采空区稳定性分析及安全性判定

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模 型 四周 及下 边界 按 照 开 采 的影 响范 围确 定 ， 上边 界 为地 表 ， 总体 尺 寸 为 １ ６ ２ ０ ｍ×１ ６ Ｉ ０ ０ ０１ ×６ ０ Ｔ ｍ， 拟 的主 要 载 荷 为 岩 体 自重 应 力 。数 值 模 拟 计 模 算选 取 的矿 体 、 围岩力 学参 数见 表 １ 。
集 中 ， 大 值 达 １ ． ５Ｍ Ｐ 。 最 ３ ６ ａ
图 ６ ７ 空 区 最 大 主 应 力 ３
２ 采 空 区安 全 性 判 定
采 矿 与岩 土工程 领域 中的岩体 破坏 判据 主要 有
岩石 强度理 论及 容许 极 限位移 量破 坏判 据 等 。根 据 数 值模 拟计 算结 果 ， 空 区周 边 围岩 中 的最 大 压 应 采
厂 （ ７ ９ ． ４ １ ４ ． ８ ｚ（ ） （ ． ４一 ａ一 一 ５ １ ９ ７ ＋ ０ ０ ５ ３＋ ３１
６ ｚ （ ） ２＋ ． ２ ＊ （ ３ ９ ５ ２ ８ ０ ｚ （ ） ） ２ － ｚ（ ） ３ ４４ ＋ １． ８ ３ ＋
优化设 计 问题不 仅避 免 了传统 的设 计方 法 中人工试
１ ２ 数 值 模 拟 计 算 结 果 及 分 析 ．
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何 林 松
（ 南省 郴州 市桂 阳县煤 炭局 ， 湖南 桂 阳县 湖 ４ ４０ ） ２ ４ ０
摘 要 ： 为掌握 某矿 山井下 采 空 区的安 全性 状 况 ， 前期 现 场 空 区探 测 的基 础 上 ， 立 了 在 建
空 区赋 存地 质模 型 ， 对采 空 区的稳 定 性进 行 了分析 ， 到 了矿体 开挖后 采 空 区周边 围岩 中 得 的应力 、 移分 布情 况 ， 位 并结 合容 许极 限位 移 量破 坏判 据 对 采 空 区的 安全 性 进 行 了判 定 。
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图 ４ 备 空 区 最 大 主 应 力
２ 。对于顶板 沉 陷位 移大 于 １ ｍ 的空 区 ， 立 即处 ０ｃ 应 理； 下沉位移 为 ５ ０ｃ 的空 区 ， 要继 续 使 用 ， ～１ ｍ 若 必
须 进 行 加 固 处 理 ； 沉 位 移 小 于 ５ｃ 的 空 区 ， 加 强 下 ｍ 应
Ｉ ＳＳＮ ７１— １６ —２９ ００
采 矿 技 术 第 １ ２卷 第 ３期
Ｍ ｉ ｎｇ Ｔ ｅ ｈｎｏ ｏ ｎｉ ｃ ｌ ｇｙ， Ｖ ｏ ． Ｎｏ． １１ ２， ３
２１ ０ ２年 ５月
Ｍ ａ ０１ ｙ２ ２
ＣＮ ３ １ ４ ／ ４ — ３ ７ ＴＤ
采 空 区 稳 定 性 分 析 及 安 全 性 判 定
民 的安 全 、 产 。 因此 ， 生 开展 地下采 空 区 围岩稳 定性
的安 全 评价 研究 显得 尤 为重 要 。
根 据数 值模 拟 结 果 ， 空 区 顶板 的最 大 沉 陷位 各 移 如 图 １所 示 ， 中 ７ ＃ 区在 矿 体开 挖 后 周边 围 其 ３空
岩 的位 移场 分布 见 图 ２ 。由 图 １ 图 ２可 知 ， 空场 、 在
１ ２ １ 空 区位 移分 析 ．．
５ ８
采
矿
技 术
计算 结果 表 明 ， 现有 的 ８ 在 Ｏ个 采 空 区 中 ， 陷 沉 位 移 大于 １ ｌ 的空 区有 ３ ０Ｃ ｔ Ｔ ９个 ， 陷位 移 为 ５ １ 沉 ～ Ｏ ｃ 的有 ２ 个 ， 降位 移小 于 ５ｃ 的空 区有 １ ｍ ９ 沉 ｍ ２个 ， 其 中沉 陷位 移 小 于 １ ｍ 的空 区 主要 为 采 空 区体 ０ｃ 积、 顶板 暴露 面积 相对 较小 、 板形态 为拱 形 或埋深 顶
