深部开采陷落范围的预测与控制方法.pdf

第3 3 卷 第 1 l 期 20 1 2年1 1月 东北大学学报 自 然科学版 J o u r n a l o f No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e VO1 ． 3 3． NO． 1 1 NOV． 2 0 1 2 深部开采 陷落范 围的预测与控 制方法 李 海英 ，任 凤 玉 ，陈 晓云 ，宫 国慧 1 ． 东北大学 资源与土木工程学 院，辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ；2 ． 鞍钢集团矿业 公司弓长岭矿业公司 ，辽宁 辽 阳 1 1 1 0 0 7 摘 要 按已往的错动角固定地表 陷落范 围的传统方法 ， 不适用 于深部开采 ． 因此 ， 从维持塌陷坑侧壁岩 体稳定性 的角度 ， 分析 了塌 陷坑 内移动散体 的侧 向支撑力作用 ， 当塌 陷坑散体的厚度不小 于临界散体柱 高度 时 ， 散体 的主动压力 与被动压力共 同阻止边壁岩体 的片落活动 ． 通过分析 弓长岭井下矿塌陷区的实测数据 ， 得 出临界散体柱 的高度主要与 围岩稳定性 、 采空区倾角 、 散体 内磨擦角及岩体碎胀 系数 有关 ． 在深 部开采 中， 用 矿 山固体废料填充地表塌陷坑 ， 由此 降低 临界深度 ， 可有效控制地表陷落范 围， 并 给出了陷落角与采深 的关系 式 ． 关键词 深部采空 区； 移动散体压力 ； 临界 散体 柱 ； 陷落范围控制 中图分类号 T D 3 2 5 ． 4 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 5 3 0 2 6 2 0 1 2 1 1 1 6 2 4 0 4 Th e M e t h o d f o r Pr e d i c t i n g a nd Co n t r o l l i n g t h e Ra n g e o f S u r f a c e S u b s i d e n c e Du r i ng De e p Or e - Bo d y M i n i n g LI Hal y i n g。 ，REN Fe n g yu ，CHEN Xi ao yu n ，GONG Gu o hu i 1 ．S c h o o l o f Re s o u r c e s C i v i l En g i n e e r i n g ，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9，C h i n a ；2 ．An g a n g Gr o u p Gon g c h a ng l i ng M i ni n g Comp a n y，Li a o y a n g 1 11 0 07，Ch i n a．Cor r e s p o nd i ng a ut h o rLI Ha i y i ng，E ma i l l i h a i y i n g l 7 3 4 1 6 3 ． c o r n Ab s t r a c t Th e s u r f a c e s u b s i d e nc e r a ng e i n du c e d by u n d e r g r o un d mi n i n g i s c o mmo n l y p r e d i c t e d by a ng l e o f br e a ka g e，a nd t hi s t r a d i t i o n a l me t ho d i s n o t s u i t a bl e f o r d e e p o r e b o d y mi n i n g．Th e a c t u a l s u b s i d e n c e r a ng e wa s m e a s ur e d i n Go n g c h a ng l i ng i r o n mi n e a nd t h e l a t e r a l a b u t m e n t s t r e s s f r o m t h e mo v i n g l o o s e ne d me d i u m i n t h e s u b s i d e n c e p i t wa s a n a l y z e d．As a r e s u l t ．