柳山沟磷矿地下开采自然坡稳定性分析.pdf

柳山沟磷矿地下开采自然坡稳定性分析 第六图书馆 针对柳山沟磷矿床地下开采自然坡失稳问题,应用模糊测度理论,推导了相应的地表下沉、倾斜、地表曲率、水平移动、水平 变形的理论计算公式,对处于山区的柳山沟磷矿床地下开采所引起的地表移动与变形及山体失稳问题进行了具体分析.工程实 例计算分析表明,理论计算结果与工程实测资料吻合.针对柳山沟磷矿床地下开采自然坡失稳问题,应用模糊测度理论,推导了 相应的地表下沉、倾斜、地表曲率、水平移动、水平变形的理论计算公式,对处于山区的柳山沟磷矿床地下开采所引起的地 表移动与变形及山体失稳问题进行了具体分析.工程实例计算分析表明,理论计算结果与工程实测资料吻合.地下开采 磷矿 床 岩体移动变形 自然坡失稳 模糊测度化工矿物与加工李文秀 侯晓兵 郭玉贵 赵胜涛 杨少冲 戴兰芳河 北大学岩土工程研究所,河北保定0710022007第六图书馆 第六图书馆 试验研究 I MP化I矿物与加I 2 0 0 7年第 2期 文章编号 1 0 0 8 7 5 2 4 l 2 0 0 7 0 2 0 0 0 1 一O 3 柳 山沟磷矿地下开采 自然坡稳定性分析 李文秀，侯晓兵，郭玉贵， 赵胜涛 ， 杨少冲， 戴兰芳 河北大学岩土工程研究所 ， 河北 保定0 7 1 0 0 2 摘要 针对柳山沟磷矿床地下开采 自然坡失稳 问题 ， 应用模糊测 度理论 ， 推导了相应 的地表下沉 、 倾斜 、 地表 曲率 、 水平移动、 水平变形的理论计算公式 ， 对处 于山区的柳 山沟磷 矿床地下开采所弓 I 起的地表移动与变形及 山体失稳问题 进行 了具体分析 。工程实例计算分析表 明， 理论计算结果 与工程 实测资料吻合。 关键词 地下开采 ； 磷矿床； 岩体移动变形 ； 自然坡失稳 ； 模糊测 度 中图分类号 T U4 5 7 文献标识码 A 0 引 言 柳 山沟磷 矿地 处 鄂西北 山区 ， 地 表地形 复 杂 ， 地表 自然坡角度一般在 3 0 ～6 5 。 ， 部分地段达 7 0 ～ 9 0 。 即形 成 陡崖 。地 表最大 相对 高差 达 到 2 3 0 m 以上。该矿一期工程南部 以矿体露头为界 ， 北部 以第九块段为界 ， 西部 以 6 7 0 m矿 体底 板等 高线为界 ， 东部以 5 8 0 m矿体底板等高线为界 ； A 1 块段为主要开采对象。该块段矿体所对应的上部 地表存在陡崖 ， 自然坡角在 7 0 --9 0 。 。 该矿区属于大型海相沉积矿床。矿 区地层 自 上而 下为 震 旦 系 灯 影 组第 四层 Z b d n 4 、 第 三层 Z b d n 3 、 第 二层 Z b d n 2 、 第 一层 Z b d n 1 ； 震 旦 系 陡 山沱组第 四层 Z b d 4 、 第 三层 Z b d 3 ， 上 含 磷层 P h ， 震 旦 系 陡 山 沱 组 第 二 层 第 二 分 层 Z b d 2 2 、 第 一分 层 Z b d 2 1 ； 中含磷层 P h 2 ； 震 旦系 陡山沱 组 第 一 层 第 三 分 层 Z b d 1 3 ； 下 含 磷 层第三分层 P h 1 3 、 第二分层 P h 1 - 2 、 第一分层 P h 卜】 ； 震旦 系 陡 山 沱组 第 一 层 Z b d 1 ； 前 震 旦 系崆 岭群 A n Z 。 在靠近永 久保安矿柱 附近 的 A 1 块段 ， 矿 体 倾角 8 ～1 0 。 ， 属于缓倾斜矿床。矿层距地 表深度 一 般大于 2 0 0 m， 大部分地段在 2 4 0 --3 8 0 m。该矿 目前使用房柱法进行 回采。 工程地质调查 结果 表明， 矿 区岩石完整性 总 体状况不好 ， 所开采 区域岩体节理 裂隙发育 。因 而 ， 地下开采之后， 对上部 山体稳定是不利的。 1 山体稳定性预测数学模型 1 ． 1 岩体 移 动分析模 型 根据已有的研究 ， 地下开采引起上部地 表某 点发生下沉、 变形现象可视为具有一定模糊性的 非确定性现象 ， 据此即可利用模糊数学方法建立 相 应 的数 学模 型[ 。 地下开挖地表下沉的计算公式[ 。 W z， Y ， k l k 2 M A1 M A2 1 式中，k 1 为下沉系数 ， 为待定常数 ； k 2为开 采厚 度 ；M A1 、 M A2 为模糊测度 ， 分别为下列表 达 式 M A 1 j 1 e x p [ ～ 未 z 一 ] 2 U 1 M A 2 』 去 e x 未 一 扩 3 2 当地 表为 山地 时 ， 有 R R 4 式 中， R为主要影响半径 ； 为主要影响范围角 ； ， D1 E [ 0 ， L] ， L为z方向的开采宽度 ； ， D2 E [ 0 ， L1 ] ， L1 为 y方向的开采宽度。 H 为开采深 度 ； a 为 地表 自然坡坡 角 。 收稿 日期 2 0 0 6 一I I 一2 0 基金项 目 河北省 科技攻 关计划项 目 0 5 2 1 3 7 0 6 ， 河北省教育厅科研项 目 2 0 0 4 3 0 8 ， 河北省科技攻关计划项 目 3 2 1 3 8 1 0 。 作者 简介 李文秀 1 9 5 4一 。 