急倾斜矿体开采地表沉陷与概化地应力研究.pdf

第 3 2 卷第 2 期 2 0 0 L 年 4 H 中南工业大学学报 j CE N T．S Ot _r I M N T v T EC HN OL． ． 3 2 N o ． 2 删2 O 0 l 急倾斜 矿体 开采地表沉 陷与概化地应 力研究 贺跃光 。 颜荣贵 ， 曾卓乔 1 ． 中南太学 资源环境与建筑工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 长沙矿冶研究院， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 摘要急倾斜矿体开采地表沉陷规律不同于卣重应力作用下的崃矿地表移动规律的特点． 研究蛄果表明惠倾斜矿 体开采地表沉 陷的主控 因素为 残余构造应 力场与成矿应力场 惠倾斜矿体的产收 、 覆岩 体站 构与节理 襞障 的空 阃 晨布规律、 开采放矿与顶板管理方法 此外， 提出了研究急亭 贞 斜矿体开采的地表移动规律 时必须在蝶矿地表移动规 律基础上， 引入以残余构造应力为主要影响因素． 同时包奇倾南、 岩体结构、 放矿规律的 4太主控因素； 在此基础 上． 推导了急颧斜崩落法开采矿山地表移动与概化地应力的关系式， 并通过实书 I 加以验证， 为多主控固素肆夸机理 研 览奠定 了基础 ． 关量词 构造应 力；卣重应力；急倾斜矿体 ；沉陷 ； 概化地 应力 中翻分类号 T DI 文献标识码 A 文章鳙号 1 0 0 5 ． 9 7 9 2 2 0 0 1 0 2 - 0 1 2 2 - 0 5 对水平缓斜煤层开采地表沉陷及移动规律， 国 内外已进行了众多研 究． 建立 了各种开采地 表移动 预计方法， 有效地指导了建筑物 、 水体、 铁路下的压 煤开采． “ 三下开采” 实践又使地表移动规律研究取 得了长足的发展， 我国已建立了以概率积分法、 负指 数函数 法 、 典型 曲线法 为基础 的地 表移 动预 计体 系“ ’ ． “ 三下开采” 实践也暴露了我国开采地表移动规 律与地表预计方法研究急待解决的问题 金属及 其它非煤矿山“ 三下采矿” 急需深入开展地表移动规 律及地表变形预计方法研究 ． 金属矿山具有 与沉积 煤矿不 同的岩体 、 地质 、 开采条件 与采矿方法 ， 使对 急倾斜崩落法开采冶金矿山地表开采沉陷规律的研 究更显突出 ． 如武钢矿业公司开采的鄂 东接触交代 矽卡岩型磁铁矿床 ， 无论是金山店铁矿 I区、 Ⅱ区 Ⅳ区， 还是程潮铁矿东区 西区， 由于其产状急倾斜， 残余构造应力较大， 因而无法获得与地表沉陷规律 相适应的采矿设计所需地表移动角． 其它条件与其 类似的铁矿山 ， 如镜铁 山铁矿 、 弓长蛉地下矿 、 玉石 洼铁矿 、 张家洼铁矿也都属于此列 ． 而对于沉积锰 矿 ， 随着开采由浅部向深部转移 ， 一些主要锰矿 山都 存在倾角变陡， 残余构造应力显现， 大规模破坏性地 压前兆和地表沉陷变异渐趋显著的现象； 倾角大于 5 5 。 的急倾煤层开采地表移动预计方法， 在我国“ 三 下采煤” 规程中还没有得到应用． 乌鲁木齐、 南票、 辽 源、 北票、 淮南、 北京等2 0 多个矿务局所开采的煤层 中， 急倾斜煤层占较大比率， 其“ 三下采煤” 实践有待 于地表移动规律研究的发展而发展． 因此， 需对开采 引起的覆岩破坏、 岩体内部移动、 地表移动进行系统 研究 ． 综上所述， 急倾斜矿体开采沉陷规律的研究， 是 当前国内外开采沉陷学机理研究的难题． 为此， 应了 解国际岩土力学与工程的前沿学科及最新技术和方 法． 研究结果表明， 主控因素、 研究方法 、 处理技巧是 开采沉陷学机理研究的主要内容． 现引入概化地应 力关 系式， 作为进一步研究的基础 ． 1 急倾斜开采地表沉陷的主控因素 矿山地压控制、 露天边坡工程、 稳坡对策以及开 采沉陷控制， 均属于矿山岩土工程范畴， 其发展具有 如下共性 从简单到复杂， 主控因素不断扩大， 促成 学科发展及工程使用范围不断扩大； 主控因素及其 作用机制研究不断深入 ， 并创造经济效益或环境效 益； 开展新方法、 多因素间交叉、 耦合作用的科研工 程化研究； 机制研究扩展到控制技术研究， 从而具有 转化为可操作的常规技术； 通过学科间渗透 、 交叉研 究 ， 扩展 为新领域 ． 