i t i s s h o we d t h a t t he r a n g e o f s u r f a c e s u bs i d e n c e i s ma i nl y c o n t r o l l e d b y a c r i t i c a l me d i u m c o l u mn t ha t c o ul d s u s t a i n t he s t a bi l i t y o f l a t e r a l r o c k ma s s．a n d t h e f a c t o r s r e l a t e d t o t h e he i g h t o f c r i t i c a l me d i um c o l u mn a r e s t a b i l i t y o f s u r r o u nd i ng r o c k ma s s，a n gl e o f mi n e d o u t a r e a，i n t e r n a l f r i c t i o n a n gl e o f g r a nu l a r m e d i a a nd t h e b u l ki n g c o e f f i c i e nt o f r o c k ma s s ．Ac c o r d i n gl y，t h e m e a s ur e t o c o n t r o l l i n g s u r f a c e s u b s i d e nc e r a ng e i s pr o p o s e d，a n d t i me l y b a c k f i l l i ng o f t h e s u b s i d e nc e p i t wi t h s o me s o l i d wa s t e ma t e r i a l s o b t a i n e d f r o m t h e mi ne pr o du c t i o n c ou l d d e c r e a s e t he c r i t i c a l d e p t h．A f o r m u l a o f s u bs i d e n c e a n g l e i s d e r i v e d f r o m t h e r e l a t i o n b e t we e n a ng l e o f br e a ka g e， d e p t h o f mi n i n g a n d h e i g ht o f c r i t i c a l me d i u m c o 1 1 i ron． Ke y wo r ds d e e p o r e b o d y mi n i n g； mo b i l e me di u m s t r e s s ；c r i t i c a l me di u m c o l u mn；c o nt r o l o f s u r f a c e s ub s i d e n c e r a n g e 在金 属矿 床地 下 开 采 中 ， 采空 区引 起 围岩破 坏 ， 在地表形成塌 陷坑 ， 且周边 出现裂缝 ， 形成陷 落区[ 卜 ． 在深部开 采中， 合理确定地表 陷落区 范 围， 对于优化总图布置 、 保障生产安全、 降低基 建 费用 与生产 运 营成本 等意义 重 大 ． 迄今 为止 ， 预 计陷落区的常用理论方法主要有棱柱体理论与弧 板体理论[ 。 一 ． 棱柱体理论认为采空 区上下盘岩 体按棱柱体形式陷落 ， 可按 固定错动角来预测地 表 陷落范 围 ． 该 理 论 在我 国金 属 矿 山地 下 开 采设 计 与生产 中广 泛 应用 ， 一 般 在 浅 部 开采 中预 测结 收 稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 9 基金项 目国家“卜一五” 科技攻关项 目 2 0 0 8 B AB 3 4 B 0 1 ；国家 自然科学基金重点资助项 目 5 0 9 3 4 0 0 6 ． 作者简介 李海英 1 9 7 6一 ， 女 ， 江 西萍乡人 ， 东北 大学博士研究生 ；任凤玉 1 9 5 6一 ， 男 ， 内蒙古赤峰人 ， 东北 大学教授 ， 博士生导 师 ． 第 1 1期 李海英等深部开采 陷落范围的预测与控制方法 1 6 2 5 果较为准确 ， 随着采深的增加 ， 预测值 比实际值逐 步偏 大 ． 