石膏矿采空区上覆岩层冒落规律与危险性评价
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第 2 1卷 第 2 期 2 0 1 1年 2 月
中国 安全 科 学学 报 Ch ina Safety Science Journa l
V o l. 2 1N o. 2 Feb . 2 0 1 1
石膏矿采空区上覆岩层冒落规律与危险性评价*
邹 洋 李夕兵 教授 赵国彦 教授 周子龙 副教授 刘希灵 讲师 杨金林 刘 强
落拱顶部弧线为抛物线, 矿柱按 角剥蚀。提出以临界松散系数 K 作为其危险性评价因子, 并根据
所建立的一般冒落拱模型, 分别推导得到条带矿柱及间隔点柱区域关于 K 的计算公式。最后, 将该
评价因子用于工程实际, 实现对邵东石膏矿采空区的危险性分级。该评价体系, 即可对石膏矿地表
塌陷作出有效预测, 也可对石膏矿地表危险程度进行合理分级。
目前, 对采空区上覆岩层移动破坏的研究主要 有随机介质理论、托板理论、剖面函数法等 [ 5] , 但这 些理论多适用于煤矿, 对于矿岩性质、赋存环境及开 采方法等均不相同的非煤 矿山其适用性常 受到质 疑。现场实践也表明由于矿柱的支撑, 石膏矿地表 并不发生如煤矿的缓慢整体下沉, 其上覆岩层移动 破坏机制有别于采用条带式开采的煤矿 [ 6] 。
普氏拱理论揭示了采场内部自然平衡的一般形 态, 采场的冒落高度主要与覆岩岩性及采场尺寸相 关。而实际中, 由于石膏存在易风化、遇水易软化的 特点, 在长期自重及风化、地下水等外力作用下, 一 方面, 上覆岩层岩性会逐渐变差, 岩体普氏系数 f 变 小; 另一方面, 石膏矿采用房柱法开采, 采场两帮岩 体即为矿柱, 其在剥蚀中有可能完全失去对上覆岩 层的支承作用, 最后导致矿房相连, 采场跨度 a!变 大, 采场平衡不断被打破, h!随之增大, 冒落拱形不 断向上发展。因此, 采场内部破坏并不是静止的平 衡, 而是动态的发展过程。
* 文章编号: 1003- 3033( 2011 ) 02- 0101 - 08; 收稿日期: 2010 - 11- 29; 修稿日期: 2011- 01- 15
∃ 102∃
中国安全科学学报 Ch ina Safe ty Sc ience Journa l
第 21卷 2 0 1 1年
0引 言
石膏矿一般采用房柱式开采 [ 1] , 留设的矿柱维 持着整个采场的稳定, 是上覆岩层的主要支撑体, 其 稳定性关系到地表安危。但通过对泡水状态下石膏 的岩石力学试验发现, 石膏在水的浸泡下, 其力学强 度会明显降低, 甚至发生自行断裂。由于石膏矿采 深一般较浅 [ 2] , 因此, 在地下水进入矿房, 矿柱逐步 剥蚀后, 其上覆岩层的移动破坏往往波及地表, 给人 民生命财产造成危害, 需引起高度重视 [ 3] 。
所控制。
按普氏拱理论, 在两帮岩性较差时, 两帮失稳发
生滑移破坏, 如图 1所示, 其中, !可按下式确定:
!= 45&- ∀f / 2
( 4)
式中: ∀f ∀ ∀ ∀ 松散岩体的折算摩擦角。
实际中, 矿柱的整个剥蚀过程复杂, 除需考虑矿
柱自身岩性外, 还需考虑冒落岩体对残余矿柱的保
护作用。可假定矿柱剥蚀最终形态是在普氏平衡拱
对于每一级冒落拱假定平衡状态来说具有一般性,
因此, 可假定每一级冒落拱顶部弧线为抛物线。
1. 2 矿柱按 角剥蚀
对于房柱法而言, 采场两帮即为矿柱, 石膏矿矿
柱在风化作用及泡水后必将发生剥蚀, 如图 2所示
以四边形 ABCD表示剥蚀后的最终形态, 则其主要 受 A, B 点的水平位置及 2点之间剥 蚀迹线的形状
( 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)
学科分类与代码: 6203070( 安全系统工程 )
中图分类号: X913. 4
文献标志 码: A
基金项目: 国家自然科学基金重点项目 ( 50934006) ; 国家重点基础研究发展计划 ( 2010CB732004)。
摘 要 为对上覆岩层冒落的危险性进行有效评价, 在工程实勘的基础上, 将石膏矿上覆岩层的 自然冒落作为一个逐级发展的过程来处理, 并根据普氏平衡拱理论对各级拱形作出 2点假定, 即冒
1 石膏矿采空区上覆岩层冒落规律
根据普氏拱理论, 采场上覆岩体存一个自然平
衡状态如图 1所示 [ 7] , 其中, 矿房高度为 h, m; 矿房
宽度为 a, m; 两帮剥离后跨距为 a!, m。则其拱高为
h!= a!/f
( 1)
式中: f ∀ ∀ ∀ 岩体普氏系数。
图 1 普氏拱形态及受力分析图 F ig. 1 Shape and m echan ical analysis of nature arch
