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采場暴露空間安全性分析法的研究與應用

文檔作者：孫銘楊德全宦秉煉周國慶文檔來源： 1．首都醫科大學 2．云錫松礦 3．昆明理工大學		點擊數：	更新時間： 2022年11月28日
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第16卷第7期
2007年7月
中 國 礦 業
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．16。No．7
July 2007
采場暴露空間安全性分析法的研究與應用
孫 銘 ，楊德全 ，宦秉煉。，周國慶
(1．首都醫科大學，北京100069；2．云錫松礦，云南個舊661421；
3．昆明理工大學，云南昆明650093)
摘要：本文利用Burgers—Coulomb模型，對采空區巖體逐漸破壞的機理進行了分析研究。在此基
礎上，推導并建立了采場安全評價的一種新方法一采空區安全性分析法，并將該方法應用于云錫松礦蘆
塘壩10—6礦體開采的安全評價，收到了良好的效果。
關鍵詞：伯格斯一庫倫模型；巖體冒落；開采安全性
中圖分類號：TD325 ．3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-4051(2007)07一OO98—03
The research and application of safety evaluation method on the m ined-out area
SUN Ming ，YANG De-quan ，HUAN Bing-lian。，ZHOU Guo—qing
(1．Gapital Medical University，Beijing 100069，China；
2．Song shujiao Mine of yunnan Tin Industry Company，Gejiu 661421，China；
3．Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)
Abstract：In this paper，the authors analyse the mechanism of rock deformation，displacement and fall—
ing around an opening with time by Burgers-Coulomb mode1．Then a safety evaluation method is setup．An
example is given of applying the method tO mining 10—6 ore body Yunnan Tin Corporation．
Key words：Burgers-Coulonb model；rock falling；stoping safety
1 巖體破壞的時效性
在采礦工程中，地下開采活動形成的采空區，
將改變巖體中的原始應力狀態，在空區上部的巖體
中形成應力拱，原來空區內的巖體所承受的應力已
轉移到周圍巖體上，形成應力集中。如果產生的應
力集中不超過巖體的強度，則整個開采結構系統形
成暫時的平衡。如果采空區不予支護，對于采場，
在大多數情況下，這種平衡將持續一定的時間，之
后就可能發生冒落現象，其規模和間隔時間是各不
相同的，取決于巖體的物理化學性質及節理、裂
隙、斷層、弱面等的數量及空間分布形態。暴露的
巖體從暫時的平衡狀態到開始破壞冒落，一般都要
經過一段時間，盡管這個時間長度變化很大，可以
從幾秒鐘到數十年或更久。
目前開采設計中，在分析巖體穩固性時，一般
只考慮巖石的堅固性系數，它是以巖石的單軸抗壓
強度除以100來表示，有時還兼顧一下巖石的硬度
及弱面情況，這一方面，模糊數學中的聚類分析理
收稿日期：2007—04—28
論可得到充分的利用。但設計中一個重要的因素常
常被忽視，這就是巖體穩定性的時間因素。
顯然，在開采設計和生產中，巖體的穩固性評
估理應考慮時間因素，如果說采空區周圍的巖體是
穩固的，那么這只是相對的，即在一定時間范圍內
是穩固的，超過一定時間，巖體就可能逐漸發生冒
落現象。發生冒落的時間分布及冒落量取決于許多
因素，包括巖石的性質、空區的面積、節理裂隙的
分布、空區的形狀等因素。
在同一個礦山，采區附近的不同區段，上述諸
因素都比較相似。因此，我們可以通過對礦山開采
后所形成的空區的地壓活動規律的研究，來預測現
在開采工作面的安全情況。
2 巖體破壞的時效性產生的機理
在空區頂板或邊幫的巖體中，從宏觀及微觀的
角度，都存在很多弱面和結構面，他們一般是縱橫
交錯的結構，形成的原因很多，主要包括原生的結
構缺陷以及在空硐開挖過程中因鑿巖、爆破等因素
而產生。因此，空區周圍的巖體可看成許多大大小
小的巖塊搭接而成。
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第7期 孫銘等：采場暴露空間安全性分析法的研究與應用 99
開采過程中剛形成的空區，在爆破震動的作用
下，一些不穩的、懸浮的巖體，很快地隨著爆破的
結束而掉落，使所形成的空間達到暫時的平衡和穩
定。也可理解為空區周圍搭接結構達到暫時的平
衡。
從實踐中，我們知道，在應力的作用下，空區
巖體經過一些時間后會逐漸發生變形，變形使一些
巖體中的一些隙縫逐漸加大，圍巖中巖塊的相互搭
接的夾制作用就會發生變化，這種變化達到一定程
度后，就會發生巖塊的冒落和掉塊，并最終達到新
的平衡，再進入第二輪量變到破壞的過程。造成空
區巖體變形的因素有很多，其中有兩個因素起主要
作用。
2．1 巖體的塑性變形過程分析
人們在生產實踐及力學試驗中知道，巖石一般
都具有彈性和塑性，盡管不同的巖石顯示兩種行為