件 不 同 ， 空 区 的最 小 主应力 值分 布较 散乱 ， 各 少数 空 区最 小 主应力 为 正值 ， 明在 空 区周 边 围岩 中存 在 表 拉应 力 区 ， 最大值 均 在 ０ ５ＭＰ 但 ． ａ以下 。 由图 ４可 知 ， 空 区 的存在 使 得空 区周 边 矿 柱 中出 现压 应 力 采
西 部 某 矿 山 矿床 主要 为 铜 矿 体 ， 矿方 法 主要 采
为 浅 孔 留矿 法 ， 过 几 年 的 回 采 ， 井 下 ５个 中 段 均 经 在
表 １ 矿 岩 力学 参 数
形 成 了大 量 的未处 理采 空 区 ， 分采 空 区 已经 坍 塌 ， 部
并且 在 地表 出现 了大 面积 的塌 陷坑 。随着 回采 工 作
力 集 中 ， 最 大 拉 应 力 、 大 压 应 力 值 分 别 为 ０ ５ 其 最 ．，
１ ９ Ｍ Ｐａ ０．
【 下转 第 ９ １页 ）
ห้องสมุดไป่ตู้
曾 怀 灵 ， ： ＭＡＴＬ 等 ＡＢ在 机 械 优 化 设 计 中的 应 用
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监控 ， 在发 生 险情 的第一 时 间对其 进行 加 固处理 。 并
表 ２ 采 空 区 安 全 性 判 定 结 果
空 区 编 号
图 ５ 图 ６是 ７ 空 区 的 矿 体 开 挖 后 周 边 的应 、 ３
力场 分 布情况 。 由图可 知 ， 由于采 用 空 场 法 开 采矿
体 后 未采 取相 关措 施控 制顶 底板 及周 边 围岩 的岩体
以采 空 区为 导 向空 间 ， 生 了指 向采 空 区 的 岩体 移 发
态 ， 结 合相 关 的地 表地层 数 据 ， 立 了地 下采 空 区 并 建
及 地表 地 层 的三 维模 型 ， 用 三 维有 限元 软 件 进 行 运
动， 导致 空 区顶板 在 自重及 上 覆 岩 层 的作 用 下产 生
１ １ 数值 模 型及 参数 选取 ．
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图 １ 各 空 区顶 板 最 大 沉 降位 移
结 合 矿 山 生产 的实 际情 况 ， 井 下 ５个 中段 现 对
有的 ８ Ｏ个 空 区进 行 Ｃ ＭＳ三维 空 区探 测 ， 实 测 数 将 据 以及 地 表地 层数 据导 入 三维 建模 软件 中建 立 的三 维 空 间模 型 。
图 ３ 各 空 区 最 小 主 应 力 示 意
采场 开挖 到变 形稳 定 为 止 ， 场 围岩 顶板 或 底 板 最 采 大容许 的下 沉量 或底 臌量 。根 据矿 山地 下采 场 大跨 度 开 挖不支 护或 零 时 支 护 条 件 下 的实 际经 验 ， 用 运 容许极 限位 移量破坏判据 对该矿 山井下 ８ Ｏ个 空 区的 安全 性 进 行判 定 ， 移量 及 其 空 区安 全 性 状 况见 表 位
较 小 的空 区 。 １ ２２ 空 区应力 分析 ．．
圈 ５ ７ 空 区 最 小 主 应 力 ３
图 ３ 图 ４是 现有空 区条 件 下 ， 空 区潜 在 危 险 、 各
截 面 的 最 小 主 应 力 、 大 主 应 力 统 计 图 。从 图 ３可 最
看出 ， 矿体 开挖 后形 成 的采 矿 空 间对 矿 房 顶 底 柱 及 矿 柱 的应力 环境 改 变 较 大 ， 由于各 空 区赋 存 的 实 且 际空 间位 置 、 区形 态及 开挖 后 的 应 力 场分 布 等 条 空
