矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用.pdf
J ● l 第 2 O卷第 l期 1 9 9 5年 2月 煤 炭 学 报 J OuRNAL OF CHI NA COAL S OCI ETY vo 】 . 2 0 No . 1 Fe b. 1 9 9 5 天 泉 罗 z 慑 炭 科 学 研 览 总 院 A ’ 摘要论述 1矿 山岩体 采动影响与控制 学的 内容 、 特点 、 最 新进 展及 其在l腱炭I业与 圈民妊 济 建设 中的重要作用 . 矿 山岩体 采动影响 与控制工程学的主要 内容 与特点 是 ; 研 究对亲所 涉及 的范 围是从 采场 直 至地表 的整个 采动岩体 ; 不仅研 究受采动岩体 的应 力、 应 变及 其与 原始 状态的变化 差异 . 而且 研 究采动 岩体屈服 后的大面积的大变形 、 大位 移和太破 坏 ; 采动损 害既具 有不可逆 I生, 又具 有可逆 性 ; 采动岩体是 可复用材料 } 采动影响的控 制 , 不仅 着眼干控制 岩体 的变形, 而且 着眼干控 制受保 护 对 象 的变 彤 . 矿山岩体 采动 影响 与控 制工程学研 究的新进展 是 提 出了岩体变形的空问分带论、 地表 变形 的空 1日 1 形态论 、 岩体和地表 变形的地层结构论 、 岩体和地表 变形的地层质 量评价论 .作 者还提 出 1控 制岩体 采动影响 的 7种控制 类型 , 即下沉 、 变形、 水平移动、 垂直变形、 顶板 破坏 高度 、 鹿板破 坏深度及集 中应 力强度 . 研 究岩体 采动影响 与控 制的意义 在于 矿 产资源开发及 其充分利 用; 矿 区地下和地 面的环境 保护 ; 矿 区水 资源保护 ; 矿 区山体稳定与安全 ; 矿 区采动沉 陷地 的利 用; 矿 区采掘安奎与煤 矿 柱 设计 ; 矿 山开采损 害预测与治理规 划 . 关键词岩体 采动影响控制地表沉陷开采损害 一/●一, r 一 矿山生产建设主要在地下岩体深处进行 , 它需要建立一套由井、 巷及采场构成的复杂的地下岩体空间 系统 .这些地 下岩体 工程结 构物 尤其是采场 在其形成过程 中 . 会在其 周围岩体中 包 括地下和地 面 产 生所谓 的采动影响 , 以致使岩体本身及岩体 内的地 下工 程结 构物 、 含水岩层 、 地 面地形 、 地貌、 耕种地 、 农作 物、 建 构 筑物、 水体以及自然和人工边坡、 陡崖等发生变形和损害, 影响工农业生产建设和人民生活 . 为 了减少和避免这种矿山开采损害, 人们早就开展了这方面的实测、 试验和研究工作 . 在获得大量成功与失 败 事例 的基础上 , 形成 了以岩体采动影响规律及其控制 为 目标的矿山岩体采动 影响与控制工 程学 , 并在 国 民经济建设 中发挥了重要作用 . 1 矿 山岩体采动影响与控制工程学的特征 矿山岩体采动影响与控制工程学 同矿山岩体力学 一样 , 虽然也是以岩石、 岩体和 岩体工 程作 为主要研 究对象 , 但从其研究 内容 、 采动损 害特 征及采动影响控制原理等方面看 , 它们之 间是 有所 不同的 首 先是 前者的研究对象所涉及的范围是从地层深处的采场和并巷开始, 直至其所波及的周围和地面的整个岩体{ 其次是前者不仅研究受采动 岩体 的应 力应 变及其与原始状态的变化 差异 , 而且更 主要 的是研 究采动 岩体 屈服后的大面积大变 形、 大位移和大破坏 ; 再次是采动影响在岩体中所造成的损害 , 既具有 不可逆性 损害 , 车史 1 9 9 4 1 1 1 2 收到摩灿平编辑 *国家 自然科学基金贸助项目 ■ . ■ 维普资讯 煤 炭 学 报 l 9 9 5 年第 2 0 卷 又具有可逆性损害- 采动岩体是可复用材料; 第 4 是前者的控制技术不仅着眼于控制岩体本身的变形与位 移 , 而且着眼于控制受保护对象 的变形与位移 . 矿山岩体采动影响与控制工程学研究方法的特点是 注重实地观测与研究, 强调采动区的地质采矿条 件; 分析宏观现象与变形历史 从而得出不同地质采矿条件下的采动影响规律和控制措施, 达到实现安全 采矿、 充分利用矿产资源以及保护矿山地下与地面环境的目的 . 2 矿山岩体采动影响理论研究的新进展 近年来 矿山岩体采动影 响的理论研究在以下几个方面取得了新的进展 . 1 在采动岩体的破坏特征与范围方面, 提出了岩体变形的空间分带论 .