笔者根据石膏矿山地质环境及开采特点, 以普 氏平衡拱理论为基础探讨 石膏矿上覆岩层 冒落规 律; 由此出发提出合理的危险性评价因子; 并将该评 价因子用于工程实际, 实现对邵东石膏矿采空区的 危险性分级, 指导其闭坑设计。所建立的评判体系 将各影响因素划归于单一指标, 相较于多因素判别 其更为本质, 避免了人为的权重确定, 使得危险性评 价会更为方便、有效。
( School of Resources& Safety Eng ineering, C entral South U niversity, Changsha H unan 410083, Ch ina)
Abstract: In order to m ake an effective assessm ent of the hazard wh ich caused by the caving of overlying strata, based on field investigat ion, the cav ing o f overly ing strata over abandoned m ine goaf w as regarded as a step by step developm ent process. T hen, according to PU s' equilibrium arch theories, tw o assum p t ions about the shape of arch at d ifferen t levels w ere m ade, nam ely, the crown arc o f the cav ing arch was parabo la and the pillars w ere denuded at an ang le of . T hrough further analysis, different developm ental patterns of the cav ing arch w ere go tten, and a genera l cav ing arch m ode lw as estab lished. Based on these, the critical loose coeffic ientK w as proposed as the risk assessm ent factor, and the corresponding form ula in the m ined out area reserv ing strip p illar and post p illar w as derived from the general cav ing arch mode l re spect ive ly. A t las,t the risk assessm en t factorw as app lied to the eng ineering practice, and the risk c lassifi cat ion of Shaodong gypsum m ine w as m ade. Th is eva luation system canno t only m ake an effective forecast fo r the surface collapse of gypsum m ine, but also be used to rank the dangerous degree o f gypsum m ines su r face. K ey w ords: gypsum m ine; m ine goa;f overly ing strata; co llapse regularity; risk assessm ent
#
AM
段对
O#M 的支撑力, 其方向分别为过 O 点和 A 点的切线
第 2期
邹洋等: 石膏 矿采 空 区上 覆 岩层 冒 落 规律 与 危险 性 评价
∃ 103∃
图 2 单一矿房上覆岩层冒落拱发展模式
F ig. 2 Developm ent mod el of caving
arch over a sin gle room
方向, v 为 OM# 段上覆岩层的自重应力。当 OM 弧
在上述诸力的作用下处于平衡状态时, 则根据力矩
平衡方程 MM = 0, 下式成立:
T %Y-
v
%x
%
来自百度文库
x 2
=
0
( 2)
故:
Y=
v
2T
x
2
( 3)
由上式的函数形式可知, 普式平衡拱的拱顶形
状为抛物线, 而这一结论是由松散体力学性质出发,
利用冒落拱弧线微元的力矩平衡方程推导得到的,
普氏平衡拱理论由松散体抗拉、抗剪、抗弯能力 极其微弱这一点出发推导得到松散围岩自然冒落形 态 [ 7] , 其理论被 现场所证实, 并被大量学者 进一步 发展利用 [ 8- 9] 。石膏矿矿柱多为青膏, 受地下水浸 泡后裂纹、层理、节理等结构 面处的粘结力 急剧减 小, 可作松散体对待; 而上覆岩层多为粉砂岩, 也可 看作松散介质, 因此, 以普氏平衡拱理论分析石膏矿 上覆岩层的破坏规律具有相当的可靠性。
