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东北大学工程硕士学位论文 板石矿业公司上青矿区岩移规律与地压对策研究 摘要 板石矿业公司上青矿区6 4 0 m 水平以下为深部开采。根据采矿设计，当开采 到2 0 0 m 水平，沿矿体倾向方向的移动角为6 5 。，然而根据岩移位置推算，6 0 0 m 以上矿体实际称移动角仅为5 7 0 。如果照实际移动角推算，开采到4 0 0 m 水平时， 西风井和原设计倒段西风井也将在位移范围内，其稳定性受到威胁。这给生产提 出了一系列必须解决的问题，例如，岩移是否威胁西风井的安全? 6 4 0 m 水平倒 段西风井的并位如何确定? 因此，结合上板石矿业公司青矿区西端的具体工程问 题，开展矿区岩移规律和与地压对策研究，探讨其岩移规律，提出切实可行地压 对策措施，对矿区持续安全生产意义重大。 本文对涉及西端岩移和西风井安全的6 号矿组的矿山工程地质进行调查、采 用多种方法分析了板石矿业公司上青矿区无底柱崩落法开采引起的上覆岩层的 移动规律、建立矿区地表岩移观测网实施长期观测，得出了上青矿区西端上覆岩 层移动受地质构造控制、开采到2 0 0 m 水平后西风井和倒段西风井仍然处于稳定 状态。 关键词：地下采矿岩移地压移动角 - - i - - 东北大学工程硕士学位论文 s t u d yo nt h eg r o u n dm o v e m e n tr e g u l a r i t ya n d g r o u n dp r e s s u r ec o u n t e r m e a s u r e i ns h a n g q i n gm i n i n gf i e l do fb a n s h im i n i n gc o a b s t r a c t s h a n g q i n g m i n i n gf i e l do f b a n s h im i n i n gc o b e l o n g st ot h ed e e pm i n i n gb e l o w t h e6 4 0 mh o r i z o n a c c o r d i n gt ot h em i n i n gd e s i g n , w h e nt h em i n i n gh o r i z o ni s2 0 0 m ， t h es u b s i d e n c ea n g l ei s6 5 。a l o n gt h ev e r g e n c ed i r e c t i o no fo r e - b o d y , b u tt h ea c t u a l s u b s i d e n c ea n g l ei s6 5 。b a s e do nt h ec a l c u l a t i o no f 目o u n dm o v e m e n t i f w ec a l c u l a t e t h ed i s p l a c c m e ma r e aa c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls u b s i d e n c ea n g i e ，t h es t a b i l i t yo fw e s t w i n ds h a f ta n du p e n dw e s tw i n ds h a f 【w i l lb et h r e a t e n e d s o i th a sp u tf o r w a r da s e r i e so f q u e s t i o n st h a tm u s tb er e s o l v e d f o re x a m p l e ，c a nt h eg r o u n dm o v e m e n t t h r e a t e nt h es t a b i l i t yo fw e s tw i n ds h a f t ? h o wt om a k es u r eo ft h el o c a t i o no fu p e n d w e s tw i n ds h a f ta tt h e6 4 0 mh o r i z o n ? s o c o m b i n i n gw i t ht h em a t e r i a le n g i n e e r i n g p r o b l e mo fs h a n g q i n gm i n i n gf i e l d , t h ep a p e rc a ：i t i e st h r o u g ht h es t u d yo fg r o u n d m o v e m e n tr e g u l a r i t ya n dg r o u n dp r e s s u r ec o u n t e r m e a s u r ei ns h a n g q i n gm i n i n gf i e l d o fb a n s h im i n i n gc o ，d i s c u s s e si t sg r o u n