观测研究发现, 在长壁垮落 法开采的条件下, 煤 矿 层周围岩体变形的最普遍形式为“ 三带” 型 上覆岩层 直至地表 受采动所形成的 垮落带、 裂缝带 或导水裂缝带 和弯曲带, 简称顶三带; 下伏岩层受采动所形成的胀裂带、 徽裂隙带和应力 变化带 , 简称底三带 I 采空 区周 边煤 矿 层本身受采动所形成的片落带 、 塑性变形带及弹性变 形带 , 简称侧 三带 . 岩体的上述变形分带, 深刻地阐明了煤 矿 层回采后围岩 地面 的大面积变形机理及变形程度分 布规律 .同时也揭示和提 出顶三带是解决水体下、 建筑物下、 铁路下采煤 矿 及地面与井巷环境保护的理 论和依据 ; 底三带是解决承压含水层上安全采煤 矿 的理论和依据 ; 侧三带是合理布置巷道和控制岩体与 地 面变 形形 态的理论和依据 . 2 在地表变形规律方 面 , 提 出了地表变形 的空 间形 态论 .采矿 引起的地表变形 , 从量值上及 分布形 态上都取决于采动岩体的垮落 空间形态 .近年的研究表明 , 在岩体不 同的赋存状态下 , 采动岩体垮落空 间 形态可概化为倒 梯形、 偏三 角形 和倒 三角 形等不同空间形态 .利用等价转换原理 , 可 以得 出计算水平 、 缓 斜、 急斜、 有地质构造煤层及露天矿边坡附近等条件下的地表移动与变形的统一的采动空间模型及计算公 式 . 据此得出的地表沉陷范围形态有盆形 盘形 、 瓢形和兜形等, 与实测结果一致 . 地表沉陷盆地按其变 形性质在平面上可划分为沉降 平移一 沉降带 属瞬时变形 、 沉降一 平移带 属主要、 永久变形 及平移一 沉降 带 属次要、 永久变形 .地表沉 陷盆地的平面分带是 评价地面保护 的理论和依据 . 3 在岩体变形的影响因素方面, 提出了岩体和地表变形的地层结构论 .新近的研究表明, 采动岩体 和地表变形, 与地层的结构有密切关系 .地层结构论的实质是, 对地层的地质、 岩性、 层次、 水文地质及力 学结构等进行了科学分类, 并解释了它们各自与采动影响机理的内在联系, 进一步解决了在多种复杂地质 采矿条件下岩体和地表的变形预计问题 , 使其有可能由过去的定性解释上升为定量、 半定量解释 . 地质结 构主要是松散层结构及松散层- 基岩结构; 岩性结构主要是极软弱、 软弱、 中硬、 坚硬及极坚硬结构; 层次结 构主要是薄层结构及厚层结构 ; 水文地 质结构主要是 单一 、 复合 、 封 闭一 半 封闭、 覆盖结构 } 力学结构主要是 坚硬 坚硬、 软弱一 软弱 、 坚硬一 软弱 、 软弱一 坚硬 结构 等 . 4 在岩体抗变形的质量评价方面, 提出了 ’ 岩体和地表变形的地层质量评价论 .采动岩体和地表的变 形 . 不仅取决于其原生物理 、 力学及水理性 质 , 而且取 决于其 受采动影响后的再生物理 、 力学及水理性 质 . 在研究采动岩体 原生和再 生物理 、 力学 和水理性质的基础上 . 制定 了衡量采动岩体原生和 再生抗采 动变形 能力、 隔水性和含水性的一系列指标和准则 , 有效地解决了建筑物下、 水体下、 铁路下和承压含水层上采煤 的安全性和可靠性评 价问题 .这些指标和准则是 含水层和隔水层按单 位涌水量 、 渗透系数 、 含粘量 、 干燥 饱和 吸水率 、 液塑限及厚度评定 ; 水体 采动影响程度按采动等级评 定 ; 抗 采动变形能 力按力学结构及岩性 结构评定 ; 保 护层按采高 、 煤层 倾角及松散层底部隔水层厚度评 定等 . 3 矿山岩体采动影响控制技术的发展水平 为了减轻 矿山开采 损害的程 度 , 提 出了采动影响 的 7种控制原 理与方法 , 即下 沉、 变形 、 水平移动 、 垂 维普资讯 ■ ’ .| 第 l 期 刘天 泉 矿山 岩体 采动影 响与控 制工 程学 及其 应用 直变形 、 顶板破坏高度、 底板破坏深度和集中应力强度 . 对以下沉为主 的采动岩体 一是 充填采空 区 .有随采随 充方式 . 也有在一个工作面 全部 采完或部 分采 完后一次充填方式 .二是在采动 引起的离层裂缝 带 内充填方式 .我国抚顺等 矿区试验 成功 的离 层带粉煤 灰注浆充填技术 t 对减少地表和建筑物沉 陷起到显 著作用 .三是在采空 区内保 留部分煤柱支撑顶板 , 包括 使用房式和条带式等开采方式 . 近年来我国发展起来的大中小条带开采技术 , 分别适用于水体下、 建筑物 下采煤时 . 采深为大 中小的条件 ; 正规和非正规条带开采技术 . 则分别适用于水体和建筑物下采煤 时 , 煤层 厚度稳定和不稳定以及地质构造简单和地质构造复杂等条件 . 