为 弥补 这 一 不 足 ， 文 献 [ 4 ] 提 出弧 板 体 理 论 ， 认 为 在采 深达 到 临界深 度后 ， 陷 落体 改为 弧面 滑落 ， 使地 表 陷落 范 围不再 随采 深 的增 加 而增 大 ． 该理论 揭 示 了 陷 落 范 围 随采 深 的 非 线 性 变 化 关 系 ， 但 因没 有 给 出计 算方 法 而未 能得 到实 际应用 ． 文献 [ 5 9 ] 从 不 同侧 面 论述 了采 空 区引起 地 表陷落及陷落的变化过程 ， 其 中文献[ 9 ] 给出了塌 陷坑形式 ， 可用 来 进 一 步分 析 采 空 区引 起 的 岩 体 陷落 的机理 ． 1 临界散体柱 的支撑作用分析 文 献 [ 9 ] 给 出 的塌陷 坑形 式如 图 1所示 ． 由图 1分 析可知 ， 采 空 区 冒透 地 表后 ， 四周 围岩 是 否发 生 片落 ， 取决 于 围岩 自身 强 度 与 空 区边 壁有 无 侧 向支 撑力 ． 在 强 度 一 定 时 ， 如 果有 侧 向支 撑 力 ， 围 岩片落的程度将会受到限制； 如果有足够大 的侧 向支撑 力 ， 便不 会 发 生 侧 向片 落 ． 由此 可 见 ， 塌 落 坑侧向扩展过程受岩体 自身强度与塌陷坑 内散体 支撑作 用 的共 同影 响 ． _一 a b c 图 1 深部开采 陷落 类型 及其影响示意图 Fi g．1 Typ es a n d e ffec t s of mi n i n g i n du c e d s u bs i d en c e a 一 直立式陷落 ； b 一烟 囱式陷落 ； C ～瀑布式 陷落． 采空 区 的 冒落 过程 ， 也是 塌 陷坑 内散 体 的形 成 过程 ． 在 由 冒落形 成 的散 体堆 中 ， 散 体 的密 度随 其高度 的增加而增大 ． 笔者在西石 门铁矿 中区的 采空 区调 查 中发 现 ， 厚 度约 5 0 m 的 冒落 散体 堆积 时 间达一 年左 右后 ， 散体 堆 的底 部被 高度 沉实 ， 在 高 宽 3 m3 m的巷道断面内， 由巷道掌子头 揭 露 出散体 表 面 陡立 而 不 片 落 ； 从 巷 道端 部 侧 向 挤 压爆 破时 ， 因未 能 获得 挤 压 空 间 而 没有 实 现 有 效爆破． 这一现象表明， 当散体层达到一定厚度且 沉 实 到一定 密 度后 ， 不再 为边 壁 岩 体 的碎 胀 提 供 空 间 ， 从 而 可有 效阻 止边 壁岩体 的破 坏 ． 在 向下延深矿体的开采中， 塌 陷坑散体不是 固定不 动 的 ， 而 是 随其 下 矿 体 的开采 而不 断 向下 移 动I 1 0 ] 见 图 2 ． 为考 察 移 动散 体 柱 对塌 陷坑边 壁 围岩 的支撑 作 用 ， 笔 者 统 计 分 析 了 弓长 岭 井 下 矿 中央 区上盘 含 铁带 的塌 陷范 围与 采深 关 系 ． 统 计方 法是 ， 将地 质 测 量 科 测 量 的塌 陷坑 边 界 与形 状绘制于地质剖面图上， 同时将矿体 回采部位填 入 图 中 ， 按采 矿设 计 单 位 推荐 的 7 0 。 错 动 角 ， 从 地 表出现裂缝或明显发生塌陷的边界向采空区作错 动线 ， 得 出与 采空 区上 盘边界 的交 点 ， 该 交 点之上 的散体堆称为临界散体柱 ， 各剖面临界散体柱 的 高度 见表 1 ． 图 2 临 界 散 体 柱 圈定 方 法 示 意 图 Fi g 2 Sc h emat ic o f cr i t i c a l me di u m co l u m n d el i n ea t e d 表 1 中央 区陷落 区主要参数 Ta bl e 1 Mai n p ar a me t er s f o r c en t er s u bs i d en c e a r ea 1 6 2 6 东北 大学 学报 自然科 学版 第 3 3卷 由表 1可见 ， 临 界散 体 柱 的高 度仅 占塌 陷 区 充 满 散 体 的 采 空 区 整 个 高 度 的 1 7 ． 3 6 ％ ～ 3 0 ． 8 2 ％． 也就是说， 在充满散体的深部采空区中， 对地表塌陷范围影响极小的深部采空区的高度占 整个 高度 的 6 9 ． 1 8 ％～8 2 ． 6 4 ％． 弓长岭 铁矿 中央 区上盘 含铁带 应用 无底 柱分 段 崩落 法 开 采 ， 分段 高度 1 2 ～1 5 m， 出矿 松 动 体 高度 3 5 ～4 0 1T I ， 其 上散体 均 随着 松 动体 的沉 实而 缓慢 向下 移动 ． 实验研 究得 出 ， 因塌 陷坑倾角 较大 和宽 度大 ， 在散体 下移 过程 中不会 发 生结拱 现象 ， 于是 松动 体之上 的散 体柱 表现 为整体 或部分 缓慢 下移 ． 