的程度可能大相徑庭。經分析研究，我們認為可用
伯格斯(Burgers)一庫倫(Coulonb)模型來綜合
模擬巖石的性質，如圖1所示。
圖1 巖體受力行為模擬模型
巖體的破壞規律可通過研究該模型的行為得
到。如果巖石中的應力 超過了巖石的強度S，則
巖體立即發生破壞，這可由模型中的的庫倫體
(Coulomb)模擬。庫倫體模型為一種理想的塑性
體，模型中為一摩擦片。如果 。
l廠( )一0 0
(18)
式中』9稱為形狀參數，7稱為尺度參數。它們與采
場結構和尺寸有關，可以由礦山已采暴露空區的有
關統計數據，按下式求得。
一Σ ／n一礦(去+1)
一Σ ( 一 ) ／(n一1)一 r( +1)一
(19)
式中，
I1(吉+1)一j’ 古e-tdt；P 2+1)一j’ 舌e d
ti( 一1，2，? ? ，n)為一批統計數據，即
一批采場空區從形成暫時穩定的狀態到發生冒落的
時間。
采場在其生產期間T的安全性系數S Eo，T3
可用下式來計算，
s[o，T3— 1一P(0≤ t≤ T)一1一I f( )dt
(20)
式中，P (0≤t≤T)表示采場在其生產期T內發
生冒落的概率。
4 采場生產期安全性評價分析方法的應用
云錫松礦蘆塘壩10—6礦體擬試驗采用護頂房
柱采礦法，下面應用上述方法對該礦段采礦方法的
安全性進行分析。
對現場采空區的暴露頂板進行的調查及統計表
明，該礦多數空區冒落都是逐步的掉塊、片幫，少
有大規模的地壓現象。掉塊巖石多屬5～8m 間的
礦化巖塊，到直接老頂后，一般出現光滑的層面，
此層沒有發現掉塊或冒落的現象。對相鄰四個采場
空區頂板的記錄調查顯示，它們雖然是用有底部結
構的采礦法，但暴露空間與試驗方案的暴露空間在
形態和尺寸上基本一致。對四個采場開采后，首次
發生較大危害性冒落的時間分別為8、12、8．6、
13．5個月。故有，
一 tl／n一10．525
。=Σt ( 一 )。／(n一1)一7．036
代入式(19)，
●
10·525一Eti／ 一 (吉+1)
7·o36一'7。r(吉+1)一10·525。
可解得，p一4．5， 一11．5，代入式(20)，
SEO，T3—1一 蒜 He 1．51／4·5
根據對新方案的開采設計，采場采用“三強”
(下轉第104頁)
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1O4 中國礦業 第16卷
用聲波檢測得到的波速等聲波特性參數與實驗室巖
芯試件的力學參數之間的相關關系，可分析巷道圍
巖注漿前后的內部結構特征，塑性區和應力場的變
化 ，以檢驗一次、二次注漿加固效果。經聲波測
試，注漿加固后圍巖聲速均高于非注漿段，聲速提
高68％ ，這一結果表明，注漿后圍巖的強度、孔
隙比等物理力學參數， 比注漿前得到了很大改善。
注漿后圍巖力學性能檢測結果。注漿加固前，
巖芯裂隙較發育，裂隙紋絡清晰可見，巖芯往往從
貫穿或切割巖芯橫斷面的裂隙處斷開，取芯率較
低，只有15％ ；注漿加固后，巖芯裂隙被灰色結
石充填，從巖芯橫斷面上可以看出，具有裂隙的巖
芯橫斷面大部分被水泥漿所覆蓋，注漿加固后的圍
巖取芯率高達65％ 。力學性質，注漿加固后，巷
道圍巖不同深處的物理力學性質得到不同程度的改
善。單軸抗壓強度由20MPa增加到60MPa；抗拉
強度1．8MPa增加到2．6MPa；圍巖C值由3MPa
增加到9MPa， 值由25。增加到38。；E由2．0 X
1O MPa增到3．48×10 MPa；泊松比 由0．26降
低到0．2。圍巖抗剪強度由10 MPa提高到25 MPa
以上。參照《工程巖體質量標準》，注漿加固前為
節理化軟巖，注漿加固后提高到中硬巖，易支護。
巷道注漿后，巖體分類由工程V級極軟巖改性為Ⅲ
級中硬巖。注漿加固后，能夠保證巷道的長期穩
定，不發生破壞和突水現象。
4 結論
(1)根據有效應力原理，分析了突水區域巷
道圍巖的本構關系，為巷道防突水抗壓巖柱的留置
和參數的確定，為加固后巷道不發生突水和長期穩
定提供了理論依據。
(2)根據試驗研究，提出了巷道掘進中圍巖
預注漿防突水控制方案。實踐中，對止水巖柱厚
度、布孔、注漿參數、工藝等進行了理論分析和試
驗，經堵水率、聲波檢測、巖芯、圍巖力學參數等
對比分析表明，圍巖預注漿控制方案，具有技術上
可行性、經濟上合理性、安全可靠等特點，具有重
要工程意義。
(3)提出在動水壓力作用下巷道預注漿堵水
時，布孔參數的計算方法，為類似工程設計提供參
考。 1
參考文獻
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米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米
(上接第100頁) 生冒落的概率，安全性大大提高；
開采，開采周期為130d，即T=4．33個月。代入
上式可解得：
S [O，4．33]一98．77 oA，
5 結論
上述研究表明：運用采場生產期安全性評價分
析法，對云錫松礦蘆塘壩10—6礦體擬試驗采用護
頂房柱采礦法的安全性進行分析，在采空區不采取
支護的情況下，采用“三強” 開采，在開采周期內
結束整個回采作業，其生產的安全可靠性為
98．77％ ，也即在生產期發生冒落事故的概率僅為
1．23％ ，這是一個小概率事件，我們可認為試驗方
案的安全性是很高的。
在生產生產中，為了進一步提高采礦生產的安
全性，下述措施也是行之有效的。
(1)對頂板采用錨桿支護，可進一步降低發
(2)采用中深孔落礦，也是提高采礦安全性
的有效措施之一；
(3)加強對巖體的聲發射監測，可以對采空
區地壓活動進行控制，從而進一步提高安全性。
總之，采場生產期安全性評價分析法，經過對
生產性礦山的實際應用，證實采用該方法指導采場
的安全評估是很有效的。 1
參考文獻
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