对以变形为主的采动岩体 在保护区内不残留可能使地表变形叠加的煤柱, 以及采用可能使地表变形 互相抵 消的开采方 法 .全柱 式开 采技术 . 即在建筑物 下的煤柱全长 宽 内. 用一个或多个工作面组成的 回 采线同时推进的开采技术 . 据实测, 在推进中的工作面上方地表的变形值为动态变形值 . 停采工作面上方 地表的变形值为静态变形值. 前者小于后者, 二者的比值一般为 0 . 4 ~o . 7 .因此 . 全柱式开采技术能使地 表只出现小于静态变形值的动态变形值. 有利于保护建 构 筑物 .多个邻近煤层和分层工作面错开一定 距离协调推进. 或同一煤层合理布置工作面进行协调开采的开采技术 , 也都是控制变形的有效方法 . 对以水平位移为主的采动岩体 防止采动影响集中在保护对象的一侧出现 对称开采技术 . 或是使位 移 出现不连续 隔离墙技术 , 或是使两种位移不叠加 在有滑坡倾 向的 山区开采 时 . 将工作面推 进方 向设 计 成与 山体滑坡方 向相反的方向 , 以消除滑坡的产生倾向或减少滑 移量 . 对 以垂 直变 形为主的采动岩体 采用能使拉伸和压缩变形抵 消的开 采方法 和能减少压缩 变形 的结构 措 施 .在 开采立 井矿 柱时. 可先采立井处 的“ 小方块” 煤柱 . 然后开 采全煤柱 . 或 工作面一前 一后的开采 方 式 , 以抵消立 井井壁及其 围岩 内的垂 直拉 、 压变形 , 或在井壁 内设可缩层来消除压缩变形 . 对顶板破坏高度的控制 先采薄煤层 分层 或先采较深部煤层. 使其上覆岩层的整体强度降低 , 以达 到再采厚煤 层 分层 和较 浅部煤层时顶板破坏 总高度降低的 目的 .我 国在开采厚煤 层和 急倾 斜煤 层时试 验成功的分 层或分 小阶段 间歇开采技术 , 对减少整体采动影响 的效果十分 明显 . 对底板破坏 深度 的控制 采用小面开采和快速推进方法 , 减少底板 中剪应力 的强度和底三带 的深度 . 对集 中应力强度 的控制 在采空 区周边煤 矿 层及其上下方煤 矿 层和岩体 内卸压 , 一般有打钻孔卸 压和采保护层卸压等方法 . 4 研究岩体采动影响与控制 的重大意义与作用 进 行采掘工 程是出于矿业生产的需要 , 但又对工程本身及其 周围岩体直至地 面产生损害 .它涉及 矿 业及矿区工农业 、 交通 运输 业及人 民生活等各个方面 , 影响到城镇 和农村 广大地 区 , 是一个熏 大的社 会和 环境问题 .研究岩体采动影响与控制工程学 , 实现减少和控制开采损害的目标. 对我国国民经济建设和人 民生活有着重大的实际意 义 .实践证 明, 它已在 以下方面得到成功应用 . 1 矿产 资源开发及 其充分利 用 随着勘探技术 的进 步及工农业和交通 运输业 的发 展 . 江河湖海 、 城 镇村庄及交通运输 线路 下不断发现新煤 田, 在 已经发现 的煤 田范 围内 , 又不断建房 屋 、 修道 路及其 它工农 业设 施 .过 去 , 对这种特殊条件下 的煤 炭 矿产 资源 难以开发 利用 . 或是弃而不采 . 或是 在生 产安 全不能 保证下开采 .岩体采动影响与控制工程学 的发展 . 不仅为建筑 物下、 水体下和铁路下的压煤 矿 开采找到 了理论依据 , 而且提供 了开采技术途径与措施 .我 国的淮河下 、 微 山湖下 、 渤海湾地区水域下 、 华 东、 华北 、 东北地 区巨厚流砂层下 、 建筑 物下 、 铁 路 F及石灰岩承压含水层上进行 丁广 泛开采 , 使 过 去不能开采 的煤 炭资源得以开 采利用 , 减少了煤 炭资源损 失 . 取得了巨大的社会和经济效 益 . 2 矿 区地 下与地 面的环境 保护矿山开 采沉陷对矿 区生产和生 活环境带来重大影响 , 诸如地面 塌陷 及城 乡公用 、 民用建筑 . 交通 道路和地面 、 地下水 系破 坏 . 农作物 和森 林植被损害等 .如能 进行控制 开采 维普资讯 埔 炭 争 报 1 9 9 5 年第 2 0 卷 可使开采损害限制在最小范围内 , 实现建筑物下 、 水体 下及铁路 下采煤 I 或在沉 陷区进行生态重建 , 使生态 环境得到恢复 . 我国淮南矿区在淮河及河堤下采煤 已进行 3 O多年, 河床及河堤受影响长度累计达 6 k m 多, 由于进行了控制开采及采取了相应维护工程措施 , 已在河下及堤下采煤数千万吨, 并经受了多年洪水 考验 , 安全渡汛 . 