表 1数 据 表 明 ， 在 围 岩 稳 定 性 一 定 的条 件 下 ， 这 一缓 慢下 移 的 散体 柱 达 到 临 界散 体 柱 高 度 时 ， 便 会 对侧壁 形成 足够 大 的支撑力 ， 使塌 陷坑 侧 壁围岩不再发生侧 向片落 ， 随之 由片落引发 的地 表 陷落相 应终 止 ． 2 临界散体柱 的作用机理分析 将 表 1数据 按 空 区边 界 倾 角从 小 到 大 排 列 ， 得 出临界 陷落散体 柱 的高度 与倾 角 回归关 系式 h 2 3 3 ． 7 1 1 ． 5 20． 1 相关系数 R0 ． 7 4 6 2 ． 可 见在 趋 势 上 ， 弓长 岭 铁 矿 中央区 上 盘 含 带 矿 体 倾 角 每 增 大 1 0 。 ， 临 界 散 体柱 减少 约 1 5 ． 2 m． 临界散 体 柱高 度 随倾 角 增 大 而减小 的变化关系， 与散体对空区侧壁 的压力变 化有 关 ． 分 析得 出 ， 散 体对侧 壁 斜壁 的法 向压 力 可按 下式 估算 r s i n 0 c o t 0 nc o s 0 ， 1 ≤ ≤ 9 0 。． 2 式 中 r为 作 用 于 斜 壁 法 线 上 的散 体 压 应 力 t ／ m ； 为散体垂直压应力 ， 7 H； y为散体体积 质量 t ／ m ； H 为散 体 厚 度 1 n ； 0 n为 散 体 结 构 的最 大坡 面角 。 ； 0为 斜壁倾 角 。 ． 令 s i n 0 c o t 0 n c o s 0 ， 称 A为 散 体 对 斜 壁 的压 力系数 ． 可 见 在 0 。 ～9 0 。 间 ， 随倾 角 单 调 增大 ， 这与 临界 散体 柱 高 度 随 单 调减 小 的趋 势 是相符的， 但前者增大的幅度远超过后者减小的 幅 度 ． 弓长岭铁 矿井 下测 得覆盖 层废 石 的放 出角为 4 4 。 ～5 0 。 ， 综合考虑塌陷坑散体 的密度 、 块度与移 动条件随高度的变化关系 ， 按 0 5 5 。 估算 ， 则 当 倾角从 7 6 。 增大到 8 8 。 时 ， 斜壁 压力系数 值增大 5 2 ％， 而临界散体柱高度仅减小 1 5 ． 4 3 ％． 这一现 象表 明， 阻止边壁岩体片落的作用力 ， 不仅仅是散 体柱 的主动压 力 ． 根 据散体 力学 的研究 结果 l “ J ， 在 极 限平 衡状 态 下 ， 散 体 的应力状 态可 表示 为 7 z ， ] 1 干 s i n 。 } 3 。 J 式 中 y为 散体 体积 质量 t ／ m。 ； z为 高度 方 向坐 标值 m ； 为散体内磨擦角 。 ． 分式 中的上、 下 运算符 号分别 表 征 主动 应 力 与被 动 应 力 ． 弓长 岭 铁矿塌陷坑散体无黏性 ， 内磨擦角约为 3 8 。 ， 此时 被动压 应力 的最 大值 约为 主动压应 力 的 1 7 ． 5倍 ， 被动 压应力 系数 为 r ／一 1 } 2 0 ． 一 一 s in 1 一 s in 3 8 。 叶 ’厶 u 。 弓长 岭铁矿 围岩 碎 胀 系数 为 1 ． 5 0 ， 因 4 ． 2 0 ／ 1 ． 5 02 ． 8 0 1 ， 可见 冒落 散体 的最 大被动压 应力 远 大于 同厚度 实体 岩 石 重力 场 的最 大 主应 力 ． 据 此 推断 ， 塌 陷坑散体 的被 动压应 力 ， 应是 阻止侧 壁 围岩碎胀 ， 进 而 限制侧壁 围岩 片落 的主要作 用力 ． 根 据 表 1数 据 与上 述 分析 可 以推 论 ， 临 界 散 体柱 的主动 压力 与被动 压力 一起 阻止侧 壁岩体 的 片落活 动 ． 由于被 动侧压 力 的最大值 很大 ， 使 临界 散体柱形 成较 稳 定 的 支撑 结 构 ， 能 够较 好 地 适 应 侧压力 的变 化 ， 因此 ， 在 深部 开采 引起塌 陷坑 散体 不断下移的变动 中， 临界散体柱 的高度随其位置 的变 化不 敏感 ． 3 陷落角及其控制方法 将采 空 区底 板边 缘到 地表 陷落 区边界 的连 线 与水 平面 的夹 角称 为岩 体 的 陷落 角 ， 将 临界 散 体 柱 与其上 陷落 坑 的 高度 之 和 称 为 临界 深 度 ， 由几 何 关 系可得关 系式 p a r c t a n r ／ _ j 4 式中 为陷落 角； h 。为临界 深度 ； a为矿 体倾 角 ； 为错 动 角 ； H 为开采 深度 ． 在 弓长 岭铁 矿 条件 下 ， 取 7 0 。 ， 将 各 剖 面 H， a与h 值代入式 4 计算 ， 得 出的陷落角见表 2 ． 