dm o v e m e n tr e g u l a r i t ya n db r i n g sf o r w a r d p r a c t i c a b l ea n de f f e c t i v eg r o u n dp r e s s u r ec o u n t e r m e a s u r e i th a st h eg r e a tv a l u ef o r t h ec o n t i n u a n c es a f e t yi np r 0 删o n o f s h a n g q i n gm i n i n gf i e l d i nt h i sp a p e tt h em i n e e n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o no fs i x t ho r e - b o d y , w h i c h i n v o l v e st h eg r o u n dm o v e m e n to fw e s te n da n dt h es a f e t yo fw e s t 谢n ds h a f t i s s u r v e y e d ，t h eg r o u n dm o v e m e n tr e g u l a r i t yo fo v e r l y i n gr o c ks l r a t u m ，w h i c hi s b r o u g h tb yt h es u b l e v e lc a v i n gw i t h o u tp i l l a r si ns h a n g q i n gm i n i n gf i e l do fb a n s h i m i n i n gc o ，i sa n a l y z e dw i t hm a n ym e t h o d s ，t h eo b s e r v a t i o nn e t ，w h i c hi sb eu s e df o r t h eg r o u n dm o v e m e n to b s e r v a t i o n ，i se s t a b l i s h e d , a n dt h e g r o u n dm o v e m e n t o b s e r v a t i o ni sb m u g h ti n t oe f f e c tl o n gt e r m i nt h ee n d ，i td r a w st h ec o n c l u s i o nt h a t t h eg r o u n dm o v e n r l e n to fs h a n g q i n gm i n i n gf i e l di sc o n t r o l l e d b yt h eg e o l o 舀c s t r u c t u r e ，a n dt h es t a b i l i t yc o n d i t i o no f w e s tw i n ds h a f ta n du p e n dw e s tw i n ds h a r w i i lb ek e p tu n t i lt h e2 0 0 mh o r i z o n k e y w o r d s ： u n d c r g r o u n dm i n i n gg r o u n dm o v e m e n tg r o u n dp r e s s u r e s u b s i d e n c ea n g l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 | 。、， 学位论文作者签名：枸歹吾 日 期：c 1 。vs 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：物琴 日 期：c 2 r 川f 莎，7 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名：音为蠢 签字日期：j 譬、b i 导师签名： 签字日期： 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 2 0 世纪6 0 年代，我国从瑞典引入无底柱分段崩落采矿法。因其具有回采工作 安全、结构工艺标准简单、机械化程度高、采准工作量小、回采强度大和出矿效 率高等突出优点，在我国金属矿山( 特别是大储量、厚矿体、不很贵重的铁矿) 开采中得到广泛应用。为使这一采矿方法更好地适合我国国情，提高采矿强度、 降低生产成本、减少损失贫化，科研人员开展了一系列研究工作。目前，这一方 法正逐步成为铁矿开采的主要方法，占了矿石产量的8 0 。无底柱分段崩落采矿 法在进路中凿岩、爆破和出矿，相对于空场法采矿方法而言，对矿石的稳固性要 求要低些。但在地压大、矿石稳定性差的条件下，无底柱分段崩落采矿法应用仍 较困难。 由于原先对无底柱分段崩落法适应条件及相关配套措施要求的准备不足，随 着开采深度的加深，开采范围的加大，相继出现了各式各样的岩体移动和地表塌 陷。