3 矿区水资源保护从水资源保护的观点看, 岩体采动影响有破坏性与非破坏性之分 .受到破坏性 影响的含水岩层和地面水体会发生渗漏 , 水体被疏降和疏干, 而受到非破坏性影响的含水岩层和地面水 体 . 其水量和水位基本上不会发生变化 . 我国华东、 华北、 东北、 西北广大地区的矿 区内分布有巨厚的松散 含水地层, 受到不同程度的采动影响, 有的矿区在离松散含水层很近的地方进行采煤 , 但 由于实现了控制 开采技术 , 上述含 水层水位和 水量也未遭 到破坏 . 4 矿区山体稳定与安全山区岩体的采动影响扩展到地表后, 与平原区的不同之处在于 , 除了采动 位移与变形外, 增加了地形因素引起的位移与变形, 因而有时形成滑坡、 陡崖崩塌和滚石等灾害, 对山区村 镇建筑、 交通道路、 农田水利设施等造成重大破坏 . 我国南方及西南地区的矿山多处于山区, 这类问题十 分普遍 .因此, 掌揖和运用岩体采动影响与控制工程学的规律具有重要的社会意义 . 湖北盐池河碑矿因 采场矿柱失稳引发的山体陡崖开裂崩落 , 造成山崖滑落体积达 1 0 0 余万 m , 造成重大人员伤亡与财产损 失事故, 就是对岩体采动影响与控制缺乏分析的惨痛教训 . 5 矿区采动沉陷地利用 矿山开采引起地面沉陷, 对土地及生态系统造成影响与破坏 .掌握和运用 地面沉陷规律 , 不仅可以采取相应措施、 减轻地面沉陷的损害, 而且可以对沉陷地加以合理利用, 为社会创 造财富与效益 . 国 内外的长期 实践 表明 , 在采动沉陷地的利用方面 , 目前 已取得以下成果 在采取控制开采的条件下 , 实现了土地的均匀沉降和少量沉降, 对土地及建筑不产生破坏性影响, 保持了原有的使用功能} 在没有采 取控制开采的条件下, 对沉陷地采取造地复田、 蓄水放养、 种植及建造公园等 ; 我国近年的实践证明, 在采 动沉陷地造地建房 , 不仅可以充分利用沉陷地, 而且节约搬迁建筑用地} 此外, 在沉陷区开凿矿山竖井、 修 建公路、 铁路及水利工程等也取得许多经验 . 6 矿井采掘安全与煤 矿 柱设计为了预防采掘工程对矿井生产的破坏, 有时需要根据岩体采动影 响规律设计出各类保护矿柱和安全矿柱t 以使矿柱尺寸既能满足采掘生产安全要求 , 又能最大限度地减少 资源损失 .保护矿柱有井筒 、 工业场地 、 建 构 筑物 、 村庄 、 铁路及高压输 电线路等 .对于水体安全煤 矿 柱而言, 既有保护水体作为水源的情况, 又有使水体不向井下渗漏的情况 .在我国, 将水体安全煤柱分为 防水、 防砂及防塌 3 种煤柱类型, 并 已大量推广应用, 不仅保证了水体下采煤的安全, 而且 由于煤柱尺寸设 计合理, 减少了煤炭资源损失, 为国家创造了巨大财富 . 7 矿山开采损害预测与治理规划矿山开采及开采损害的一个显著特点是 , 二者所涉及和影响的范 围大 小则数平方公里 , 大则数十平方公里 、 延续时间长 短则数年 , 长则数十年 .因此, 开采损害的预测 与治理规划十分必要 . 按现有发展水平 , 矿山开采损害预测有短期 对工作面和采区而盲 、 中期 对矿并 部分区域而言 和长期 对全矿井、 全工厂、 全矿区或全城市而言 3 类, 预测精度短期较高, 中、 长期较低 , 但都能满足制定治理规划的要求 .目前 , 我国煤矿中、 短期预测和规划较多, 长期预测和规划较少 . 抚顺 西露天矿北靓抚顺石油一厂地基变形的长期预测及治理规划是 由本文作者负责完成的 . 该方案已经国家 计委及国家经贸委审 查批准 , 其中部分 内容 已付诸实施 , 显 示 了初 步的治理 效果 . 作者简介 刘 天泉 , 男 , 6 6岁 , 教 授级 高级 工程 师 , 中 国工程 院院 士 .享受 政府 特殊 津贴 , 现任煤 炭 科学 研 究总院学 术委员会主任 , 主持 完成 了 i 0 0多 项科 研及 工程指 导项 目 , 其 中 1 2 项 属 国 内外 首创 , 取 得 了巨大 的 社会 、 经 济 效 益 ,先后 获 得 国家 级 , 省 维普资讯 ● ‘ ● 第 l期 刘天泉; 矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用 部级奖 励 4 O次 , 出版专 著 l O本 , 发 表论 文 i 0 0余篇 .