有学者将土洞的发展看作为一个逐级发展的过 程, 利用普氏拱理论成功预测了临界土洞的高 度 [ 8] 。对于采空 区而言, 在上覆岩层足够 厚, 可暂 不考虑地表突然塌陷的情况下, 由于其破坏是一个 缓慢的渐进过程, 因此, 也可作类似的处理, 即将上 覆岩层整个冒落破坏看作是一个逐级发展的过程, 每一级均向着普氏拱这一平衡状态发展, 并趋于暂 时性的稳定。随着时间的推移, 其力学条件发生改 变, 平衡被打破, 冒落进一步向上发展, 直至冒落岩 体填充满整个采空区达到最终平衡。因此, 可根据 普氏拱理论对采用房柱法开采的石膏矿上覆岩层冒 落形态 ( 图 2)作如下假定。
1. 1 冒落拱顶部弧线为抛物线
对于普 氏平 衡拱, 以弧 顶 中心 为原 点建 立如
图 1所示的坐标系 [ 7 ] 。由于岩块的塌落形成自然平
衡拱 AOB, 拱 上作用有均布重力载荷 v = H。在
OA 拱上取脱离体 OM# , 研究其受力的平衡条件。设
M
点的坐标为
( x,
y ),
T,
R 分别为右半拱及
的基础上进一步剥蚀形成的, 且 A, B 点之间最终的 剥蚀迹线类似的以直线考虑。
矿柱进一步剥蚀程度主要与冒落填充的时空特
性相关, 该特性由顶板冒落速度 v1 与矿柱自身剥蚀 速度 v2 的比值体现, 该比值越大, 则冒落岩体对矿 柱的保护作用越明显, 进一步剥蚀程度越小。具体
而言, 对于 A 点, 由于填充及时, 可假定其不再向右 进一步移动发展; 对于 B 点, 定义控 制其水平位置
关键词 石膏矿; 采空区; 上覆岩层; 冒落规律; 危险性评价
Study on the C av ing Law s of O verlying Strata in G ypsum M ine G oaf and Its R isk A ssessm ent
ZOU Yang LI X i b ing ZHAO Guo yan ZHOU Z i long LIU X i ling YANG Jin lin LIU Q iang
以往对矿山地表危险性评判采用的方法主要有 模糊 综 合 评 价 方 法、层次 分 析 和 灰 色 综 合 评 判 法 [ 4] 。这些方法一般采用多因素作为评判指标, 且 需人为确定各指标权重, 评判的可靠性及普遍适用 性有限。为实现对石膏矿地表危险性更为有效的评 判及预测, 把握各因素本质联系, 首先需对石膏矿上 覆岩层冒落规律展开研究。
中国 安全 科 学学 报 Ch ina Safety Science Journa l
V o l. 2 1N o. 2 Feb . 2 0 1 1
石膏矿采空区上覆岩层冒落规律与危险性评价*
邹 洋 李夕兵 教授 赵国彦 教授 周子龙 副教授 刘希灵 讲师 杨金林 刘 强
落拱顶部弧线为抛物线, 矿柱按 角剥蚀。提出以临界松散系数 K 作为其危险性评价因子, 并根据
所建立的一般冒落拱模型, 分别推导得到条带矿柱及间隔点柱区域关于 K 的计算公式。最后, 将该
评价因子用于工程实际, 实现对邵东石膏矿采空区的危险性分级。该评价体系, 即可对石膏矿地表
塌陷作出有效预测, 也可对石膏矿地表危险程度进行合理分级。
目前, 对采空区上覆岩层移动破坏的研究主要 有随机介质理论、托板理论、剖面函数法等 [ 5] , 但这 些理论多适用于煤矿, 对于矿岩性质、赋存环境及开 采方法等均不相同的非煤 矿山其适用性常 受到质 疑。现场实践也表明由于矿柱的支撑, 石膏矿地表 并不发生如煤矿的缓慢整体下沉, 其上覆岩层移动 破坏机制有别于采用条带式开采的煤矿 [ 6] 。
普氏拱理论揭示了采场内部自然平衡的一般形 态, 采场的冒落高度主要与覆岩岩性及采场尺寸相 关。而实际中, 由于石膏存在易风化、遇水易软化的 特点, 在长期自重及风化、地下水等外力作用下, 一 方面, 上覆岩层岩性会逐渐变差, 岩体普氏系数 f 变 小; 另一方面, 石膏矿采用房柱法开采, 采场两帮岩 体即为矿柱, 其在剥蚀中有可能完全失去对上覆岩 层的支承作用, 最后导致矿房相连, 采场跨度 a!变 大, 采场平衡不断被打破, h!随之增大, 冒落拱形不 断向上发展。因此, 采场内部破坏并不是静止的平 衡, 而是动态的发展过程。
* 文章编号: 1003- 3033( 2011 ) 02- 0101 - 08; 收稿日期: 2010 - 11- 29; 修稿日期: 2011- 01- 15
∃ 102∃
中国安全科学学报 Ch ina Safe ty Sc ience Journa l
第 21卷 2 0 1 1年
0引 言