岩移区域或小而集中、或大而扩展，岩移或随采矿活动立即发生、或滞后数 年才显现。岩移不仅会影响矿山的安全生产，而且还会危害建筑物、构筑物、各 类公路铁路管线等的正常使用。更为严重的是，许多矿山的地表塌陷超过设计范 围，给矿山带来了一系列意想不到的问题。 由于受复杂的地层结构、多变的采场边界条件以及众多的采矿因素影响，围 岩的变形破坏形式和变形破坏机理呈多样化趋势。尽管国内金属矿山对岩移规律 的研究进行了很多年，但仍是采矿界探索研究中的难题。 1 2 研究状况及新进展 i 2 1 国外研究状况 十九世纪初，就己经有阐明从采场顶板岩层直到地表的移动理论初步尝试。 多里斯及哥诺【l 】在研究岩层塌陷的问题时，发表了一种观点，后来发展为“法线规 则”的“多里斯一哥诺理论”。将顶板岩层作用力分解成二个分力，项板的运动只在 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 法线力p l 影响下产生，因此彳导到采空区上部、下部边界旁的断裂面的方向是相同 的，断裂发生在边界正上方上下两个方向，角度为9 0 4 - 0 f 。d 为矿体倾角。斯巴列 在描述岩层移动时，首次提出了岩层弯曲断裂的概念。假定移动是由于岩层在危 险断面内的断裂引起的，断裂断面内弯矩最大，并认为岩层是一个两端固定的梁， 并给出了岩层断裂( 梁) 方式。“高斯理论”在描述岩层移动时，认为在采空区上方 直接形成了综合移动带一塌落和弯曲，而往上是纯弯曲带，并确定塌落带高度为 3 0 6 0 m ( m 为开采高度) 。 本世纪5 0 年代，前苏联c r 阿威尔辛等认为在没有岩层破坏的状态中，上覆 岩层几近子弹性状态。在回采工作的影响下，岩层变形，弹性状态发生破坏，岩 石发生移动，岩层处于塑性移动过程，介质为塑性介质。 文献【2 】对原联邦德国矿山开采时采动危害进行了专门的分析。其中，在对水 平矿体开采时采动岩体垂直变形进行研究后，文献认为，采空区上方存在垂直方 向拉伸变形带，外侧则为压缩带。如果有坚硬抗弯岩石覆盖于软岩之上，或者沿 层面处容易分层的话，在凸曲率过渡到凹曲率的地方，即在采区边界上方曲线拐 点处可能发生的几毫米离层，随后离层消失。在中间带的坚硬岩层中发生相互错 动达5 0 c m 。在对岩体水平移动和变形进一步分析基础上，文献指出，考虑时间因 素的影响，从开始回采到岩移过程完全停止，在岩体变形范围内，由于矿产采出 和采出空间的收缩，不断发生静力平衡的破坏，覆岩拉伸和压缩区的轮廓时刻在 变化，各点的变形也在增大或减小。在对岩体移动的计算时，认为岩层移动产生 并开始于开采水平上，这里所发生的直接顶的下沉是计算上覆岩层下沉的起始数 据。下沉之前和下沉之后的直接顶板面所包含的体积应相当于任意顶板岩层的沉 陷盆地的体积，但应顾及由于顶板岩石的碎胀性及岩层的弹性卸载扩张与弯曲压 缩之差引起的体积减小。直接顶和老项向采空区的下沉可以简化地看作平板或梁 的弹性弯曲，或把岩层看作非连续松散介质中颗粒位移，或者看作是开尔文漉变 模型所描述的介质中物质的流变过程。在处理岩移计算时，采用积分网格法，分 别将岩体看作弹性介质的方法、将岩体看作非弹性介质方法、将岩体看作随机介 质的方法及将岩体看成由有限单元组成的介质等方法进行分析计算。 东北大学i 程硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内研究状况 新中国成立后，我国对受开采影响，岩层移动的研究进入了实用研究阶段。 按照研究目标的不同分为两种思路。 ( 1 ) 围绕采动覆岩裂隙带形成结构及对采矿工程的影响开展采场顶板控制 研究 采用现场实测( 井下深孔或地面深孔基点的方法) 研究了采场顶板的冒落、 垮落范围，提出了一些定性定量的概念和方法。对采场地压显现有明显影响的老 顶范围和岩移规律更有定量而深刻的认识。 一种观点是由山东科技大学宋振骐院士等【4 j 提出的“老顶传递岩梁”学说， 也称之为“以上覆岩层运动为中心”的矿压理论。依据顶板岩层的冒落特性和传 递力的差异，将顶板划分为采后及时冒落且在推进方向上不能永久传递力的直接 顶：以及在采场附近不能冒落，破断后岩块呈某种平衡结构，该结构能永久地传 递水平力的传递岩梁即老顶。研究表明，直接顶和老顶的重力是工作面支护的力 源，且两者的厚度仅为工作面采高的7 - 8 倍以下。对老项断裂采用“粱”的分析 方法，对断裂后的岩块采用“二块铰结”力学模型分析。“二块铰结岩块”形成 老顶基本结构，分析了该结构的演化对工作面矿压显现的影响，并提出了“老顶 结构”可以预测的思想，为指导生产实践尤其是采场来压预报提供了有力的武器。 随后，姜福兴等 5 1 进一步拓宽了“老顶结构”的可能形式，其中“梁”、“拱 梁”、“类拱”，三种老顶基本结构形式的提出为采场顶板控制设计专家系统的知 识推理提供了多样性的模型，并能反映老顶岩层组成的力学特性及不同条件下老 顶结构的复杂性。 另一种观点是由中国矿大钱鸣高院士等1 6 】通过实测研究提出的“砌体梁”的 力学模型。“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性及结构平衡 的条件。 随后，我国年轻学者又在坚硬顶板采煤工作面引进了岩板理论m ，即用固支 或简支弹性板以及弹性基础上的薄扳模型，研究顶板初断步距与厚度之比大于 5 - 8 倍的坚硬顶板的破断规律。 ( 2 ) 围绕覆岩运动变形特征差异，提出了将采场至地表的覆岩分带，并研 究覆岩带对水体下开采和地表变形的影响 究覆岩带对水体下开采和地表变形的影响 - - 3 - - 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 根据岩层变形和破坏特征将开采后覆岩分为三带，即传统意义上的冒落带、 裂缝带和弯曲带。对离采场较近的导水裂隙带形态及力学特征进行的总体描斟8 】 如下。 冒落带是指长壁工作面回柱或移架后引起的煤层直接顶板垮落的岩块堆。冒 落带内岩块的破坏状况有下列特点：不规则性； 碎胀性；密实性。 冒落带以上为裂缝带。一般发生垂直或近于垂直层面的裂隙，即断裂( 岩层 全部断开) 和开裂( 岩层不全部断开) 。岩层断裂和开裂的发生与否及断开程度， 除取决于岩层所承受的变形性质和大小外，还与岩性、层厚及其空闾位置有密切 关系：裂缝带的岩层具有明显的分带性，根据岩层的断裂、开裂及离层的发育程 度和导水能力，裂缝带在垂直剖面上可以分为严重开裂、一般开裂和微小开裂三 个部分。该三部分透水能力虽然不同，但都不能透砂。裂缝带内岩层裂缝间的连 通性受变形状态的影响。在静态变形状态下，下沉盆地内边缘不均匀下沉区岩层 上、下部中的垂直裂缝与离层裂缝往往是彼此连通的，连通区的范围也大一些； 下沉盐地中央均匀下沉区岩层上下部中的垂直裂缝与离层裂隙则是不连通的，连 通区的范围也小一些。在动态变形状态下，情况则完全相反。 弯曲带是指自裂缝带顶界到地表的整个岩系。该带如以坚硬、中硬和坚硬、 中硬、软弱岩层相间为主时，可能会表现为由下而上地层的弯曲变形；如以软弱 岩层为主时，则可能表现为整体的断裂变形，断裂面为压密型断裂面。不管是那 一种变形类型，带内岩层基本上处于水平双向受压缩状态，因而其密实性及塑性 变形的能力得到提高，带内岩层一般情况下具有较好的隔水能力，成为水体下采 煤的良好保护层。 随着研究的深入，山东科技大学高延法教授 9 】拓展了传统的三带观念，提出 了岩移四带划分，对第四纪岩层的作用、特征及对岩移的影响作了对比计算分析， 得出了四带划分的必要性。 1 2 3 岩层运动和破坏研究新进展 近年来，由于人们面临的岩层工程控制新任务日益扩展，围绕着上覆岩层移 动和破坏规律研究有了许多新的进展。 ( 1 ) 离层作为重要的覆岩破坏移动形式被提到了突出的地位 覆岩离层带的工程控制特性的发现，导致了对离层带研究的热潮。从设想到 - - - 4 - - 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 现场实践这一过程，我国进行了2 0 多年的研究。 二十世纪8 0 年代齐东洪、范学理等 1 0 】在抚顺矿区成功地从地面通过钻孔向覆 岩内离层带注粉煤灰，有效地控制了地表沉陷，减降效果达6 0 以上。大屯矿区【i l 】 对离层带高压注浆也进行了相应的实践并取得了一定的成果。 在机理方面，张玉卓等 1 2 对长壁工作面离层产生的条件进行了研究，认为煤 层上岩层力学性质差异很大时，开采后在垂直方向的运动呈空间不连续性即离层； 应用相似模拟和数值分析方法研究得到，当两岩层的坚固性系数差超过2 ，且下软 上硬时，在长壁开采充分度超过0 7 后，层间脱开；离层是一个动态力学行为，经 过了起裂、扩展、达到最大值之后上覆岩层发生断裂，或挠曲增大使离层减小。 郭惟嘉、刘立民等【1 3 】对采动后覆岩离层确定方法及离层规律进行了研究：将 层状岩体视为各向同性材料，采用傅立叶积分变换得出了水平煤层开采覆岩离层 的解析表述式；同时，采用动态模型识别和参数识别方法，相似材料模拟方法， 并结合部分实测资料，对采动后离层的动态发育规律进行了探讨。 吴立新、王金庄等“4 1 分别对这一课题的不同方面进行了研究。邓喀中【1 5 】【1 6 】【1 7 1 对层面滑移特征进行了系统的研究，并基于弹性梁、板理论，推导出了复合岩体 二维、三维条件下，层面滑移函数、滑移面判别式。张向东口8 】采用相似材料模拟 实验，得到了初次、二次采动离层的发展高度( h ) 与工作面推进步距( d ) 的关 系曲线，表明离层的发展高度是随着工作面推进不断向上、向前发展的，并能最 终稳定在一定高度：得到了最大离层值( s ) 与步距( d ) 的关系：最大离层值位置 位于采场后方，在非充分采动条件下，s d 呈线性关系；采用覆岩托板控制理论， 分析了考虑岩层厚度和弹模、跨度和组合结构判别方法、离层位置的判断，并将 覆岩中的控制岩层视为粘弹性梁，采用j 体模型，从流变力学的观点，研究岩梁弯 曲的时间过程以及离层发生与发展的对空过程。在对单个控制岩层进行粘弹性分 析后，将每个组合结构( 含一个控制梁) 视为相对独立的运动单元，得到各控制 岩层下沉量的计算方式，根据相邻控制岩层的下沉量差值计算得到两控制岩层间 的离层裂缝的宽度计算公式。计算表明，离层裂隙的宽度是一个时空方程。 ( 2 ) 控制岩层运动破坏的覆岩结构研究被提到了新的高度 覆岩结构始于巷道冒落拱，在顶板( 岩层) 控制中的作用尤其在采场矿压控 制中得到广泛深入的研究并取得了实用效果，人们一直在试图将这一概念推广到 一5 一 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 整个覆岩层的控制理论和实践中，近几年成为采矿工作者探索的热点。 