垃疆 日期 2 1 X ]O一0 5 2 2 作者蕾介 贺跃光 1 9 6 6 一 ， 男． 湖南挑江人， 中南大学高级工程师， 博士研究生 维普资讯 第 2 期 贺跃光 ， 等 急倾斜矿体开采地表沉陷与概化地应力研究 1 2 3 从 主控因素看 ， 目前国际上矿 山岩土工程已扩 展到 8 大类 地层与岩体特征、 地质与构造， 原岩应 力场、 地下水 、 岩石工程环境、 岩石工程结构、 开采方 法与工艺 、 支护体系与顶板管理方法 ． 对 于近水平的 煤矿地表移 动， 沉积煤 系地层 、 近水平沉积岩体 、 自 重应力 、 薄至近中厚煤层 、 长壁工作面、 冒落法管理 顶板， 是我国常见煤矿开采形式， 也是开采沉陷的主 控因素， 由此得出相应地表移动规律， 并以移动变形 等几何场形式为主进行研究． 分别由沉积岩体岩性 差别、 开采块体不同空间组合形式、 不同开采深度 、 冒落与充填的不同顶板管理形式等衍生出各类移动 特征、 规律及参量． 对于急倾斜煤层， 往往以上山与 下山方向 2个水平块体开采叠加 ， 或在 实测基 础上 引入与倾角有关 的参量来修改等方法来 达到满足工 程精度要求的实用 目的 ． 事实上， 这往往在急倾 斜条件下无效， 因而总是表现为“ 规律性” 很差， 难以 满足工程要求． 现代矿山岩土工程与岩石力学的发展， 使人们 认识到对急倾斜矿体开采沉 陷问题的研 究 ， 必须在 煤矿地表移 动规律研究基础上 ， 引入下列主控因素 a ． 急倾斜矿体开采总与残余构造应 力场 、 成矿 应力场相联系． 所有急倾斜矿体的形成总是与构造 应力场 、 成矿应力场相联系， 又受各种条件的影响而 变迁， 最常见的是离地表浅处逐渐松驰， 深部则残余 构造应力显现， 并以应力场的形式存在于矿区． b ． 即使在自重应力作用下， 急倾斜产状也会使 层状岩体的上山与下山方向岩块出现不同的沉陷概 率与机制 ． c ． 岩体结构与节理裂隙的空间展布规律， 决定 了采空区上覆岩体破坏与运动形式． 只有层状沉积 煤系地层和锰系地层才有采空区上方煤系 或锰系 地层的破坏移动规律， 并由此决定其岩体内部移动 规律； 急倾斜的铁、 铜等金属矿体， 用崩落法开采时， 多为可崩性节理、 裂隙发育的块状岩体， 因此其节 理、 裂隙的展布形状和空间位置， 决定岩体内部移动 规律． d ．开采及顶板管理方 法． 急倾 斜煤矿 ， 尤其是 厚层煤矿， 其顶板管理方法及放顶次序共同影响地 表移动； 急倾斜金属矿体， 用崩落法开采时， 放矿规 律起决定性影响； 当矿体顶板呈现不规则时， 从贫化 损失角度出发， 为获得最佳经济效益而采取不均匀 放矿， 改变放矿配置， 导致截然不同的地表沉陷． 此 时， 用数值分析法研究地压规律时得到的结果却会 相同． 对岩层移动进行观测、 研究， 结果表明， 残余构 造应力开挖卸载、 层状岩体、 急倾斜等因素总是相互 联系， 共同对急倾斜地表移动规律起作用． 在不同矿 区， 残余构造应力释放程度不一样， 倾角也不一样； 同一矿区， 其关联程度从浅部到深部也不一样， 故以 往的方法 即定性描述采空区中心到岩体中心的传 播路径 ， 在岩体内部为沿层面法线方向， 而沿表土层 为铅垂方向并向上， 综合为 9 0 o ， 再以实测来 确定经验系数 ， 急需改进， 其中残余构造应力的 开挖卸载是关键 ． 2 概化地应力 研究急倾斜矿体开采的地表移动规律时， 必须 在煤矿地表移动规律基础上再引入残余构造应力、 倾角、 岩体结构 、 放矿规律等 4大主控因素． 现场实 测表明， 残余构造应力影响是最主要的． 在岩体绝对 应力量测中， 取实测值与理论自重应力场之差， 相对 于地表某一沉陷分布的综合效应为概化地应力， 建 立特定沉陷与特定概化地应力的对应联系． 概化地 应力概念最早是于 4 0年代由前苏联的布克林斯基 提出来的 ． 概括来说， 概化地应力具有如下特点 a ． 概化地应力总与特定的工程及范畴相对应． 