸载 一 加载过程 ， 承受压力和变形频繁； 采场周边压力 小 ， 采场中心压力大。 采场地压灾害据相对几何部位分 顶围 板 悬 垂与坍落， 侧围 壁 突出与滑塌 ， 底围 板 鼓胀与 隆破 ， 简称冒顶 、 垮帮、 底鼓。 从围岩的力学性质来分 弹脆性围岩地压灾害 分为弯折内鼓、 胀裂塌落、 劈裂 、 剥落 ， 剪切滑移、 碎 裂松动、 岩爆等 ； 塑性 围岩地压灾害分为塑流挤出、 膨胀内鼓 、 塑流涌出、 重力坍塌等。 2 采场地质灾害安全评价 采场地质灾害主要是采场地压灾害 ， 其冒顶片 帮事故占首位。因此 ， 对采场地质灾害的评价， 集中 在对冒顶片帮的评价上。 目前 ， 采用评价函数对冒 顶片帮进行评价。评价函数为f2 g 2 q， 其中 g代表“ 地质条件 因子” ， 2 代表“ 开拓长度因子” ， q 代表“ 开拓断面因子” 。因子的取值见表 1 。 根据评价函数计算函数值 ， 将冒顶片帮划分为 4个等级 ， 该方法着重解决的是发生冒顶片帮的参 考指标 ， 并没有分析致灾因素的种类和权重， 对控制 灾害事故的发生指导意义不大。 采用因果分析方法可以找出致灾因素的种类及 其主次关系， 有利于采场地压的控制， 继而达到控制 维普资讯 1 4 采矿技术 2 0 0 4年 3月 表 1 冒顶片帮事故评价函数各因子的取值 评价因子 适用条什 因子取值 采场地质灾害的发生。冒顶片帮事故因果分析鱼刺 图见 图 1 。 巴想廒痹 ＼ 缺少培训 设 计不 舍 理 一 ／ 堡堕 丝丛 歪 鳘 堑查 厶堕堑煎堕至塑 童 塑 焦 壅 - ／ ’ 堕 厶 丝 型 里 塑 塑 塑 堕 丕全 堕 兰 劳动保 护用品不全 、质量差 图 l 冒顶片帮事故的因果分析 由图 1 可知， 冒顶片帮事故发生的主要根源是 人的不安全行为、 技术水平的欠缺 、 作业环境的不安 全状态及管理水平。 3 采场地压控制 采矿工程， 受矿体赋存条件 的制约 ， 采场布置， 采准工程的位置及地质条件无法随意选择 ， 但工程 中总有一些可控制或可调节 的因素， 因此在采矿设 计与采准工程施工中， 应据安全评价 的基本原则及 评价结果， 充分利用地压活动规律 ， 采取一 系列工 艺 、 技术措施进行综合治理 ， 保证在经济原则下， 减 少或避免地压灾害， 确保采场安全。 3 ． 1 设计合理的采矿方法 矿体的开采大体分壁式开采和房柱式开采， 设 计前应了解采场地压的显现特点及采场地压的活动 规律， 结合矿体的开采条件 ， 进行类 比分析找出安全 可靠的开采方法。 对于壁式体系的开采 ， 必须进行工程类比， 找 出 规律 ， 并按下述内容对地压进行控制 老顶初次来压 步距 ； 在初次来压期间必须对工作面进行支护 ； 进行 来压预测预报 ； 掌握来压的周期。 对于房柱式开采体系， 由于上覆岩层重量转移 ， 使矿柱中的应力增加 ， 形成支承压力 ， 矿柱表面可能 发生片帮、 压裂。因此 ， 应确定合理的矿柱尺寸； 及 时处理采空区 ； 加固顶板， 控制地压。 3 ． 2 建立地压 活动监测 系统 针对不同的地压活动显现 ， 采用不同的监测设 备， 对整个采空区及围岩进行地压活动监测， 为控制 采场地压灾害提供最可靠的第一手资料 ， 对所获资 料进行认真分析 、 研究， 找出预警标准或判据。 1 用钢弦压力盒和油压枕测定岩柱的压力、 并对其进行压力监测 ； 2 用光弹应力计监测围岩应力变化 ； 3 用钻孔多点位移监测围岩内部位移变化 ； 4 用弹性波测定围岩的松动圈范围； 5 用声发射监测围岩的破坏。 3 ． 3 采用适 当的支护方式 采场地压灾害的防治措施包括工程界广泛使用 的支护手段。在“ 围岩 一支护” 共 同耦合作用的指 导下， 先后产生了喷射混凝土、 喷锚 、 锚索 、 挡墙 、 注 浆加固等支护手段。笔者认为， 以前的支护过程有 两种极端情况 1 当岩体内应力达到峰值前 ， 支护已到位 ， 支 护体系阻挡了岩体的剪涨 、 扩容阶段， 这要求支护体 系有足够的刚度和强度 ， 才能保证“ 围岩 一 支护” 共 同体的稳定。该种支护没有充分利用地压活动规 律， 充分发挥围岩本身的作用， 这说明传统地压理论 存在缺陷。 2 岩体 内应力达到峰值前 ， 支护未及时跟上 ， 甚至岩体已开始破裂 ， 支护仍未起作用， 从而导致采 场地压灾害的发生， 此时如有支护存在， 也失去了支 护的意义。 如果在采场地压领域引进断裂力学 、 损伤力学 ， 把支护时期选在上述两者之间， 这一难题就可以解 决。利用应力强度因子 来判断裂隙的扩张时间 与扩张方向， 再利用损伤力学的损伤因子判断失稳 时期 ， 就可以解决微观领域的问题， 找出由微观的发 展导致宏观灾害发生的可能时间。