采场顶板冒落机理及控顶技术探讨

　第16卷第11期　2007年11月

中　国　矿　业

CHINA MINING MAG AZINE

　Vol.16,No.11

November 2007

采场顶板冒落机理及控顶技术探讨

王新民,赵　彬,张钦礼

(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083)

摘　要:金属矿地下开采过程中,采场顶板稳定是矿山正常、高效回采的前提。而采场顶板冒落机理复杂、影响因素多,若缺乏严格的控顶措施,会带来严重危害。本文从顶板冒落机理出发,总结归纳出六种控顶措施,并分述其作用原理及优缺点,为矿山的采场顶板管理提供了重要的理论依据。 关键词:采场顶板;冒落机理;控顶技术

中图分类号:TD322+11 文献标识码:A 文章编号:1004-4051(2007)11-0065-04

Discussion on the declination mechanism and the control technology of stope roof

WAN G Xin 2min ,ZHAO Bin ,ZHAN G Qin 2(School of Resources and Safety Engineering ,Central S outh University ,Changsha 410083,China )

Abstract :During the process of underground mining ,the stabilization of stope roof is the basement of

normal and productive mining.But the declination mechanisms are complex and be many influence factors.It results in serious jeopardize f rom being lack of strict control measures.According to the mechanisms ,the article summarizes six measures ,expatiating the principles and advantage 2disadvantage.It will provide im 2portant theoretic basis for the management of stope roof in mine.

K ey w ords :stope roof ;declination mechanism ;control technology

收稿日期:2007-07-18

作者简介:王新民(1957-),男,中南大学资源与安全工程学院,教授,博导,长期从事采矿充填技术研究;

赵彬(1985-),男,安徽宿州人,在读硕士研究生,从事采矿充填技术研究。

金属矿地下开采过程中,受矿床赋存条件限制和采矿方法等因素的影响,经常发生不同形式的顶板冒落现象。如果缺乏严格的顶板控制措施,则顶板冒落问题更为突出。顶板冒落事故不仅会造成生产无法正常进行和资源浪费,更严重的是直接危及到作业人员的安全。 目前,国内外尚无矿山对采场顶板冒落机理及控顶方法进行完善的分析研究。部分矿山仅针对具体情况及顶板冒落现象,寻找原因并采取尝试性措施。因此,系统全面地研究分析采场顶板冒落机理,提出预防顶板冒落的技术,对防止采场顶板冒落,保障回采安全和资源的高效回收,具有重要的理论价值和现实意义。1　采场顶板冒落机理

(1)地质构造弱面造成冒落 由于地质构造因素,矿岩层在形成的中、后期

地质变化形成的弱面,对顶板稳定性有很大影响[1]。有的弱面使顶板组合结构、岩性发生变化,有的弱面破坏顶板完整性,导致顶板强度降低,造成冒落。如层理、裂隙等构造发育时,小规模冒顶较频繁,极端情况下采场顶板会大面积冒落。 由此形成的层理弱面,使顶板组合结构发生变化,其对岩体的破坏主要表现为岩石容易沿层理出现离层裂隙,使岩层与母体分离,造成顶板岩体强度降低,失去稳定性而离层冒落。而且,水平层理比斜交波状层理顶板稳定性差;层理面平整光滑较粗糙不平的顶板稳定性差;岩石抗压强度相同时,岩层厚度越小的层理弱面,顶板越易失稳。裂隙形成的弱面,对顶板稳定影响也较明显。虽然顶板结构、岩性都没有改变,但顶板完整性受到破坏,强度与稳定性大大降低。节理裂隙形成的弱面尤其突出,在节理裂隙发育地带,顶板抗压强度较低,受压后极易破碎,若支护不当,常引起局部冒顶。 (2)应力集中造成冒落

