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第18卷 第1期岩石力学与工程学报181 86～91 1999年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringFeb. ,1999 采空区下方厚矿体安全开采的研究与决策 卢清国 蔡美峰 东北大学黄金学院 沈阳 110015 北京科技大学资源工程学院 北京 100083 摘要 利用从地质调查、 理论判别、 试验室内数值和相似材料模拟试验到现场多种监测手段的综合研究方法,全面 地系统地研究了一具体矿山的地表下大空区下厚矿体安全开采的决策方法。 分析了采空区开采后形成大空区的塌陷 可能性,指出在此类矿体开采中,必须采用综合的研究方法才能既安全又最大限度地回收资源。 研究探讨了各种现 场监测手段的空区突然塌陷判据和影响因素,以及为提高塌陷预报精度的综合决策关系,在此种矿体的开采和几次 预报地表小范围塌陷中得到了决策有效性的成功体现。 关键词 采空区塌陷预报,理论判据塌陷,采空区塌陷模拟,综合监测预报,决策系统 分类号 TD853 , 391. 2 1 前 言 空场采矿法,在位于山区的金属矿山矿石地下 开采中占有相当大的比重。 矿石开采后形成的采空 区一直是矿山非常重要的安全隐患。 研究和预测采 空区顶板大面积突然塌陷事故可能发生的范围和时 间是从事矿山岩石力学研究人员面临的世界性难题。 辽宁凌源柏杖子金矿地表下,在原有的较大空区下 面的一个厚大矿体值得开采。 确定合适的采矿方法, 利用各种研究手段综合研究和预测空区出现塌陷的 可能,保证开采过程中的安全,才能回收该矿体厚大 部分的资源。 此研究中,系统综合地运用各种研究手 段,进行了该赋存情况下厚矿体开采的决策研究。 保 证了该矿体在安全指导下的开采和资源的回收,并 在监测中成功地预报了几次早期民间开采所形成的 采空区发生的地表小范围塌陷。 2 空区概况 柏杖子金矿10021号矿体中的3092采场位于 240 m～ 270 m水平之间,矿体厚度变化在1. 00～ 19. 75 m之间,走向延伸100 m。 矿体围岩为花岗岩, 岩石坚硬,但节理发育,稳定性中等。 该矿体的上部 270 m水平～ 300 m水平是原2092采场已开采 过后形成的空区。 270 m水平矿体厚度17～19 m , 空区上部距地表约80 m。 采场上部厚大部分按设计 采用阶段矿房法开采,多排扇形中深孔毫秒差间隔 一次同时起爆,整个采场沿走向分5～7次爆破采 出,计划所用时间1. 2～1. 5 a。 在 270 m中段以下 部分开采的同时,回收 270 m中段原2092采场底 柱。 当按上述方法回采完该采场的全部矿石后, 3092 采场和2092采场将连成一片,形成面积约5 000 m2, 容积约80 000 m3的空区,矿体形态和空区位置详见 图1。 研究的目的是采用综合岩体力学研究方法,为 该矿体的安全开采提供决策性的研究和为空区在开 采过程中的稳定性提供预报。 3 研究方法 3. 1 矿体及围岩地质 3. 1. 1 地质结构面 影响矿区的主要地质构造为与矿体走向大体平 行呈北东30 的F2逆断层,倾向与矿体一致,倾角 50 ～60 。 位于矿体下盘,距矿体20～30 m不等。 此 外,无其他大的地质构造。 3. 1. 2 矿体及周围岩性 空区顶部至地表的地质见柱状图2。 3. 1. 3 矿区构造应力 矿区主要构造带为F2逆断层。 空区位于地表下 的深度较浅,山区地形和其他邻近采场的开采都为 1997年11月28日收到初稿, 1998年5月24日收到修改稿。 作者 卢清国 简介男, 1955年生,硕士, 1980年毕业于阜新矿业学院矿井建设专业,现在北京科技大学资源工程学院攻读博士学位,主要从事 矿山岩石力学的试验研究与教学工作。 图1 矿体形态、 采空区位置和地表位移观测点布置 Fig. 1 Configuration of ore body , situation of stoped2out area and arrangement of observation points on the earth′s surface 图2 空区顶部岩体柱状图 Fig. 2 Column of rock mass above mined2out area 浅部构造应力分析研究增加了复杂性,使得构造应 力的判别和测试结果的准确性误差较大。 3. 2 采空区突然塌陷的理论判别 根据以 “三带” 理论为出发点的冒落带高度判别 法[1]和空场稳定性判别法[2]初步估算该采空区的稳 定性,其结果见表1。 从理论判别结果可知,该空区 的稳定性在冒落与非冒落之间。 表1 采空区稳定性理论判别结果 Table 1 Results of stability in stoped2out area by theory judgment 采空区特征 按 “三带” 理论[1] 按综合 研究法[2] 按压力拱 理论[2] 冒落带高度/ m60～70 极限跨度/ m 10065 3. 