此时， 岩体应力 已到达强度峰值， 岩体变形的发展也充分， 岩体尚未 宏观失稳支护就开始起作用， 这时支护受到的只是 剩余部分的变形作用。 一 里 莓 I 锄 誊 维普资讯 第 4卷第 1期 邓红卫， 等 采场地质灾害分析评价与控制 l 5 从断裂力学来看 ， 喷锚支护改变了围岩中原裂 纹的受力状态和几何参数， 从而降低原裂纹端部的 应力强度因子 ， 提高了围岩的稳固性。 锚杆的支护作用机理在工程界意见不一， 作者 认为其作用机理主要有悬吊作用 、 减跨作用 、 组合梁 作用、 组合拱作用等。研究还表明， 锚杆对抑制节理 面问的剪切变形和提高岩体的整体强度有帮助。从 断裂力学上看 ， 锚杆对围岩的加固作用可视为在裂 纹表面作用着对称集中力 ， 从而降低应力强度因子 ， 提高围岩的稳定性 。 注浆加固支护 ， 其注浆时机的选择对注浆效果 很有影响。注浆过迟， 难以起到支护作用 ； 过早， 为 适应围岩应力、 裂隙扩张等条件 ， 对浆液材料的粘结 性能、 渗透性 、 固结体强度及其允许变形量要求相对 过高。 3 ． 4几点认识 对于二次应力场中应力的分析及围岩压力的计 算 ， 工程界有的把围岩视为松散介质， 从而利用经典 的普氏 法和太沙基理论 ； 有的把围岩视 为弹塑性 体， 确定了相应的计算方法。该方法将 围岩视为均 质 、 各向同性体 ， 沿用了弹性 、 弹塑性 和弹粘性力学 方法进行计算 ， 能有效地解决宏观问题 ， 但对微观现 象 ， 却回答不了“ 为什么” 。笔者认为， 断裂力学、 损 伤力学从微观上能利用能量释放率 G 、 断裂韧度 来描述微观过程， 通过二次应力场中的应力强度因 子 K 表征裂 隙尖端附近应力场的强弱程度 来判 断裂隙 岩体 是否进入失稳状态。 上接 第 1 2页 加强地下装载机管理就是定期对地下装载机进 行正确维护与保养， 使设备随时处于正常状态。这 是防止事故发生的重要措施。对人员进行技术培训 就是要使相关人员懂得安全操作规程 ， 会用会修 ， 会 维护保养 ， 并经考试合格 ， 取得安全许可证和上岗证 之后才能上岗操作。这是防止设备与人员发生事故 的最根本措施。地下装载机 司机是一种特种作业 工 ， 容易发生伤亡事故 ， 对操作者本人及设备造成重 大危害。在“ 安全标准” 中无此项要求 ， 是这个标准 的不足 ， 建议修改。 4 ． 1 3 安全要求的适用范围 由于地下装载机的设计是在一定 的工作环境 如一定 的温度、 海拔 高度 、 湿度、 通风量 、 电压 、 电 流⋯⋯等条件 下进行工作的。地下装载机只有在 合理的防治措施是建立在科学理论之上的。例 如， 可以根据采场地压的时空效应， 采取以下采场地 压灾害的防治措施 1 强化开采， 缩短进路回采周期 ， 在地压到来 之前结束回采工作； 2 确定合理的回采程序； 3 改变围岩应力状态 ， 实现卸压开采。 4 结束语 随着采矿技术的发展， 一些难采矿体相继恢复 开采， 采场采准工程向深部和地质条件差的方向延 伸 ， 要求对采场地压的分析、 控制更为可靠 、 准确 ， 最 好能对采场地压灾害做到预测、 预报。为此 ， 把新发 展起来的科学理论体系应用于具体 的工程中， 任重 而道远 。 参考文献 [ 1 ] 赵铁锤， 等． 安全评价[ M] ．北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 于骁l { 】 ， 等． 岩石和混凝土断裂力学[ M] ． 长沙 中南工业大学 出版社， 】 9 9 1 ． [ 3 ] 任德惠， 等． 井工开采矿I I J 压力与控制[ M] ． 重庆 重庆大学 出 版社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 邓红卫． 金J 1 』 二矿贫矿开采工程地质水文地质调研[ J ] ． 矿业 研究与开发 ， 2 0 0 0 ， 2 0 5 3～ 6 ． [ 5 ] 周爱民． 金属矿 山安全现状 与防治新技 术 [ J ] ． 采矿技术， 2 0 0 3 ， 3 2 l～4 ． 设计的条件下工作才能保证其性能和安全。超过了 这个范围达一定程度后 ， 轻则地下装载机的性能变 坏 ， 重则发生设备与人身事故。例如工作环境温度 如超过设计范围， 一方面由于温度升高， 空气稀薄， 参加燃烧的空气量减少， 发动机功率下降。另一方 面 ， 由于温度升高 ， 发动机的冷却能力不足， 使发动 机过热损坏， 甚至发生火灾。因此， 必须指出地下装 载机的安全适用范围。 总之， 通过 上面 的分析可知 J B 8 5 1 5 ／一1 9 9 7 地下铲运机安全要求 标准存在某些不足， 已不适 应当前形势 ， 需要作一定的修改 、 补充、 完善 ， 从而更 好地保护人与机的安全。 收稿 日期 2 0 0 30 81 0 维普资讯