提出了岩体和地表变形的地层结构论 研究【1 9 l 表明，采动岩体和地表变形与地层的结构有密切联系。地层结构论的 实质，是对地层的地质、岩性、层次、水文地质及力学结构等进行科学分类，并 解释它们各自与采动影响机理的内在联系，进一步分析在多种复杂采矿条件下岩 体和地表变形预计问题，使其有可能由过去的定性解释上升为定量、半定量解释。 其中地质结构主要是松散结构及松散层一基岩结构；岩性结构主要是极软弱、软 弱、中硬、坚硬及极坚硬结构；层次结构主要是薄层结构及厚层结构；水文地质 结构主要是单一、复合、封闭半封闭、覆盖结构；力学结构主要指坚硬一坚硬： 软弱一软弱、坚硬一软弱、软弱一坚硬结构等。 岩层控制中的关键层理论研究 在地层中，由于成岩时间和矿物成分不同使各岩层的力学特性方面存在不同 程度的差别。而其中一些较为坚硬的覆岩层在采场上覆岩体的变形和破坏中起着 主导控制作用，它们以某种力学结构( 板或筒化为梁等) 形式支承上部岩体的压 力，而它们破断后形成的结构形式( 如砌体梁) 又直接影响着采场矿压显现和岩 层移动。在现实中，他们发现由于各坚硬岩层的特征不一，并不是每一层坚硬岩 层对采场上覆岩层的运动起决定作用，有时仅为一层或凡层。因此，把这种在岩 层活动中起主要控制作用的坚硬岩层称为关键层【2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 ，并提出了关键层的 5 个特征，即几何特征( i g 度大) 、岩性特征( 弹模大、强度高) 、变形特征( 上层 全体或局部与其同步协调) 、破断特征( 该层破断导致全部或局部岩层的破断、引 起大范围内岩层运动) 、支承特性( 破坏前是承载主体、破断后可能形成砌体梁继 续成为承载主体) ：并对关键层的受力、判别进行了分析；研究者还借此对岩层离 层进行了分析并认为工作面初次采动后，采场上覆岩层中关键层未破断前，将以 弹性地基板或梁的结构形式产生挠曲下沉变形，此时关键层下部将产生不协调性 连续变形即离层，离层的大小取决于破断岩层的松散系数和采高。 覆岩组合运动规律及组合结构分析取得了新进展 覆岩组合结构( 传递岩梁) 研究2 5 1 1 2 6 1 从三个方面取得了新进展。离层产生和 迅速扩展是组合结构形成和破坏的条件，因此在预测覆岩各个组合结构的形成和 判断来压步距时，必须把离层位置的确定和离层迅速扩展的条件放在首要地位； 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 岩层端部断裂破坏的形式对组合结构的形成、破坏和失稳条件有重要影响。判断 相邻岩层是否同时运动时，按挠度分析法得到的岩层厚度对挠度的影响主导地位 ( 4 次方) 有可能削弱，在岩层端部先行剪切破坏时，有可能迫使下位岩层同时运 动。因此在深部开采条件下讨论组合结构形成条件时，不能只注意厚度差别，相 反应当把岩性硬度( 弹模e ) 放在重要地位；在预测采场直接顶厚度时，必须注意 结构失稳条件的重大区别。当结构弯沉开铰失稳时，由岩层厚度等决定的允许沉 降值和采高大小及其祸合关系将起决定作用。相反，结构有剪切塌垮失稳可能时， 冒落岩层厚度将不受采高限止，直接顶由能同时运动的结构厚度所决定。 1 3 研究目的和意义 通钢板石矿业公司上青矿区经过历年的建设，己形成年产1 1 0 万t 的生产规模。 自进入6 4 0 m 深部开采以来，地表先后出现裂缝和岩移现象，井下采场与巷道的地 压活动不断加剧。根据采矿设计，2 0 0 m 水平以上沿矿体倾向方向的陷落角为6 5 0 ， 丽根据现场的岩移位置推算，6 0 0 m 以上矿体倾向方向的实际陷落角仅为5 7 0 。如 果以上盘矿体倾向方向的实际陷落角5 7 0 推算，则开采到4 0 0 m 水平时，西风井和 原设计倒段西风井将在位移范围内，其稳定性受到威胁。这给生产提出了一系列 必须解决的问题。例如，岩移是否威胁西风井的安全? 6 4 0 m 水平倒段西风井的井 位如何确定? 对岩移与地压问题应采取哪些对策? 因此，开展通钢板石矿业公司上青矿区无底柱分段崩落采矿法上覆岩层移动 规律与采场地压对策的研究，确定随着采深增大的崩落角、移动角，圈定崩落带、 移动带的范围，提出合理的地压对策措施，对保证矿山持续安全生产、节约矿山 采矿成本具有重要的意义。 1 4 本文主要研究内容 由于受复杂的地层结构、多变的采场边界条件以及众多的采矿因素影响，围 岩的变形破坏存在连续和非连续多种变形破坏形式、拉压及剪切多种变形破坏机 理、潜在空区形状大小各异、且随空间和时间动态地变化，因此，在进行岩移规 律的研究时应充分考虑矿山复杂的介质特性和多变的采矿环境。 研究和工程实践表明，影响岩体移动的主要因素有： ( 1 ) 矿体的几何参数，包括倾向、倾角、厚度及其分布状态； 7 _ 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 围岩和矿体的物理力学性质，如容量、岩体强度、变形模量、松散系数 和裂隙率等； ( 3 ) 地质构造，主要是断层和节理； ( 4 ) 地表地形； ( 5 ) 采空区端部的三维效应。 