2 o 世纪 7 0年代以来 ， 随着岩体绝对应力量测的进 行， 矿山现场开始用原岩应力量测值及地应力场作 为岩石工程体边界条件． 对于地应力场的确定， 在方 法和概念上有待完善与深化， 以建立与所对应的工 程相适应的范畴 ． 如地震部门进行震潦机制研究 ， 所 求应力场为大区域应力场i 开发矿区的规划， 所求应 力均为矿区范畴地应力场； 而在某一矿块或采区开 采， 在地表形成塌陷坑， 对此地表沉陷影响者应为相 维普资讯 中南工业大学学报 第蛇卷 应的概化地应力； 在某一井筒开凿， 原岩应力则为对 此井筒开凿有影响的概化地应力． b ． 概化地应力是随工程变化而变化的动态概 念， 在浅部开采条件下， 沉陷问题的概化地应力是某 个值； 随采深增加， 塌陷坑的形态与规模发生变化， 对此有影响的概化地应力有可能随残余构造应力的 显现而增大． 沉陷的变化也是概化地应力变化的一 种反应． c ． 概化地应力受控于地质岩体． 现场岩体应力 绝对值量测结果表明， 在相同地应力场中， 变质岩 体、 侵入岩体、 沉积岩体中的实测应力值不同， 并随 其岩性不同而保持相应比值 ， 即使均在沉积岩体中， 灰岩与砂岩体中所测值也保持一定比值， 这为处理 概化地应力提供了依据 ． 3 急倾矿体开采地表塌陷坑中的应力 与位移 3 ． 1 基车假设 急倾崩落法开采矿体的实践表明 当开采到一 定深度时， 在地表会形成近乎圆形塌陷坑， 地表及塌 陷坑中为 冒落破碎岩块 ； 对 金属矿山来说 ， 当表土厚 度为坚硬基岩厚度的 5 ％以下时， 可等效视为岩石工 程； 当开采到一定深度时 ， 可不计采区下端部力学效 应， 即采深大于采空区较大方向长度的 1 ． 4倍或塌 陷坑直径的2 倍时， 可按平面问题来处理． 这是弹性 体与散体的复合问题， 概化地应力为其边界条件， 地 表位移与变形只出现在受力体表面地表部位． 3 ． 2 地囊塌陷坑与冒落带 地表塌陷坑是一个充满破碎岩块的空洞半空 间． 开采前， 地表面铅垂方向应力 0 ， 形成塌陷坑 以后， 离地表面 h处的铅垂向应力 发生了变化， 此时为 h 7 。 一7 I 1 式中 7 o 为原始岩石密度； 7 ， 为冒落带破碎岩石密 度 ． 由于出现内含破碎岩体的空洞半空间， 其周围 岩俸中应力发生了变化． 开挖前， 原始地应力中的水 平应力分量 口 。 ， cr 2 可用概化地应力分量 口 。 ， 口 及自 重引起的水平分量 k “ o h 来表示 一 t 一 一 “ 一 y 0 a 2 口 k “ o h口 y 0 2 式中 为侧压系数 ； ／ 1 为泊松比； 口 为自重引起的 水平应力分量； 一 ， 一 为残余构造应力决定的水平方 向主应力值， 即概化地应力值． 由于形成塌陷坑 ， 产生的向塌陷坑璧的作用力 为 cr 0 y 】 [ o 0 口 o h 一 钟 s 口 ] 7 j 嘲 2 口 旨 h n ] 3 式中 轴 为冒落坑自由垂直壁高度； 为塌陷坑壁倾 角； 为冒落岩石侧压系数； 9为冒落岩石的内摩擦 角 ． 由于其空洞 内充满破碎岩石组成冒落带， 围岩 中的水平应力发生变化． 分别为 口I 一 口 h 7 t [ c 0 日 口 l s in盟 一h g o 口 ] 口 2一 口 h一 7 t 【 嘲2 口 1 s ln 一 B i ] 4 3 ． 3 对应于塌陷坑的概化地应力 冒落带为近乎圆柱形或椭圆形的充满冒落岩石 的空穴． 在塌陷坑上部， 由 o r0 0 ， 口 0 ， 有 c r I 口 I 口 ， c r 2 口 2 5 塌陷坑的出现使水平应力产生明显变化 ， 圆形 塌陷坑的径向应力由远离塌坑的岩体内部的原始地 应力变到冒落带边界上的冒落岩石侧压力， 且在冒 落边界上， 法向剪切应力集中达最大值． 冒落带中岩 石水平分层处于一种概化平面应力状态． 又由于受 采空区端面影响， 限制了应用水平断面的可能性与 采用弹性理论平面介质的合理性 ． 但经现场大量实 测与实验研究确定， 当采空区深度大于塌陷坑直径 时， 冒落带底部靠近地表断面的应力状态影响可以 忽略， 满足弹性理论平面解． 