，， ． ０ ｅ （ ｔ ００ ｅ） Ｏ ００＋ ｏ曩 ００４ ２ Ｏ ￣ ０ ■ ５ ０ ）Ｏ２ １ ００． １ ，（ｅ ０ 协 ， ０ｅ ０ ０Ｘ ． ０ ０ ■ １ ００． １ｏ１ ８７． １ ．０ｅ ０ ，７ｅ ０ ０ Ｏ ｔ １ ０ 图 ２ ７ 空 区最 大 沉 降 位 移 ３
结 果表 明 ： 山现有 的 ８ 矿 Ｏ个 空 区 中， ３ 有 ９个 空 区存 在 破 坏现 象 ， 至 出现 大规 模 的破 坏 甚
诱发 地表 塌 陷范 围的继 续扩 大 。
关 键 词 ： 空 区 ； 区 探 测 ； 值 模 拟 ； 全 性 判 定 ； 定 性 分 析 采 空 数 安 稳
法 开采 矿体 后 ， 由于未 对采 空 区进行 及 时处理 ， 采空
区的形 成扰 动 了地 质体 的外 部 环 境 ， 岩 中 的初 始 原 地 应力 重新 分布 转 移 ， 区周 边 围岩 及 地 表 岩 土层 空
本 文 结合 我 国西 部 某矿 山 的井 下 开采 现 状 ， 通
过 Ｃ ＭＳ三 维 空 区 探 测 获 得 了 空 区 赋 存 的 实 际 形
安 全 性
移动 ， 空 区直接 悬 空 顶 板 的部 分 自重 应 力 传递 到 采 周边 未采 动 的岩体 ， 得 顶 板 发 生 类 似 弹 性恢 复那 使
样 的膨胀 变形 ， 顶 板岩 层形 成 减压 区 ， 成顶板 出 在 造
现拉 应力 区 ， 而两 帮 围岩 由 于受 顶 板 传 递 的 上覆 岩 体 自重应力 形 成增 压 区 ， 得 矿 柱 中存 在 明显 的压 使
∞
善
・
空 区
力 及最 大拉 应力 值 均 在 岩体 的极 限强 度 范 围 内 ， 而 采场 顶板 的位 移量 较 大 ， 因此 采 用容 许 极 限位 移 量
破 坏 判据对 采 空 区的安全 性进 行判 定 。
Ｒ
翅
容许极 限位移量 是 指在采 场硐 室不 产 生有 害松
动 以及 地表 不 出现 有 危 害 的开 采 沉 陷 的条 件 下 ， 从
的进 一 步推 进 ， 不 处 理井 下 的采 空 区 ， 爆 破 、 如 在 运
输等 井 下生 产扰 动影 响下 ， 动裂 隙 将继 续发 展 ， 采 地 表 的塌 陷范 围势 必 进 一 步 扩 大 ， 重 时 甚 至 造 成 附 严 近河 流 断流 和透 水 事 故 ， 已严 重 影 响 矿 山及 周 边 居
（ ）编 写 约束 函数 Ｍ 文件 ｍｙ ｏ ． ｌ ２ ｃ ｎ ｎ
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凑 、 析 比较 过 程 中 的繁 杂 与 重 复 ， 分 而且 编程 简 单 、 结 果 可 靠 。在上 述 实例 中 ， 用 ＭＡ ＡＢ软件 中 利 ＴＬ ｆ ｎｏ ｍｉｃ ｎ函数 求 解 夹 具 设 计 问 题 ， 终 设 计 的夹 具 最
要 比采 用传 统设 计方 法设 计 的质 量 轻 、 成本 低 ， 并且 设计 效 率高 。
连续 的移 动 和变形 ， 各 空 区顶 板 的最 大沉 陷位 移 且 随 空 区形 态 、 暴露 面积 的不 同而 不 同 。
空 区稳 定 性 分析 和 安 全性 判 定 ， 矿 山井 下 采 空 区 为
的治理 方 案设 计 提供 理论 依据 。
曩
胬 ０
１ 数 值 模 拟 计 算
参考文献 ：
［ ］ 孙靖 民． １ 机械优化设计［ ． Ｍ］ 北京 ： 机械工业 出版社 ，０ ３ ２０．
Ｅ ］ 刘鹤 松 ， ２ 姜 晶． 于 ＭＡＴＬ 基 ＡＢ算 法 的机 械 优 化 设 计 ［］ 煤 Ｊ．
０ ８ （ ） 一 （ ） ） （ ／ ） ． ８＊ ３ ２ ＾１ ２ ）＊ｚ（ ） １；