本文结合板石矿业公司上青矿区具体工程问题，在综合考虑上述影响因素的 基础上，开展板石矿业公司上青矿区无底柱分段崩落采矿法上覆岩层移动规律及 地压对策研究。基本思路为： ( 1 ) 对矿山工程地质条件、岩石的物理力学性质进行研究，鉴定主要岩体的 地质特征和地质力学性质，为进一步的研究工作提供基础资料； ( 2 ) 据矿山工程地质特征和主要岩体的地质力学性质，提出岩体移动力学模 型； ( 3 ) 选择分析方法，进行岩体移动角及移动规律预分析，预测典型的勘探剖 面不同开采阶段的移动范围和发展趋势并提出相应的地压对策方案； ( 4 ) 在矿区布置地表观测网，监测矿山地表岩移状态，并依据监测数据识别 岩体反应的主要模型，完善矿山岩移规律及地压对策研究。 一8 一 东北大学工程硕士学位论文第二章矿山工程地质 第二章矿山工程地质 2 1 地层 板石矿业公司上青矿区出露的地层2 7 1 有太古界鞍山群、元古界老岭群、元 古界震旦且采和第四系地层( 如表2 1 所示) ，其中，太古界鞍山群杨家店上段 第三层( a r a y 2 3 ) 为本区主要含矿层，是一含铁角闪质岩石组合，及灰黑色细 粒黑云角闪片岩与斜长角闪岩相互过渡，经混合岩化改造的地层。本层夹数层似 层状、透镜状的磁铁矿层，以赋存于角闪片岩中的矿体规模较大，局部有黑云斜 长片麻岩、黑云变粒岩及石英岩夹层。本地层分布于矿区中部，厚3 5 0 m 。 表2 1 上青矿区地层 t a b l e2 1t h er o c ks t r a t u mo f s h a n q i n gm i n i n gf i e l d 界 系级 分层 段岩性 厚度 新第 残积、坡积黄土、夹砾石、亚粘士、亚砂土 生四1 1 0 界 系 等。 震 钓鱼台组 由含海绿石、铁质石英砂岩及铁质角砾岩组 一 旦 3 7 8 - 6 4 5 兀 系 z d成，分部于矿区南部。 古 珍珠门组由炭质大理岩、白云质大理岩组成，夹磷灰 代老4 5 0 p h k 石胶磷矿矿层。 界 岭 群 达台山组 由浅变质的大理岩、千枚岩、片岩和板岩组 5 1 7 p h 【d成。分布于矿区南部。 第四层由黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩组成， 5 9 8 0 8 a r c 4 夹含磷斜长角闪岩及小透镜状磁铁矿体等。 太鞍杨家店组 第三层 主要含矿层，是一套含铁角闪质岩石的组合， 黑云角闪片岩与斜长角闪岩两者相互过渡， 3 5 0 古 山 上段 a 耐4 以含石榴石为特征，分布于矿区中部。 界 群 g r a y 2第二层由黑云斜长片麻岩、黑去角闪斜长片麻岩组 3 2 6 6 5 如a y 2 。成，其中夹细粒斜长角闪岩。 第一层 细中粒斜长角闪岩，局部夹少量黑云变粒岩 4 0 5 9 - - 4 3 0 m a y 2 “ 及低品级磷灰石矿层，分布在矿区北部。 东北大学工程硕士学位论文g - - 章矿山工程地质 2 2 矿组 板石矿业公司上青矿区深部开采范围由4 、5 、6 号矿组组成，东西长约 1 3 0 0 m ，南北宽约1 5 0 m ( 如图2 1 所示) 。涉及西端和西风井岩移的是6 号矿组。 6 号矿组分布在上青西沟东、西两山坡地段，9 线以东地段为北露天的一部分， 以西为7 0 0 2 坑内开采。矿组长1 2 3 0 m ，宽1 0 0 0 m ，由大小4 个矿体组成，总体 走向2 9 0 0 ，呈似层状，内部有夹层，边缘有分叉现象。由于受9 1 0 线间断层的 影响，使6 号矿组的倾向发生倒转，东部倾向北，西部倾向南，中部近于直立， 倾角一般为6 5 0 - 8 5 0 。围岩和夹层为角闪片岩、黑云角闪片岩、零星的伟晶岩、 混合岩和黑云斜长片麻岩等。生产勘探工作进一步证实，矿体形态不但在走向上 有所变化，而且在不同深度上也是不同的。y 3 8 6 2 和y 3 9 2 2 两剖面图上可以明显 看出这种变化。y 3 8 6 2 剖面图表明，6 0 0 米以上矿体南倾，6 0 0 m 以下矿体北倾。 y 3 9 2 2 剖面图表明，7 3 0 m 以上无矿体，6 0 0 7 3 0 m 矿体近于直立，6 0 0 m 以下矿 体南倾。 1 团 2 画 3 圈 4 回 5 固 葺。茅 r 艺乒 n 7 0 f 秽i f 2 0 6 。， 图2 1 上青矿区含矿地层及矿组分布 f i g 2 1t h ed i s t r i b u t i o no f m i n e - b e a r i n gs t r a t u ma n do r e - b o d i e so f s h a n q i n g m i n i n gf i e l d 1 矿体2 矿组及编号3 矿层产状4 含矿组5 断层及编号 2 3 地质构造 板石矿业公司上青矿区不仅发育着一系列裙皱构造，而且后期断裂构造也极 为复杂。对井巷工程和渐进崩落过程产生重大影响的是断裂构造。矿区构造包括 东北大学工程硕士学位论文 第二章矿山工程地质 东西向、南北向、北东向、北西向以及大量随机分布的小断层。对整体影响较大 的断层有f 1 0 2 、f 3 0 2 、f 2 阶f 2 0 4 - i 、f z 0 5 、f 2 0 6 、f 2 0 7 、f 4 0 s 、f 4 。