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采场暴露空间安全性分析法的研究与应用

文档作者：孙铭杨德全宦秉炼周国庆文档来源： 1．首都医科大学 2．云锡松矿 3．昆明理工大学		点击数：	更新时间： 2022年11月28日
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第16卷第7期
2007年7月
中 国 矿 业
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．16。No．7
July 2007
采场暴露空间安全性分析法的研究与应用
孙 铭 ，杨德全 ，宦秉炼。，周国庆
(1．首都医科大学，北京100069；2．云锡松矿，云南个旧661421；
3．昆明理工大学，云南昆明650093)
摘要：本文利用Burgers—Coulomb模型，对采空区岩体逐渐破坏的机理进行了分析研究。在此基
础上，推导并建立了采场安全评价的一种新方法一采空区安全性分析法，并将该方法应用于云锡松矿芦
塘坝10—6矿体开采的安全评价，收到了良好的效果。
关键词：伯格斯一库伦模型；岩体冒落；开采安全性
中图分类号：TD325 ．3 文献标识码：A 文章编号：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 岩体破坏的时效性
在采矿工程中，地下开采活动形成的采空区，
将改变岩体中的原始应力状态，在空区上部的岩体
中形成应力拱，原来空区内的岩体所承受的应力已
转移到周围岩体上，形成应力集中。如果产生的应
力集中不超过岩体的强度，则整个开采结构系统形
成暂时的平衡。如果采空区不予支护，对于采场，
在大多数情况下，这种平衡将持续一定的时间，之
后就可能发生冒落现象，其规模和间隔时间是各不
相同的，取决于岩体的物理化学性质及节理、裂
隙、断层、弱面等的数量及空间分布形态。暴露的
岩体从暂时的平衡状态到开始破坏冒落，一般都要
经过一段时间，尽管这个时间长度变化很大，可以
从几秒钟到数十年或更久。
目前开采设计中，在分析岩体稳固性时，一般
只考虑岩石的坚固性系数，它是以岩石的单轴抗压
强度除以100来表示，有时还兼顾一下岩石的硬度
及弱面情况，这一方面，模糊数学中的聚类分析理
收稿日期：2007—04—28
论可得到充分的利用。但设计中一个重要的因素常
常被忽视，这就是岩体稳定性的时间因素。
显然，在开采设计和生产中，岩体的稳固性评
估理应考虑时间因素，如果说采空区周围的岩体是
稳固的，那么这只是相对的，即在一定时间范围内
是稳固的，超过一定时间，岩体就可能逐渐发生冒
落现象。发生冒落的时间分布及冒落量取决于许多
因素，包括岩石的性质、空区的面积、节理裂隙的
分布、空区的形状等因素。
在同一个矿山，采区附近的不同区段，上述诸
因素都比较相似。因此，我们可以通过对矿山开采
后所形成的空区的地压活动规律的研究，来预测现
在开采工作面的安全情况。
2 岩体破坏的时效性产生的机理
在空区顶板或边帮的岩体中，从宏观及微观的
角度，都存在很多弱面和结构面，他们一般是纵横
交错的结构，形成的原因很多，主要包括原生的结
构缺陷以及在空硐开挖过程中因凿岩、爆破等因素
而产生。因此，空区周围的岩体可看成许多大大小
小的岩块搭接而成。
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第7期 孙铭等：采场暴露空间安全性分析法的研究与应用 99
开采过程中刚形成的空区，在爆破震动的作用
下，一些不稳的、悬浮的岩体，很快地随着爆破的
结束而掉落，使所形成的空间达到暂时的平衡和稳
定。也可理解为空区周围搭接结构达到暂时的平
衡。
从实践中，我们知道，在应力的作用下，空区
岩体经过一些时间后会逐渐发生变形，变形使一些
岩体中的一些隙缝逐渐加大，围岩中岩块的相互搭
接的夹制作用就会发生变化，这种变化达到一定程
度后，就会发生岩块的冒落和掉块，并最终达到新
的平衡，再进入第二轮量变到破坏的过程。造成空
区岩体变形的因素有很多，其中有两个因素起主要
作用。
2．1 岩体的塑性变形过程分析
人们在生产实践及力学试验中知道，岩石一般
都具有弹性和塑性，尽管不同的岩石显示两种行为
的程度可能大相径庭。经分析研究，我们认为可用
伯格斯(Burgers)一库伦(Coulonb)模型来综合
模拟岩石的性质，如图1所示。
图1 岩体受力行为模拟模型
岩体的破坏规律可通过研究该模型的行为得
到。如果岩石中的应力 超过了岩石的强度S，则
岩体立即发生破坏，这可由模型中的的库伦体
(Coulomb)模拟。库伦体模型为一种理想的塑性
体，模型中为一摩擦片。如果 。
l厂( )一0 0
(18)
式中』9称为形状参数，7称为尺度参数。它们与采
场结构和尺寸有关，可以由矿山已采暴露空区的有
关统计数据，按下式求得。