男， 教授 ， 主要从事岩土力学及采矿工程等方面 的教学 和科研工作 o 1 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 试验研究 I MP化I矿物与加 I 2 0 0 7年第 2期 方向水平移动公式 ， Y ， b ’ w 37 ， Y ， 5 式 中，b为 方 向的水平移 动系数 ， b0 ． 2 0～ 0． 4 0。 方向水平变形 E x， u z， Y， 6 由上面公式 ， 即可对山区开采引起 的岩体移 动变形问题进行 预测 分析。相关 的参数采用 B P 神经网络方法确定 。 在高陡山区， 所遇到的矿山岩体一般多为脆 性介质 ， 其抗拉强度远小于其抗压强度 ， 故拉伸变 形必将对岩体构成 破坏， 在井下拉伸变形 易于造 成巷道或采场 冒顶或崩落 ； 在地表则会造成岩体 开裂甚至岩体崩塌等事故。因而 ， 利用拉伸变形 来判断岩土体稳定或开裂破坏程度比较合理。 2工程 应 用分析 2 ． 1 山地 开采岩 体移 动 变形 分析 为验证本文所建数学模型的正确性 ， 首先 对 我国西南某山区地下开采岩体移动进行分析。 该矿地处西南 山区， 地表 自然坡平均坡角为 4 0 。 ， 取该矿主剖面进行计算分析。主剖面地下开 采 厚 度 2 ． 0 m， 平 均 开 挖 深 度 1 0 5 m， 开 挖 宽 度 3 1 0 m。根据实测资料 统计分析， 采用 B P神经 网 络方法确定出参数值列入表 1 。 表 1 计 算工 程参数 值 根据上述参数值 ， 利用计算机进行计算。理 论计算结果和实测值对比情况示于图 1 。 由图 1 可见 ， 理论结果 与实测数据 吻合 。表 明本文所提出的模糊数学模型可 以预测分析山区 地下开采所 引起 的岩体移动变形问题。 结合具 体工程 ， 本文 主要 针对柳 山沟矿 区 A】 矿块 BB剖面岩体移动进行预测分析。柳山 沟矿区地表地形及 BB剖面位置示于图 2 。 2 图 1 水平移动理论曲线与实测数据对 比图 图 2 柳 山沟 矿 区地 表地 形 及 BB剖面 位置 图 在靠近永久保安矿柱 附近的 A 1 块段 ， 地 下 开采之后 ， 对上部山体稳定影响程度如何 ， 是安全 生产所必须考虑的。根据矿 区实测资料 ， 可 以得 到具体工程 参数值。该采 区工 程参数值列 入表 2 表 2 计算 工程 参数 值 利用表 2所列参数值 ， 对移动变形指标进行 了具体计算分析。该采区岩体水平变形计算公式 为 m J’0 L 秀 J 二 ‘t二 一 C 【aIl口 e x p [ 赢 一8 2 ] d 8 p 一 现将地表水平变形结果示于图 3 。 大量工程实测资料统计结果 表明， 在该矿 区 工程地质条件下， 当岩 土 体水平拉伸变形达到 6 ‰～1 2 ％ o 或超过 1 2 ％ o 时 ， 地表岩 土 体将发 生 宏观开裂破坏。而根据本文的预计结果 ， 水平拉 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 试验研 究 I M P化 I矿物 与加 I 2 0 0 7年 第 2期 伸变形最大值已超过 9 ‰， 因而地下 开采 后地表 岩体将发牛开裂破坏 ， 应引起高度重视。 图 3地 表水 平变 形理 论预 测 结果 2 ， 2回采建议 方 案 按表 l 所列情况进行对 比分析 ， 若此采 区继 续使用现行房柱采矿方法进行 回采 ， 应严格按设 计进行， 并在采场 内以及靠近采区边界地段 留设 足够强度的点柱及边界保安矿柱 ， 实施合理 的开 采顺序 ， 可确保上部地表 自然坡稳定 。 在该采区， 最好不设方形点柱 ， 而设长方形点 柱 ， 其 点 柱的长 度方 向沿 倾 向布设 ， 宽 度方 向沿走 向布设。这样布设点柱有利于采空区上部山体稳 定 。 对可以采用房柱法 回采的 区段 ， 应在采 区地 表建立地面岩体移动观测站 ， 以便 获取本采 区的 第一手资料 ， 了解岩体移动变化趋势 ， 指导下一步 生产 。 自坡脚向山体内部推进是对 山体稳定最不利 的回采顺序 ， 此时有利 于岩体水平移动和水平拉 伸变形 的增 大 。而 首 先 开 采 山 峰 下方 矿 段 ， 然后 向山外推进 ， 此时对山体稳定有利 ， 因为可有效地 限制岩体水平移动和水平 拉伸变 形的增大 。因 此 ， 对 该矿 推荐这 种 回采顺 序 。 3 结论 a ． 理论分析结果表 明， 本 文提 出的数学模型 适用于分析山区开采引起的岩体移动变形问题 ， 对于类似条件下金属或非金属矿开采引起的岩体 移动变形预测分析问题也可参考应用 。 b ． 本文提出和推荐 的 自然坡下部 回采顺序 ， 可供矿山生产施工参考 。 4 参 考文 献 [ 1 ] L i We n x i u ， Me i S o n g h u a ， Z a i S h u h u a ， Z h a o S h e n g t a o ， L i a n g Xu l i ．Fu z z y mo d e l s f o r a n a ly s i s o f r o c k ma s s d i s p l a c e me n t s d u e t o u n - d e r g r o u n d mi n i n gi nmo u n t a i n o u s a r e a s [ J ] ．1 n t ． J ．R o c kMe c h ． a n d Mi n ．