可见 目前开采深度的陷落角 已超过 8 4 。 ， 最 大 陷落角已超过 9 0 。 ． 由式 4 可见 ， 随 H 的增 大 而单 调增 大 ， 表 明开 采 深度 越 大 ， 陷 落 角越 大 ． 在 矿体倾角与采深一定的条件下 ， 陷落角越大， 地表 陷落范 围就越小 ． 由式 4 还可 看 出 ， 当 H 与 一定 时 ， 随 h 。 减小 而单调 增大 ． 这 就 是说 ， 人 为减 小 临界 深 度 ， 可有 效增 大陷落 角 ． 由于 临界 散体 柱 的高 度 变化 幅度 很小 ， 减小 临 界 深度 的方 法 就是 降低 地 表塌 第 1 1期 李海英 等 深部 开采 陷落范 围的预 测 与控制 方 法 1 6 2 7 陷坑 的高 度 ． 为 此 ， 应 积 极 填充 地 表 塌 陷坑 ， 特 别 是用矿石 固体废料填充塌陷坑 ， 不仅可有效降低 r 9 ] 临界 深度 ， 减 小地 表 陷落范 围 ， 消除采 空 区对地 下 一 开采 的威 胁 ， 而 且 可 以减 小 废 石 污 染 ， 有 利 于 矿 区环境 保护 ． 表 2 TaI hi e 中央区岩体陷落角计算值 2 Li s t of s u bs i d en c e a n gl e of r o c km a s s a t c en t er z o n e 4 结 论 1 按已往 的错 动角 圈定地表 陷落范 围的传 统方 法 ， 不适 用 于深部 开采 ． 深 部采 空 区引起 的地 表 陷落 范 围 ， 除 了受边 壁岩 体 的稳定 性影 响之 外 ， 还受 到塌 陷坑 散 体柱 的制 约 ． 2 当 塌 陷坑 散 体 的厚 度 不 小 于 临界 散 体 柱 高度 时 ， 散 体 的 主动 压 力 与 被 动 压 力共 同 阻止 边 壁岩 体 的片落 活 动 ， 由此 限定 了地表 陷落 范 围 ． 3 临界 散 体柱 的 高度 主要 与 围岩 稳定 性 、 采 空 区倾 角 、 散体 内磨 擦 角及 岩体碎 胀 系数 有关 ． 根 据 现场 数据 统 计 分 析得 出 ， 当 采 空 区倾 角 大 于 散 体堆积结构的最大坡 面角 时， 临界散体柱 的高度 随采空 区倾 角增 大 而减 小 ． 4 在 深 部 开采 中 ， 用矿 山固体 废料 填充 地 表 塌 陷坑 ， 由此 降低 临界深 度 ， 可有效 控 制地 表 陷落 范 围． 参 考文 献 [1] L u p o J F． P r o g r e s s i v e f a i l u r e o f h a n g i n g w a l l a n d f o o t w a l l [ 3] [ 4] [5] [6] [7] [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] Ki i r u n a v a a r a min e ，S we d e n[ J ] I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o J Ro c k Me c h a n i c a l M i n e S c i e n c e s ， 1 9 9 7 ， 3 4 3 ／ 4 6 8 4 ． 解世俊 ．金属矿床地 下开采 [ M] ．北京 冶金工业 出版社 ， 北 京 ， 1 9 8 6 4 2 4 6 ． Xi e S h i j u n Me t a l d e p o s i t min i n g u n d e r g r o u n d l M J ． Be ij i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Pr e s s ，1 9 8 6 4 2 4 6． 杨重工 ． 浅 谈岩 移理论 及其 应用 [ J ] ．有色金 属 矿 山部 分 ，1 9 8 3 6 3 64 0 ． Ya n g Z h o n g g o n g ． D i s s c u s s i o n o n t h e t h e o r y o f r o c k a n d t h e a p p l i c a t i o n [ J ] ．N o n f e r r o u s Me t a l s Mi n i n g，1 9 8 3 6 3 6 4 0 黄文钿 ．岩层 移动 研究 [ J ] ．