一Σ ／n一矿(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)为一批统计数据，即
一批采场空区从形成暂时稳定的状态到发生冒落的
时间。
采场在其生产期间T的安全性系数S Eo，T3
可用下式来计算，
s[o，T3— 1一P(0≤ t≤ T)一1一I f( )dt
(20)
式中，P (0≤t≤T)表示采场在其生产期T内发
生冒落的概率。
4 采场生产期安全性评价分析方法的应用
云锡松矿芦塘坝10—6矿体拟试验采用护顶房
柱采矿法，下面应用上述方法对该矿段采矿方法的
安全性进行分析。
对现场采空区的暴露顶板进行的调查及统计表
明，该矿多数空区冒落都是逐步的掉块、片帮，少
有大规模的地压现象。掉块岩石多属5～8m 间的
矿化岩块，到直接老顶后，一般出现光滑的层面，
此层没有发现掉块或冒落的现象。对相邻四个采场
空区顶板的记录调查显示，它们虽然是用有底部结
构的采矿法，但暴露空间与试验方案的暴露空间在
形态和尺寸上基本一致。对四个采场开采后，首次
发生较大危害性冒落的时间分别为8、12、8．6、
13．5个月。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
根据对新方案的开采设计，采场采用“三强”
(下转第104页)
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1O4 中国矿业 第16卷
用声波检测得到的波速等声波特性参数与实验室岩
芯试件的力学参数之间的相关关系，可分析巷道围
岩注浆前后的内部结构特征，塑性区和应力场的变
化 ，以检验一次、二次注浆加固效果。经声波测
试，注浆加固后围岩声速均高于非注浆段，声速提
高68％ ，这一结果表明，注浆后围岩的强度、孔
隙比等物理力学参数， 比注浆前得到了很大改善。
注浆后围岩力学性能检测结果。注浆加固前，
岩芯裂隙较发育，裂隙纹络清晰可见，岩芯往往从
贯穿或切割岩芯横断面的裂隙处断开，取芯率较
低，只有15％ ；注浆加固后，岩芯裂隙被灰色结
石充填，从岩芯横断面上可以看出，具有裂隙的岩
芯横断面大部分被水泥浆所覆盖，注浆加固后的围
岩取芯率高达65％ 。力学性质，注浆加固后，巷
道围岩不同深处的物理力学性质得到不同程度的改
善。单轴抗压强度由20MPa增加到60MPa；抗拉
强度1．8MPa增加到2．6MPa；围岩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。围岩抗剪强度由10 MPa提高到25 MPa
以上。参照《工程岩体质量标准》，注浆加固前为
节理化软岩，注浆加固后提高到中硬岩，易支护。
巷道注浆后，岩体分类由工程V级极软岩改性为Ⅲ
级中硬岩。注浆加固后，能够保证巷道的长期稳
定，不发生破坏和突水现象。
4 结论
(1)根据有效应力原理，分析了突水区域巷
道围岩的本构关系，为巷道防突水抗压岩柱的留置
和参数的确定，为加固后巷道不发生突水和长期稳
定提供了理论依据。
(2)根据试验研究，提出了巷道掘进中围岩
预注浆防突水控制方案。实践中，对止水岩柱厚
度、布孔、注浆参数、工艺等进行了理论分析和试
验，经堵水率、声波检测、岩芯、围岩力学参数等
对比分析表明，围岩预注浆控制方案，具有技术上
可行性、经济上合理性、安全可靠等特点，具有重
要工程意义。
(3)提出在动水压力作用下巷道预注浆堵水
时，布孔参数的计算方法，为类似工程设计提供参
考。 1
参考文献
(13 杨 坪，彭振斌，李奋强．巷道注浆加固作用机理及计算模
型研究[J]．矿冶工程，2005，(1)：4—6．
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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页) 生冒落的概率，安全性大大提高；
开采，开采周期为130d，即T=4．33个月。代入
上式可解得：
S [O，4．33]一98．77 oA，
5 结论
上述研究表明：运用采场生产期安全性评价分
析法，对云锡松矿芦塘坝10—6矿体拟试验采用护
顶房柱采矿法的安全性进行分析，在采空区不采取
支护的情况下，采用“三强” 开采，在开采周期内
结束整个回采作业，其生产的安全可靠性为
98．77％ ，也即在生产期发生冒落事故的概率仅为
1．23％ ，这是一个小概率事件，我们可认为试验方
案的安全性是很高的。
在生产生产中，为了进一步提高采矿生产的安
全性，下述措施也是行之有效的。
(1)对顶板采用锚杆支护，可进一步降低发
(2)采用中深孔落矿，也是提高采矿安全性
的有效措施之一；
(3)加强对岩体的声发射监测，可以对采空
区地压活动进行控制，从而进一步提高安全性。
总之，采场生产期安全性评价分析法，经过对
生产性矿山的实际应用，证实采用该方法指导采场
的安全评估是很有效的。 1
参考文献
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