北 京市 和平里 煤炭 科学 研究 总院学 术委 员会 , 邮政编 码 1 0 0 0 1 3 I NFLUENCE OF M I NI NG ACTI VI TI ES ON M I NE ROCKM ASS AND C0NTROL ENGI NEERI NG Li u Ti a nq ua n Ce n t r C∞ ldl n i n g Re s e ar c h l n s t ; t u t e A b s t r a c t T h e p a p e r d e s c r i b e s t h e c o n t e n t s , c h a r a c t e r i s t i c s , r e c e n t p r o g r e s s o f r e s e a r c h s u b j e c t e r a t i t l e d I n f l u e n c e o f M i n i n g Ac t i v i t i e s O N Ro c k ma s s a n d Co n t r o l En g i n e e r i n g,a n d i s t i mp o r t a n c e i n c o a l m i n i ng an d na t i ona l e c o no m y. Th e ma i n c o n t e n t s o f t h e r e s e a r c h a r e a s f o l l o wi n g s 1 S u b j e c t o f r e s e a r c h i n v o l v e s t h e wh o l e r o c k ma s s a f f e c t e d b y mi n i n g a c t i v i t i e s f r o m u n d e r g r o un d wo r k i n g s t o t h e s u r f a c e; 2 I t s t u d i e s n o t o n l y s t r e s s a n d s t r a i n o f r o c k ma s s a f f e c t e d b y mi n i n g a s we l l a s v a r i a t i o n s f r o m o r i g i n a l s t a t e,b u t a l s o s e v e r e d e f o r ma t i o n,d i s p l a c e me nt a n d f a i l u r e o v e r g r e a t a r e a a f t e r y i e l d i n g o f r o c kma s s a f f e c t e d b y mi n i n g; 3 Da ma g e s d u e t o c o a l e x t r a c t i o n f a l l i n t o t wo c a t e g o r i e s ,n a me l y,i r r e v e r s i b l e a n d r e v e r s i b l e; 4 Th e r o c k ma s s a f f e c t e d b y mi n i n g a c t i v i t i e s c a n b e r e u s e d; 5 Th e a i m o f c o n t r o l i s n o t o n l y t o c o n t r o l d e f o r ma t i o n o f r o c k ma s s b u t a l s o d e f o r ma t i o n o f o b j e c t i v e s t o b e p r o t e c t e d . Th e r e c e n t p r o g r e s s o f t h e r e s e a r c h a r e i n t h e 4 a s p e c t s 1 Th e o r y o f s p a t i a l z o n a l d i s t r i b u t i o n o f d e f o r ma t i o n i s p r o p o s e d t o d e s c r i b e f e a t u r e s a n d s c a l e o f r o c k ma s s f a i l u r e d