3 试验室内矿体开采的预研究 开展试验室内矿体开采预研究的出发点是 1 确定矿体开采过程中采空区发生塌陷的概率; 2 探索和预示将要在现场布置的各种监测手段在采空 区范围不断扩大过程中显现出的各物理和几何量的 变化规律 ; 3 找出在监测过程中,这些物理及几何 量在采空区发生突然塌陷前的特征表现。 其目的是 修改及优化采矿方法;合理地设计现场监测方案和 布置监测仪器及传感器;为实际预报采空区突然塌 陷提供判据;寻找如果采空区一旦发生塌陷后,余 下资源的回收方案。 3. 3. 1 计算机数值模拟矿体开采过程 初选ADINA程序。 计算中的主要参数处理方式 是按空区围岩的风化程度,用折减系数把岩块强 度折算为岩体强度。 按无拉力原则进行计算。 对开 采过程中的爆破震动和地下水的影响未加考虑。 计算结果得出了空区围岩内的应力和位移分布, 为监测传感器的布置提供了参考依据。 数值模拟的 结果未明显得出顶板塌陷的必然趋势。 3. 3. 2 采空区性态的相似模拟试验 相似材料模拟试验方法中,有两个目前难以解 决的问题处于三维空间的矿体开采过程在模型中 还难模拟;开采过程中的爆破震动与开挖过程也不 便模拟,使得研究工作还停留在平面模型试验的基 础上,模拟的结果适用于定性研究。 矿体开挖过程是一个三维空间的变化过程,当 矿体采空区的长度较长时,中间部位距空区端部较 远处为平面应变状态,由于平面应变状态下矿体开 挖过程在模型中难以实现,故采用平面应力型试验 台对该空区进行共7次开挖模拟,重点是定性地找 出矿体在开挖过程中的应力和位移变化趋势。 试验得出 1沿走向模型几何缩比1∶ 100 在采空区端部,随着开采范围的增大,空区端 部内部应力不断增大,呈脊形分布。 应力集中系数 最大达10. 2 ,位置距端部32～40 mm之间。 上部顶 78第18卷 第1期卢清国等.采空区下方厚矿体安全开采的研究与决策 板的宏观裂隙发育高度最大达到420 mm左右。 2垂直走向模型几何缩比1∶ 60 采空区上、 下盘内的应力分布特征是靠近上、 下盘处应力最小,随着与上、 下盘的距离增大应力 不断增大,上盘应力大于下盘。 在4次试验中,冒落 最严重时是当 240 m～ 270 m矿体开采结束与上 部的2092采场连通后,空区顶部冒落高度达240 mm ,裂隙发育高度445 mm。 3. 3. 3 综合有限元计算和相似模拟结果,对空区整 体稳定性的室内研究有如下启示 1从相似模拟试验结果中可知,空区顶部的 裂隙发展的最大高度达420～445 mm ,即相当于原 型40余米。 考虑到爆破震动及数值计算和所选模型 带来的误差,必须配合使用现场监测手段,监测和 预报采空区的突然塌陷。 2在采空区的端部布置应力监测,用传感器 优于其他位置。 3空区顶板的位移是采空区位移的最敏感处, 也是监测位移计布置的优选位置。 3. 4 采空区突然塌陷的现场监测预报研究[3] 利用现场监测进行采空区突然塌陷的预测和预 报研究,是一个时效性强、 危险性较大、 理论性和实 践性强、 要求准确度和精度较高、 带有模糊综合识 别、 专家性的研究过程。 必须采用多种监测手段进 行空区周围的全面综合监测。 在现场采用的研究手 段有空区周围的应力测量、 现场井上下的位移观测 和地音监测方法。 井下监测仪器布置见图3。 3. 4. 1 应力监测方法预报采空区突然塌陷 矿体开采形成的采空区,引起空区两端支承压 力增大,并随着矿体开采后形成的空区范围的增大 而加大。 有限元数值计算和相似模拟试验均为证实。 当支承压力区的岩体强度较高时,随空区跨度增加, 显现出支承压力随之增大的特征。 但是当空区顶板 发生断裂时,空区顶部的岩体应力向支承压力区转 移的路径发生阻断,断裂后的空区顶部岩体重量不 再向空区端部传递,支承压力区的压力出现下降的 趋势。 材料试验在破坏发生时的应力加不上去以及 采场周期来压前所实测出的应力反弹现象[4 , 5],均 说明这一特征。 这种现象恰是用应力监测法进行采 空区突然塌陷预报的判据。 在距现场矿体的开槽端3～5 m区间分别布设了 3个包裹体式KS21型钻孔应力计,使用KSE21型频 率计进行数据读取。 在矿体预计开采结束的另一侧 端部,也布置了2个同样的应力计,根据监测结果与 其他手段的监测数据共同进行监测预报分析。 矿体开采一个步长后的装矿阶段,即跨度保持 不变时,支承压力处于稳定状态。 监测结果见图4。 图3 井下各种监测传感器的布置 Fig. 3 Underground layout of various gauges 图4 在开采一个步长时,空区端部应力测试结果 Fig. 4 Stress values measured on the ends of stoped2out area in lapse of mining 88 岩石力学与工程学报1999年 3. 4. 