有色 金属 矿 山部分 ，1 9 8 1 4 21 2 3． Hu a n g We n t i a n ． Re s e a r c h o n r o c k mo v e me n t[ J] No n f e r r o u s Me t a l s Mi n i n g， 1 9 8 1 4 2 1 2 3 ． Li W X ，W a n g S S， Li u L， e t a 1 ． M e a s u r e me n t a n a l y s e s o f r o c k l l a s s mo v e me n t a n d d e f o r ma t io n d u e t o u n d e r g r o u n d mi n ing o f d e e p f r a c t u r e d o r e b o d y in Gu a n z h u a n g i r o n m i n e [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， 2 0 1 0 ， 2 9 4 6 8 1 6 8 8 ． Cu i X M ， Mi a oX X， Wa n g J A， e t a l I mp r o v e d p r e d i c t i o n o f d i f f e r e n t i a l s u b s i d e n c e c a u s e d b y u n d e r g r o u n d mi n i n g[ J ] R o c kMe c h a n i c a l Mi n e S c i e n c e ， 2 0 0 0 ， 3 7 4 6 1 5 6 2 7 Ta o G Q， Re n F Y， Hu a n g Z Y．Me a s u r e s o f c o n t r o l l i n g u n d e r g r o u n d mi n e d o u t a r e a s [ c] ∥P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 4 I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Sa f e t y S c i e n c e a n d Te c h n o lo g y ． Be i j i n g，2 00 4 6 7 9 6 8 3． 全桂光 ．矿山采空区地 表塌 陷范 围预测探 讨[ J ] ．有色 矿 冶 ， 2 0 0 8 ， 2 4 5 1 1 1 2 ． Qu a n Gu i gu a n g Mi n e mi n e d o u t a r e a o f s u r f a c e s u b s i d e n c e a r e a f o r e c a s t [ J] ． No n F e r r o u s M i n i n g a n d Me t a l l u r g y， 2 0 0 8 ， 2 4 5 1 1 1 2 ． Ba r r y H G ，Br o wn E T Ro c k me c h a n i c s f o r u n d e r g r o u nd mi n i n g [ M] ．Ne t h e r l a n d s S p r i n g e r ，2 0 0 6 4 8 4 5 1 7 ． 王述红 ， 宁新亭 ， 任凤玉 ．崩 落采 矿法覆 盖层 合理保 有厚 度的探讨[ J ] ．东北 大学学报 自然 科学版 ，1 9 9 8 ， 1 9 5 2 1 2 3． W a n g S h u h o n g，Ni n g Xi n ri n g，Re n Fe n g y u Op t i mu m t h ic k n e s s o f c o v e r i n g la y e r in s u b l e v e l c a v in g s t o p p i n g [ J J J o u r n a l o J No r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e ， 1 9 9 8 ， 1 9 5 21 2 3． Ha r r M E．Me c h a n i c s o f p a r t i c u l a t e me d ia [ M] ．N e w Y o r k Th e M c Gr a w Hi l l I n c o r p o r a t i o n，1 9 7 7 26 82 7 4．