地下采场开挖前,原岩应力处于自然平衡状态;开挖后,原岩自然平衡状态被扰动,使一定范围内的原岩应力状态发生变化,产生应力重分布。

中国矿业第16卷

随着工作面的推进,每步回采都会使原岩应力改变

其原有的分布状态而产生新应力场,其结果在采场

顶板中产生应力集中[2]。根据“自然平衡拱学说”,

回采空间形成后,由于应力集中,顶板冒落拱范围

内岩体的力系将失去原有平衡,顶板岩层必然出现

弯曲、下沉,采场中央部位出现拉应力。当拉应力

超过岩石抗拉强度时,顶板岩层将产生拉裂缝,加

上时间效应,拉裂缝延伸扩大导致顶板冒落。

(3)能量释放造成冒落

在强大的自重应力和构造应力作用下,矿岩体

的体积和形状均会发生变化,从而产生了弹性能聚

积[3]。俄国学者阿维尔申教授认为,矿岩体内的弹

性能是由体积变化产生的体变弹性能U v、形状变

化产生的形变弹性能U f和顶板弯曲下沉产生弯曲

弹性能U w组成,即

U=U v+U f+U w(1)

U v=(1-2μ)(1+μ)2

6E(1-μ)2

γ2H2

U f=(1+μ)(1-2μ)2

3E(1-μ)2

γ2H2

U w=

q2L5

576J E

(两端固定梁)

q2L5

8J E

(悬臂梁)

式中:μ,E为岩层泊松比和弹性模量;γ,H为岩层容重及采深;q为作用在岩梁上的均布载荷; J为岩梁惯性矩;L为岩梁长度。从上式可见,能量的聚积是随采深、采空区面积,即悬顶长度的增加而增大。当围岩中的能量积聚到足够大时,所产生的应力超过了顶板矿岩体本身强度,则弹性能突然释放,使矿岩体猛烈破坏,或产生矿岩的弹射和突出等冲击矿压现象,在工作面或巷道中造成灾害。

(4)“关键块体”造成冒落

坚硬和半坚硬地层中,岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下,这些空间块体处于静力平衡状态。工程开挖后,块体失去了原有的支承,使得临空面上的某些块体首先失去平衡,沿着结构面滑移、失稳。我们称之为“关键块体”[4]。

“关键块体”是采场顶板的薄弱环节,也是保持采场顶板整体稳定性的关键部分。当采场顶板某“关键块体”冒滑后,相邻块体得到了释放的机会,引起连锁反应产生一系列的冒滑,最终导致采场顶板失稳、冒落。

(5)地下水造成冒落

当矿体围岩大部分为可溶性岩体时,受构造裂隙水和井下充填富余水的影响,围岩的物理力学性能减弱,导致采场顶板矿岩体的相互作用力下降,造成顶板冒落。

2　控顶技术探讨

(1)矿柱控顶

在采场中留适当矿柱,是房柱法和全面法采场控顶常用的方法。矿柱控顶作用分成拱形假说和覆岩总重假说。拱形假说是以松散体力学为理论基础,认为在上部覆岩的压力作用下,松散的岩石从开采的顶板向下冒落,形成自然平衡拱。作用在矿柱上的载荷,

仅是冒落拱内岩块的重量,与开采空间埋藏深度无关。覆岩总重假说认为,在水平和缓倾斜矿体中,开采空间承受的载荷P,是开采空间上部直达地表全部覆岩重量的总和(如图1),即:

P=S Hγ=b L Hγ(2)式中,γ为覆岩容重。

12水平开采空间;22圆形矿柱;H2开采深度;

S2矿柱支撑的覆岩面积;P2作用在一个矿柱上的荷载

图1　覆岩总重假说示意图

利用矿柱控顶时,必须根据采场跨度、面积、顶板安全状况,选择矿柱位置、数量及尺寸;其次,起爆矿柱周围矿石时,应注意保护矿柱。研究表明,为了矿柱不受破坏,其宽、高比至少应为20∶1;为了避免“基础破坏”,平均矿柱应力不应超过周围岩体单轴抗压强度的三倍。

在实际生产中,矿柱的主要作用是阻止矿柱上方危险岩块的冒落。对于那些顶板特别不稳固的地段留有适当的矿柱,可在一定程度上起理想控顶的作用。但是,由于矿柱自身也存在弱面构造,特别是开采深部矿体,地应力大,矿柱在拉应力和剪应力的共同作用下,将逐步进入塑性破坏阶段,给后期回采矿柱带来极大困难;且仅靠预留矿柱难以有效改善围岩的应力、位移、安全率和塑性区的分布状况,也就不能从根本上保证矿房顶板的安全;同时,大量预留矿柱还会造成资源的浪费。

(2)锚杆控顶

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