2 位移监测 由于采空区的顶部距地表的距离较近,同时从 地质调查的钻孔资料结果表明,在地表与所要监测 的大空区顶部岩体中,存在着无地质资料可查的民 间开采后留下的小采空区,需要在大空区的上盘设 立多点位移计观测点,对地上与地下的位移综合对 比分析可得出大空区顶部岩体发生整体移动的变化 范围和趋势。 1地表位移监测 在陷落区内,结合地表地 形特征和观测视角,大体沿矿体走向和倾向布置13 个地表沉降观测点和6个观测站,测点和测站的布 置见图1。 由于地表塌陷区内不能进入人员,且山区 地形起伏较大,只能使用J2经纬仪利用三角高程测 量方法进行各沉降点的位移观测。 地表位移测点部 分观测结果见图5。 图5 一些地表观测点的垂直位移 Fig. 5 Vertical displacement at some observation points 2多点位移计监测 为与地表位移对应综合 分析空区顶板垮落范围,计划在矿体上盘共布置3 个多点位移计测点,见图3。 但因钻机在钻进过程中 发生损坏,故在实测中未能如愿。 3. 4. 3 利用声发射监测采空区突然塌陷 岩体内部的破裂过程是随着岩体内部的裂纹发 展,细微裂纹的汇集贯通而形成更大的裂纹,发展 方向是向岩体内部的薄弱部位和应力集中处。 在后 期,岩体内主要以大的裂纹发展为主,以岩体的破 坏告终。 同时,裂纹发展的结果导致声波在传播过 程中,衰减增快。 体现在声发射上,表现为声发射的 频率逐渐降低,而大事件数逐渐增多,能率加大。 当 裂纹发展完毕岩体整体破坏前的瞬间,可能出现暂 时的 “沉寂” [6～8] ,然后发生岩体的彻底垮落。 岩体 破坏前的上述特征,是用声发射预报采空区突然塌 陷的基础,而岩体破裂前的大事件数和能率的增加 则提供了空区突然塌陷的前兆。 声发射的拾取传感器布置原则是尽量靠近可能 发生最明显的声发射活动的矿体上盘,避开可能存 在的位于顶板与传感器之间的其他采空区和影响声 发射传播的其他较大的弱面。 声发射测站布置详见 图3。 用YSD型单片机声发射记录仪自动记录声发 射数据。 同时,采区向研究组每天通报空区周围的 作业班次和工作内容,以便在对地音数据分析中剔 除人为因素的影响。 监测的结果表明在整个矿体开采过程中,顶板 基本处于稳定状态。 多次记录到地音频率、 大事件 与能率均增加的时候,恰逢与矿体邻近的其他采场 有采矿活动。 3. 5 采空区突然塌陷预报的综合决策 山区地形下、 地表下采空区突然塌陷预测预报 研究本身是一个复杂的难题。 采空区突然塌陷前的 各种监测值表现出塌陷判据到来时间的不统一和判 据显现的模糊性,需要具有专家性质的带有一定风 险性的决策。 保险系数取得过大,会对正常的生产 造成频繁的影响,并增加应付突发事件的惰性。 保 险系数取得过小,未及时预报出塌陷,从而造成不 必要的人员及财产损失。 为此,在矿山成立以研究专家为主,会同矿山 主要领导及安全、 生产的工程技术人员的研究组。 根据各方面监测资料共同分析、 判断、 决策,及时发 出空区动态的情况通报。 监测过程中,多次发现在 地表的部分测点位移变化较大,但从位于地下的其 他监测手段获取的信号塌陷判据不明显,参考岩体 滑塌前出现的位移加速判据[9],依据图6所示出的 系统决策关系,经过研究组的分析,得出塌陷主要 原因为民间采空区造成的地表小范围浅部塌陷,对 井下的正常采场暂不构成威胁的结论,并多次分别 提前2～3 d预报出位于12号测点 Ⅱ 号塌陷坑的塌 陷和一次塌陷坑的扩大和位于4 , 5号测点附近的 Ⅰ 号塌陷坑的二次扩坑塌陷。 4 结 论 1为保证生产安全和最大限度地回收资源, 在采空区周围有生产活动的情况下,预测预报采空 区突然塌陷,必须采用多种研究手段来提高预测预 报的精度和准确度。 98第18卷 第1期卢清国等.采空区下方厚矿体安全开采的研究与决策 图6 大空区下厚矿全安全开采的综合决策系统 Fig. 6 Determination system for safe mining of thick gold ore body below stoped2out area 09 岩石力学与工程学报1999年 2为定性地分析复杂采空区的稳定性和为实 际监测设计中的传感器位置及空区塌陷判据提供参 考,需要首先在试验室内对采空区的稳定性进行相 似模拟试验和数值模拟预研究。 3在现场采用多种监测手段进行采空区稳定 的动态立体监测,才能对此采空区可能塌陷的时间 和范围提供较高精度和准确度的预测和预报。 4图6所示的矿体开采全过程的地下空区下 厚矿体安全开采综合决策系统,具有较高的应用参 考价值。 5采空区稳定性预报的准确性,必须结合其 他模糊决策理论,合理地确定各监测手段的权重和 在监测过程中对权重的变化不断进行修正,作出符 合实际的决策。 参考文献 1何国清,杨 伦.矿山开采沉陷学.徐州中国矿业大学出版 社, 1991 , 20～25 2杨重工.空场稳定性判据.有色金属采矿动态, 1985 , 3 13～ 19 3山东省岩石力学与工程学会.煤矿山岩石力学与工程研究战略 问题.岩石力学与工程学报, 1993 , 122 180～183 4姜福兴,宋振骐.