6 断层。对矿区西端 渐近崩落和岩体位移以及西风井稳定性有直接影响的是f 1 0 2 、f 2 0 4 、f 2 悼1 、f 2 1 2 、 5 2 0 m - 一6 4 0 m 各水平新发现的多个近矿断层以及在6 4 0 m 水平西风井石门巷道中 的一系列小断层。 ( 1 ) f 1 0 2 断层位于7 号矿组南，1 2 1 5 线之间，走向2 8 5 。，倾向南，倾角 5 5 0 ，破碎带宽2 6 m ，由糜棱岩、碎裂岩等组成，该断层在6 0 0 、6 4 5 、6 6 0 各水 平均有出露。 ( 2 ) f 2 0 4 断层分布在1 0 1 3 线附近，倾向3 2 0 。，倾角6 5 8 0 0 ，延伸长约2 0 0 0 m ， 上盘向南东推移，下盘向北东推移，形成压扭性断层，将6 矿组与其西北部的7 矿组切断。 ( 3 ) f 2 伸l 断层分布在9 1 2 线，是f 2 0 4 断层的一个分枝，倾角8 0 9 0 。，延 伸长9 0 0 米，为混合伟品岩脉所充填，宽度1 7 m 斜截6 号矿组的部分矿体。由 于该断层分布在矿体中或近矿部位，在各采矿水平均有出露，所以对矿体中井巷 工程的稳定性影响较大。 ( 4 ) f 2 1 2 断层是在生产地质工作中新发现的断层，在6 5 0 5 8 0 m 各水平均有 出露，平均倾角7 0 。，该断层走向在1 2 线西附近发生转折，1 2 线及1 2 线以东走 向近东西，倾向北：1 2 线以西走向北东约4 5 0 0 断层破碎带宽1 5 m 比较破碎。 该断层1 2 线以东部分向上延伸和f 1 0 2 断层重合。 从f 2 0 4 小f 1 0 2 和f 2 1 2 三个断层的空间形态上分布看，三者在矿体西端组成了 最不利组合，使围岩极易沿f 2 1 2 断层滑动，岩移产生的地表裂缝中，其中有4 条 垂直于该断层的西部分枝，另一条裂缝垂直于f 2 。2 的东部分枝。 ( 5 ) 随机分布的一系列小断层在各个水平和地表均有出露，这些小断层数 量较多，一般的地质勘探网度无法控制。根据目前的资料，它们以北东向和北西 向两组为主，其中北东向的对西端岩移有局部影响。6 4 0 m 水平西风井石门巷道 中的断层分布了解得比较清楚，这些资料可以用于倒段西风井位置的确定。 2 4 矿岩物理力学性质指标 板石矿业公司上青矿区主要岩性为：由岩浆活动形成的岩脉，如闪长岩、辉 长闪长岩、辉长正比斑岩等；由变质作用形成的岩脉，如黑云斜长片麻岩、黑云 角闪片岩、斜长角闪岩等。矿床类型为鞍山式铁矿类型。根据东北大学资源与土 木工程学院岩石力学试验室提供的“板石矿业公司岩石物理力学性质试验报告”， 东北大学工程硕士学位论文 第二章矿山工程地质 可得矿区矿岩物理力学性质指标( 如表2 2 所示) 。 表2 2 上青矿区主要矿岩物理力学性质 t a b l e2 2t h ep h y s i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e ro f s h a n q i n g m i n i n gf i e l d 东北大学工程硕士学位论文第三章矿山岩移规律研究 第三章矿山岩移规律研究 3 1 “三带”理论 3 1 1 概述 采区上覆岩层移动规律的研究是地表保护措施以及环境治理工程的依据，其 特征取决于矿山工程地质状况和采矿因素综合影响2 8 1 ，如矿岩物理力学性质、 岩体构造、矿体的倾角、矿体的厚度、采矿方法、开采深度、采区大小、冲积层 厚度以及岩石含水性等因素。为了较为准确预计上覆岩层移动范围以及确定坑内 外构筑物的安全位置，人们先后提出不少理论来描述和预计岩移外围边界线形状 与岩移发展趋势。例如，线性理论、二等分线理论、拱形理论、棱形体理论、岩 移角理论和“三带”理论 2 9 1 等。其中，“三带”理论描述了采区上覆岩层沿纵深方向 移动发展状态，在我国应用广泛。 当采用崩落法回采倾斜矿体时，首先是最上一个中段或分段的采场上覆岩层 开始崩落，并以拱的形式向上冒落，待其到达地表后，构成一个楔形体；随着开 采深度的增加，楔形体逐渐下降，致使上盘围岩由于失去支撑而成棱柱体下滑； 在回采下降到一定深度后，棱柱体开始滑动，而且每个滑动棱柱体的斜长是不等 的，上部棱柱体比下部棱柱体下滑量大，故在地表形成台阶状下沉。随着回采工 作的不断推进以及开采深度的不断增加，在覆盖岩层中将形成三个不同的地带， 即：崩落带、移动带和边界带。 3 1 2 “三带”的特点 ( 1 ) 崩落带 崩落带位于矿体的上方。该带内岩层由于破碎而呈拱形冒落，并向上发展。 当冒落的破碎岩石体积与采出矿石体积相等时，冒落的破碎岩石起到支撑采区上 方未崩落覆盖岩层的作用，则冒落停止；或者，在冒落拱的下方虽有空隙，但空 区暴露面积不大，覆岩形成自然平衡拱，冒落亦可停止。 ( 2 ) 移动带 裂隙带位于崩落带的上方。该带内岩层由于下沉弯曲，变形量很大，使岩层 1 3 东北大学工程硕士学位论文第三章矿山岩移规律研究 沿层理裂开形成离层，并在拉应力作用下产生大量垂直于岩层的裂隙。带内岩体 由于大量裂隙的出现，使其失去了原有的整体性。例如，裂隙带与地下水系或地 面水系连通，则可以从这些裂隙向空区渗水，有时产生大量涌水，对井下生产造 成严重的威胁。 ( 3 ) 边界带 边界带位于移动带的上方。