S c i ． 。 2 0 0 6 ，4 3 4 5 0 35 1 1 ． [ 2 ] 任伟中 ，白世 伟 ，葛修润 ．厚 覆盖层条件下地 下采 矿引起 的地表变形陷落特 征模型 试验研 究 [ J ] ．岩石力 学 与工 程学报 ， 2 0 0 4 。 2 3 1 0 1 7 1 51 7 1 9 ， [ 3 ] 李文秀． F u z z y理论在采矿及岩土工程 中的应用 [ M] ． 北京 冶金工业出版社 ，1 9 9 8． [ 4 ] T o ma z A mb roz i c ，G o r a n Tu r k ． P r e d i c t i o n o f s u b s i d e n c e d u e t o u n d e r g rou n d min in g b y a r t i f i c ia l n e u r al n e t wo r k s [ J ] ． C o mp u t e r s Ge o s c i e n c e s ，2 0 0 3 ， 2 9 5 6 2 76 3 7 ． Ana l y s i s f o r s t a b i l i t y o f n a t u r a l s l o p e d u e t o u nd e r g r o u n d mi n i n g o f t he p h o s ph o r u s o r e i n Li u s h a n g o u mi ne Li W e nxi u，HOU Xi a o b i n g，GUO Yu g u i ， ZHAO She n gt a o，YANG S ha o c ho n g， DAI La nf a n g H e b e i Un i v e r s i t y ， B a o d i n g He b e i 0 7 1 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e a p p l i c a t i o n o f t h e f u z z y p rob a b i l i t y me a s u r e s t o t h e a n aly s is o f t h e i n s t a b i l i t y o f n a t u r a l s l o p e d u e t o u n d e r g r o u n d mi n i n g u n d e r t h e mo u n t a in a r e a s i n Liu s h a n g o u p h o s p h o - r u s mi n e i s de s c r i b e d．By u s i n g t h e f u z z y me a s u r e s t h e o r y i n f u z z y ma t h e ma t i c s ， t he f o r mu l a s o f g r o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e ， h o ri z o n t al dis p l a c e me nt ， i n c l i n a t i o n， h o r i zo n t al s t r a i n a n d c u r v a t u r e a r e d e d u c e d． An d t h e g r o u n d s u r f a c e mo v e me nt a n d d e fo r ma t i o n a n d t h e i n s t a b i l i t y o f n a t u r a l s lop e d u e to u n d e r g r o u n d mi n i n g o f t h e p h o s p h o r u s o r e i n Li u s ha n ． g o u m ine i n mo u n t a i n a r e a i s c alc u la t e d a n d a n a l y z e d． A n e n g i n e e r i n g e x a mp l e s h o ws t h a t t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t s t a l l y we l l wi t h t he m e a s u r i n g r e s u l t s ． Ke y wo r d s u n d e r g r o u n d min in g ；p h o s p h o r u s o r e ； r ock ma s s d i s - p l a c e me n t a n d d e f o r m a t i o n； i n s t a b i l i t y of n a t u r a l s l o p e；f u z z y m e fl SI 1 rPS． 3 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