石膏矿一般采用房柱式开采 [ 1] , 留设的矿柱维 持着整个采场的稳定, 是上覆岩层的主要支撑体, 其 稳定性关系到地表安危。但通过对泡水状态下石膏 的岩石力学试验发现, 石膏在水的浸泡下, 其力学强 度会明显降低, 甚至发生自行断裂。由于石膏矿采 深一般较浅 [ 2] , 因此, 在地下水进入矿房, 矿柱逐步 剥蚀后, 其上覆岩层的移动破坏往往波及地表, 给人 民生命财产造成危害, 需引起高度重视 [ 3] 。
所控制。
按普氏拱理论, 在两帮岩性较差时, 两帮失稳发
生滑移破坏, 如图 1所示, 其中, !可按下式确定:
!= 45&- ∀f / 2
( 4)
式中: ∀f ∀ ∀ ∀ 松散岩体的折算摩擦角。
实际中, 矿柱的整个剥蚀过程复杂, 除需考虑矿
柱自身岩性外, 还需考虑冒落岩体对残余矿柱的保
护作用。可假定矿柱剥蚀最终形态是在普氏平衡拱
对于每一级冒落拱假定平衡状态来说具有一般性,
因此, 可假定每一级冒落拱顶部弧线为抛物线。
1. 2 矿柱按 角剥蚀
对于房柱法而言, 采场两帮即为矿柱, 石膏矿矿
柱在风化作用及泡水后必将发生剥蚀, 如图 2所示
以四边形 ABCD表示剥蚀后的最终形态, 则其主要 受 A, B 点的水平位置及 2点之间剥 蚀迹线的形状
( 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)
学科分类与代码: 6203070( 安全系统工程 )
中图分类号: X913. 4
文献标志 码: A
基金项目: 国家自然科学基金重点项目 ( 50934006) ; 国家重点基础研究发展计划 ( 2010CB732004)。
摘 要 为对上覆岩层冒落的危险性进行有效评价, 在工程实勘的基础上, 将石膏矿上覆岩层的 自然冒落作为一个逐级发展的过程来处理, 并根据普氏平衡拱理论对各级拱形作出 2点假定, 即冒
1 石膏矿采空区上覆岩层冒落规律
根据普氏拱理论, 采场上覆岩体存一个自然平
衡状态如图 1所示 [ 7] , 其中, 矿房高度为 h, m; 矿房
宽度为 a, m; 两帮剥离后跨距为 a!, m。则其拱高为
h!= a!/f
( 1)
式中: f ∀ ∀ ∀ 岩体普氏系数。
图 1 普氏拱形态及受力分析图 F ig. 1 Shape and m echan ical analysis of nature arch
笔者根据石膏矿山地质环境及开采特点, 以普 氏平衡拱理论为基础探讨 石膏矿上覆岩层 冒落规 律; 由此出发提出合理的危险性评价因子; 并将该评 价因子用于工程实际, 实现对邵东石膏矿采空区的 危险性分级, 指导其闭坑设计。所建立的评判体系 将各影响因素划归于单一指标, 相较于多因素判别 其更为本质, 避免了人为的权重确定, 使得危险性评 价会更为方便、有效。
( School of Resources& Safety Eng ineering, C entral South U niversity, Changsha H unan 410083, Ch ina)
Abstract: In order to m ake an effective assessm ent of the hazard wh ich caused by the caving of overlying strata, based on field investigat ion, the cav ing o f overly ing strata over abandoned m ine goaf w as regarded as a step by step developm ent process. T hen, according to PU s' equilibrium arch theories, tw o assum p t ions about the shape of arch at d ifferen t levels w ere m ade, nam ely, the crown arc o f the cav ing arch was parabo la and the pillars w ere denuded at an ang le of . T hrough further analysis, different developm ental patterns of the cav ing arch w ere go tten, and a genera l cav ing arch m ode lw as estab lished. Based on these, the critical loose coeffic ientK w as proposed as the risk assessm ent factor, and the corresponding form ula in the m ined out area reserv ing strip p illar and post p illar w as derived from the