该带内岩层在重力下产生法向弯曲，呈整体移动。 该带内岩体一般不产生破裂，保持原有的整体性。由于破坏裂隙十分稀少，带内 不会形成渗水裂隙系，但当带内有构造断裂存在时，岩体将会沿构造断裂产生大 的岩移或错动，有可能使井巷工程或建筑物受到破坏。 3 1 3 “三带”的确定原则 关于三带的确定，我国煤矿山做了大量的研究，产生了一些经验公式，金属 矿山做的研究主要集中在崩落带和移动带的确定，国外在这方面也做了一些研 究，但没有区分三带，而是主要集中在对地表的影响等方面。目前，三带的划分 主要采用经验法、钻孔观测法、深孔深部基点法等。三带的产生是由于位移不连 续变化引起的，在各“带”的交界面上，位移将发生突变，这种突变现象可由“位 移梯度”来反映。因此，本文采用“位移梯度3 0 】 ，划分采空区上覆岩层的“三带”。 ( 1 ) 位移梯度”的概念 设，a 点的位移为： f ( x ，y ) = u ( x ，y ) i + v ( x ，y ) j( 3 1 ) 其中，u ( x ，y ) 、v ( x ，y ) 分别为x 和y 方向的位移分量。 在a 点u ( x ，y ) 的梯度为： g r a d u ( x ，y ) = 娑f + 譬- ( 3 2 ) o x o y 在a 点v ( x ，y ) 的梯度为： g r a d v ( x ，y ) = 娑f + 娑_ ，( 3 3 ) o x o y 则a 点的梯度为： g r a d f ( x , y ) ：g r a d u ( x , y ) + g r a d v ( x , y ) ：o ( u + v ) i + o ( u + v ) j ( 3 4 ) o y 可见，位移梯度为一个向量。 一1 4 _ 东北大学工程硕士学位论文第三章矿山岩移规律研究 ( 2 ) “三带判别准则 影响“三带”的因素较多，不仅与位移梯度的大小有关，而且还与岩体的破坏 形式、岩体与空区间的距离远近、空区形状、开采方法、地质条件等密切相关。 因此，要确定一个具体划分“三带”的标准是很困难的，不同的矿山和条件划分标 准不一样，必须根据现场的具体情况而定。 参考文献，本文根据岩体的破坏形式、位移梯度的大小和岩体与空区间的距 离远近不同，提出了以下的划分标准3 1 1 ( 如表3 1 所示) 。 表3 1 “三带”划分标准 t a b l e 3 1t h ep a r t i t i o ns t a n d a r d so f t h r o ob a n d 破坏形式位移梯度值 岩体与空区距离三带划分 远离小变形区 ：s t o m m m 接近 边界带 远离 剪切滑移 1 0 1 0 0 m m m 接近 移动带 1 0 0 , - - 3 0 0 m m m 苫0 0 m m m 崩落带 茑m m m 小变形区 3 8 i r a n m 边界带 远离 8 5 0 m m m 非剪切滑移接近 5 口也0 0 m m m移动带 远离 翌0 0 m m m 接近崩落带 3 2 上盘岩体渐近崩落分析 3 2 1 概述 ， 在地下采矿过程中，矿石被采出后岩体内形成了采空区，在上覆岩层的作用 下，上盘岩体和下盘岩体逐渐发生变形、移动和崩落，并且向上扩展，当采空区 达到一定范围后，这种过程会发展到地表，引起地表下沉。地表下沉可分为连续 东北大学工程硕士学位论文第三章矿山岩移规律研究 下沉和非连续下沉两种类型。连续下沉将形成一个没有明显阶梯状变化的平缓盆 地。水平或缓倾斜矿体采用长壁采矿法，在围岩比较软弱的条件下通常发生这种 下沉。不连续下沉是指在一个有限的地表面积上产生很大的地表位移，在下沉剖 面上产生阶梯状或不连续变化的曲线。不连续下沉又分为筒状陷落、溶洞式陷落 和上盘渐进崩落等多种形式。倾斜或急倾斜矿体，采用崩落法采矿，在矿体和围 岩比较坚硬的情况下通常发生不连续下沉。 上盘岩体渐进崩落类型的地表下沉在垂直矿体走向的剖面上，按照位移的大 小，其影响范围又可划分为三个区域：塌陷区、崩落区和移动区( 如图3 1 所示) 。 塌陷区是由于矿石回采的直接影响区，已经形成了陡峭的深坑。崩落区是塌落坑 之外的区域，该区域位移较大，地表有明显下沉，其外边界与矿体回采边界连线 的倾角就是崩落角口。崩落区之外，位移较小地表无明显下沉的区域为移动区， 其外边界与矿体回采边界连线的倾角就是移动角 l 匹一心i ! 一坠一一堕。| 图3 1 上盘岩体渐进崩落类型的地表下沉 f i g 3 1t h es u r f a c es u b s i d e n c eo f p r o g r e s s i v el l ；a n g i n gw a l lc a v i n g i 塌陷区i i 崩落区移动区 区崩落角：下移动角； 3 2 2 确定上盘岩体移动角的传统方法 ( 1 ) 工程类比法 工程类比法是目前最常采用的一种方法，也是矿床开拓设计的首选方法。根 据岩体的普氏分级系数f 、地质构造、矿体的产状等情况，将设计矿山与地质、 采矿条件相类似的开采矿山进行比较，综合考虑确定相适应的岩层移动参数。 d 1 6 - - - 东北大学工程硕士学位论文g _ - 章矿山岩移规律研究 表3 2 田内有关矿山的移动角 t a b l e 3 2t h ea n g l eo f s u r f a c em o v