按 K i t s c h 解可得塌陷坑 地表点径向位移 U及切向位移 V 为” 】 维普资讯 第 2 期 贺跃光， 等 急1 匾 斜矿悻开采地表沉陷与概化地应力研究 [ k r 等 一 2 ／1r k 一 r 4 d 雩 一 吾 cos2 a ] r 十 一 4 等 一 c。 s [ 一 ， 等一 8 ／z “_ ] sin 2 0 6 式中 n为塌陷坑半径； r ， 0 为点的极坐标 0 为自 开始逆时针的夹角 ； E ， 分别为弹模量与泊松比． 开挖前 围岩位移分量 ， 为 r[ 1 2 2 e e l 2 0 ] 咖 。 s i n 2 0 7 由 6 式与 7 式之差可得塌陷坑地表各点位移 u U o 【 等 一 ； 竿一 r 一 菩 傩 2 口 ] k k 1 [ 一 ] s i s 7 一 一了j 由 8 式可得急倾崩落法开采矿体时， 其地表沉 陷坑的位移 U r ， 与由残余构造应力决定的概化地 应 力 k． ， 问的对应关系 ． 4 概化地应力 ， 的反分析确定 对于太多数急倾矿山， 由于开采时问相当长 ， 地 表各种干扰因素多， 因而要长时间保存地表观测站 极不容易 ． 可取的方法是对应于某一中段开采 ， 对沉 陷坑的位 移 与 变形 进 行 观 测 称 相 对位 移观 测 ． 对 于此中段， 其概化地应力 ， 具均值含义． 地表点 位移变化 r ． 一r 。 ， 相对于塌陷坑半径 n可视为无穷 小， 故 r 可按 2 次均值即 r 来考虑 ． 此时， △ 一 U, o [ 旦 一 瑚 ] △ ． 一 1 旦 一 一 据 9 式， 由 2 次量测点之位移 av , ， △ 可求 ， ． 当条件许可时， 可由绝对位移值 ， 来求 ， z k ，此时相当于 一 0 ， 。 。 0 ， 由 9 式可得 [ 詈 一 等 一 普 ] r l r l 1 [ 普 一 等 2 10 一 一 1 O 式为相对位移求法 9 式之特倒． 在一般矿 山条件下， 很难建站实施． 前苏联一些科技T作者曾 用类似公式进行长期实 与试验研究 ， 其相应结 果如表 1 所示 由方程组 1 0 ， 经多次测量， 平差后 求出 ． 表 1 表明 上述概化地力值与现场岩体绝对应 力量测结果既有区别又有联系， 其相互关系是用岩 移随机介质理论改化处理的基础 ， 实浏铪经线 、 纬线 的构造应 力值 ， 其结果如表 2所示 ． 裹 1 马拉尔和咯萨克斯坦矿区概化地应力值 P ● ．{r往 目 r 巨 0 ； ， - 0 f 一一 走 维普资讯 中南工业大学学报 第 3 2 卷 表 2改化构造应 力值 参考文献 1 ] 剃宝琛， 廖国华 煤矿地表移动的基奉规律[ M] ． 北京 中国工业 出版社 ． 1 9 6 5 ． [ 2 ] 煤炭工业部 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤拄留设与压煤开 采规程[ M ] ． 北京 煤炭工业出版社． 1 9 8 6 ． D] 克拉菠 H 采动损害厦其防护[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， l 9 昭 [ 4 ] 布克林斯基 B A ． 矿山岩层与地表移动[ M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 q 8 9 5 ] 李栖风 急倾斜煤层开采[ M] ． 北京 煤炭工业出板杜， 1 9 8 4 6 ] 贺跃光， 颜荣贵， 朱殿柱 构造地应力作用下的地表移动规律研 究[ J ]矿冶工程． 2 0 0 0 ， 2 。 3 l 2 一 I 4 [ 7 ] 萨文T H ． 孔附近的应力集中[ M] ， 卢鼎霉， 译 北京 科学出版 社 ． 1 9 5 8 St u d y o n t h e mi n i n g s u r f a c e mo v e me n t a n d g e n e r a l c h a n g e d s t r e s s i n t h e e a r t h o f r a pid in c l i n e mi n i n g b o d y HE Yu e - g u a n g。 ， YAN Ro n g - g u i 2 ，Z E N Z h o u ． q i ∞ 1 ． C o l l e g e o f R e s o m t ． E n v S r o n m e n t a r d C i v i l E n g i n e e ri n g ， C e n t r a t S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 - 0 a J 1 R e s e a r c h l t i t u l e o f Mi n i ng a n d Me t a l l u r g y ,，C h a ngs h a 4 1 0 0 1 2 ． C h in a Ab s t r a c t T h e r u l e o f mi n i n g s u r f a c e s L b d e l p r o b l e m o ft h e r a p i d i n c l i n e a v a l a n c h e i s d i fi e r e n t f rom t h a t o f c o a l mi n e u n der i n i ti a l s t r e s s I t sm a i n c o n t r a i l i ng f a c t o r s a re r e m a i n d e r s t ruc t u r a l a n dm i n e - g r o w n i n g s t r e s s fi e l d ． o b l k t yofm ine b o d y ， G o d e E r o c k s t r u c t u re，t h e d i s t ri b u t i n g o f s e c t i o n a n d c r a c k ． min e a n d d i sc a n d础m a n a g em e t h o d ．B a s e d o n t h e r u l e o f c o a l m i n e s u r f a c e m o v e m e n t ， r e m mn d e r s t r L I c t u r a l s i r e 8 8 i s t h e m a i n f a c t o r ， i n c l u d i ng o b n t y ， r o c k hea y s t r u c t u r e ，d i s c h a r g e mi ne r u l e ．I n t h i s a r t i c l e ，the r e l a t i o n o f the rap i d i n c l i n e mi n i n g b o d y a v a l a neh e n n 异s u r f a c e v e l t le ／ l t a n d g e n e r a l c h a n g e d s t r e s s a n d i t s e x a mp l e s a r e g i v e ． ．w h i c h h a s l a i d t h e f o u n d a t i o n f o r t h e c o t l i t i o n me e S 一 n i s r n s t u d v o fI I 1 0 1 ma i n c o n t r o l l i ng f a c t o r s ． K e y wo r d ss t ruc t u r a l s t r e s s ；i n i t i al s t r e s s r a p i d i n c l i n e mi n e b o d y ；s u b s i d e n c e ；g e n e r a l c h a n g e d s t r e s s 维普资讯