general cav ing arch mode l re spect ive ly. A t las,t the risk assessm en t factorw as app lied to the eng ineering practice, and the risk c lassifi cat ion of Shaodong gypsum m ine w as m ade. Th is eva luation system canno t only m ake an effective forecast fo r the surface collapse of gypsum m ine, but also be used to rank the dangerous degree o f gypsum m ines su r face. K ey w ords: gypsum m ine; m ine goa;f overly ing strata; co llapse regularity; risk assessm ent
#
AM
段对
O#M 的支撑力, 其方向分别为过 O 点和 A 点的切线
第 2期
邹洋等: 石膏 矿采 空 区上 覆 岩层 冒 落 规律 与 危险 性 评价
∃ 103∃
图 2 单一矿房上覆岩层冒落拱发展模式
F ig. 2 Developm ent mod el of caving
arch over a sin gle room
方向, v 为 OM# 段上覆岩层的自重应力。当 OM 弧
在上述诸力的作用下处于平衡状态时, 则根据力矩
平衡方程 MM = 0, 下式成立:
T %Y-
v
%x
%
来自百度文库
x 2
=
0
( 2)
故:
Y=
v
2T
x
2
( 3)
由上式的函数形式可知, 普式平衡拱的拱顶形
状为抛物线, 而这一结论是由松散体力学性质出发,
利用冒落拱弧线微元的力矩平衡方程推导得到的,
普氏平衡拱理论由松散体抗拉、抗剪、抗弯能力 极其微弱这一点出发推导得到松散围岩自然冒落形 态 [ 7] , 其理论被 现场所证实, 并被大量学者 进一步 发展利用 [ 8- 9] 。石膏矿矿柱多为青膏, 受地下水浸 泡后裂纹、层理、节理等结构 面处的粘结力 急剧减 小, 可作松散体对待; 而上覆岩层多为粉砂岩, 也可 看作松散介质, 因此, 以普氏平衡拱理论分析石膏矿 上覆岩层的破坏规律具有相当的可靠性。
有学者将土洞的发展看作为一个逐级发展的过 程, 利用普氏拱理论成功预测了临界土洞的高 度 [ 8] 。对于采空 区而言, 在上覆岩层足够 厚, 可暂 不考虑地表突然塌陷的情况下, 由于其破坏是一个 缓慢的渐进过程, 因此, 也可作类似的处理, 即将上 覆岩层整个冒落破坏看作是一个逐级发展的过程, 每一级均向着普氏拱这一平衡状态发展, 并趋于暂 时性的稳定。随着时间的推移, 其力学条件发生改 变, 平衡被打破, 冒落进一步向上发展, 直至冒落岩 体填充满整个采空区达到最终平衡。因此, 可根据 普氏拱理论对采用房柱法开采的石膏矿上覆岩层冒 落形态 ( 图 2)作如下假定。
1. 1 冒落拱顶部弧线为抛物线
对于普 氏平 衡拱, 以弧 顶 中心 为原 点建 立如
图 1所示的坐标系 [ 7 ] 。由于岩块的塌落形成自然平
衡拱 AOB, 拱 上作用有均布重力载荷 v = H。在
OA 拱上取脱离体 OM# , 研究其受力的平衡条件。设
M
点的坐标为
( x,
y ),
T,
R 分别为右半拱及
的基础上进一步剥蚀形成的, 且 A, B 点之间最终的 剥蚀迹线类似的以直线考虑。
矿柱进一步剥蚀程度主要与冒落填充的时空特
性相关, 该特性由顶板冒落速度 v1 与矿柱自身剥蚀 速度 v2 的比值体现, 该比值越大, 则冒落岩体对矿 柱的保护作用越明显, 进一步剥蚀程度越小。具体
而言, 对于 A 点, 由于填充及时, 可假定其不再向右 进一步移动发展; 对于 B 点, 定义控 制其水平位置
关键词 石膏矿; 采空区; 上覆岩层; 冒落规律; 危险性评价
Study on the C av ing Law s of O verlying Strata in G ypsum M ine G oaf and Its R isk A ssessm ent
ZOU Yang LI X i b ing ZHAO Guo yan ZHOU Z i long LIU X i ling YANG Jin lin LIU Q iang
以往对矿山地表危险性评判采用的方法主要有 模糊 综 合 评 价 方 法、层次 分 析 和 灰 色 综 合 评 判 法 [ 4] 。这些方法一般采用多因素作为评判指标, 且 需人为确定各指标权重, 评判的可靠性及普遍适用 性有限。为实现对石膏矿地表危险性更为有效的评 判及预测, 把握各因素本质联系, 首先需对石膏矿上 覆岩层冒落规律展开研究。