u e t o mi n i n g; 2 Th e o r y o f s p a t i a l mo r p h o l o gy o f s u r f a c e d e f o r ma t i o n i s e s t a b l i s h e d t o d e p i c t r u l e s o f s u r f a c e d e f o r ma t i o n 3 Th e ~ o r y of s t r a t a s t r u c t u r e s i s p r o po s e d t o d e s c r i b e f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e d e f o r ma t i o n o f r o c k ma s s a n d s u r ~ f a c e d e f o r ma t i o n; 4Th e o r y o f s t r a t a q u a l i t y e v a l u a t i o n i s p u t f o r wa r d f o r a s s e s s me n t o f d e f o r ma t i o n r e s i s t a n t a b i l i t y o f r o c k ma s s . S e v e n t y p e s o f e f f e c t o n r o c kma s s d u e t o c o a l e x t r a c t i o n t o b e c o n t r o l l e d a r e f o u n d b y t h e a u t h o r . Th e y a r e s u b s i d e n c e,d e f o r ma t i o n,h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t ,v e r t i c a l d e f o r ma t i o nt r o o f f a i l u r e h e i g h t , f l o o r f a i l u r e d e p t h a n d i n t e n s i t y o f s t r e s s c o n c e n t r a t i o n . Th e s i g n i f i c a n c e o f t h e r e s e a r c h i s e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f mi n e r a l r e s o ur c e su n d e r g r ou n d a n d s u r f a c e e n v l r o n me n t a l p r o t e c t i o n i n mi n e a r e a;p r o t e c t i o n o f wa t e r r e s o u r c e s i n mi ne a r e a;s a f e t y a n d s t a b i l i t y o f mo u n t a i n s l o p e i n mi n e a r e a; u t i l i z a t i o n o f s u b s i d e d l a nd i n mi n e a r e a ;s a f e t y i n mi n i n g a n d d e v e l o p me n t a n d de s i g n o f c o a l p i l l a r;p r e d i c t i o n a n d c o n t r ol o f d a ma g e s i n d u c e d b y mi n i n g . Ke y wo r d s i n f l u e n c e o f mi n i n g a c t i v i t i e s O N r o c k ma s s. c o n t r o l ,s u r f a c e s u b s i d e n c e,d a ma g e c a u s e d by m i ni ng 维普资讯