采场来压预测预报专家系统的基础研究.煤炭 学报, 1995 , 203 225～228 5吴志刚,翟明华.徐州西部矿区坚硬顶板来压预测预报.岩石力 学与工程学报, 1996 , 152 163～170 6Rao M V M S , Ramana Y V. A study of progressive failure of rock under cyclic loading by ultrasonic and AE monitoring techniques. Rock Mech. Rock Engng. , 1992 , 254 237～251 7徐东强,谢 源.大姚铜矿采场围岩破坏时的声发射特征.中国 矿业, 1993 , 22 42～46 8张连成,关 杰.地音与微震方法用于门矿冲击危险预测.京煤 科技, 1991 , 3 1～9 9苏爱军,冯宗礼.滑坡预报方法探讨.水文地质工程地质, 1990 , 5 50～51 10宋振骐,蒋金泉.煤矿岩层控制的研究重点与方向.岩石力学与 工程学报, 1996 , 152 128～134 11Li C , Nordlund E. Experimental verification of the kaiser effect in rocks. Rock Mech. Rock Engng. , 1993 , 264 333～351 RESEARCH AND DETERMINATION ON SAFE MINING OF THICK GOLD ORE MASS BELOW LARGE STOPED2OUT AREA UNDER THE EARTH′S SURFACE Lu Qingguo1 Cai Meifeng2 1Gold Engineering College, Northeastern University , Shenyang 110015 2Resource Engineering College, Beijing University of Science and Technology , Beijing 100083 Abstract Determination s are presented for safe mining of thick ore mass below stoped2out area under the earth′s surface for a practical gold mine. The s include geological surveys in site , theory judgment for subsi2 dence of the stoped2out area , FEM and physical simulation experiments on mining process in laboratory and various survey techniques in site. For a wide and thick stoped2out area after mining , probability of its sudden subsidence is researched. To obtain ore safely and fully , it is important to use integrate research s in mining the ore mass situated on this condition. Some criteria are described to indicate probability of sudden subsidence in stoped2out area , the factors to affect precision and nicety of the forecast and the comprehensive relationships of the determina2 tion which have successfully been proved in the course of mining of the ore body and in several predictions of the surface subsidence on a small scale. Key words prediction on sudden subsidence of stoped2out area , theory distinguish for subsidence of stoped2out area , simulation on subsidence of stoped2out area , integrate observation s for prediction , determination sys2 tem 19第18卷 第1期卢清国等.采空区下方厚矿体安全开采的研究与决策