（采矿工程专业论文）导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法及其应用.pdf

摘要 本文对导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法及其在水口山 矿务局康家湾铅锌金矿的应用开展了如下研究： ( 1 ) 收集了1 9 例水下采矿实例，采用f l a c 对各例进行了数值模拟，结果表 明，可以用直接顶的物理力学参数可以作为导水裂隙带发育高度预测模型的物理 力学参数。 ( 2 ) 采用a n f i s 对1 9 例中的1 6 例进行了集成，采用其中的3 铡对集成模型 进行了校验，建立了预测导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法。 ( 3 ) 应用所建立的预测导水裂隙带发育高度的自适应神经模糊推理方法，对 水口山矿务局康家湾铅锌金矿i 一l 采场导水裂隙带发育高度进行了预测，预测 结果与经验公式法的预测结果接近。 ( 4 ) 为了确保m 一1 采场1 2 。、1 4 4 、1 9 、1 6 4 矿房的安全回采，设计了上向水 平分层胶结充填采矿法，并应用该采矿方法实现了1 2 、1 4 。、1 5 4 、1 6 4 矿房的安 全回采，取得了巨大的经济效益和社会效益。 关键词：导水裂隙带发育高度自适应神经模糊推理方法水体下采矿充填法 a n a p p r o a c hf o rp r e d i c t i n gt h eh e i g h to ft h et r a n s m i s s i v e f r a c t u r e db e l ta n di t sa p p l i c a t i o ni nk a n g j i a w a n l e a d ， z i n ca n dg o l dm i n e a b s t r a c t t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ef o l l o w i n ga s p e c t sc o n c c m i n gt h ea d a p t i v en e u r o - f u z z y i n f e r e n c es y s t e mb a s e da p p r o a c hf o rt h ep r e d i c t i o no ft h eh e i g h to ft r a n s m i s s i v e f r a c t u r e db e l ta n di t sa p p l i c a t i o ni nk a n g i i a w a nl e a d ，z i n ca n dg o l dm i n e ( 1 ) 1 9c a s e so f m i n i n gu n d e rw a t e rb o d yw e r ea c c u m u l a t e da n df l a cw a su s e dt o s i m u l a t ee a c hc a s eo ft h e s ec a s e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h er o c kl a y e rd i r e c t l ya b o v et h em i n i n gs t o p ec a nb eu s e d a st h ep a r a m e t e ro ft h em o d e lf a rp r e d i c t i n gt h eh e i g h to ft h et r a n s m i s s i v ef r a c t u r e d b e l t ( 2 ) a n f i sw a su s e dt oi n t e g r a t et h e1 6c a s e so u to ft h e1 9c a s e sa n dt h er e s t3 c a s e sw e r eu s e dt ot e s tt h ea n f i sm o d e l a n da na p p r o a c hw a se s t a b l i s h e df o r p r e d i c t i n gt h eh e i g h to f t h et r a n s m i s s i v ef f a c t i l r e db e l t ( 3 ) t h ea n f i sm o d e lw a su s e dt op r e d i c tt h eh e i g h to ft h et r a n s m i s s i v ef r a c t u r e d b e l tf o rn o i l l - 1m i n i n gp a n e la tk a n g j i a w a nl e a d z i n ca n dg o l dm i n ei nt h eb u r e a u o f m i n e so f s h u l k o u s h a n ( 4 ) i no r d e rt om i n en o 1 2 ，n o 1 4 ，n o , 1 5a n dn o 1 6r o o m ss a f e l y , am i n i n gs y s t e m o fu p w a r ds l i c i n ga n df i l l i n gw i t hc e m e n t e dr a i l i n g sw a sd e s i g n e d t h es y s t e mw a s u s e dt om i n et h er o o m ss a f e l ya n dg r e a te c o n o m i cb e n e f i t sw e r eo b t a i n e d w a n gy u n g a n g ( m i n i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rd i n gd e x i n k e yw o r d s ：t h eh e i g h to ft r a n s m i s s i v e f r a c t u r e d b e l t ，a d a p t i v en e r u o _ f u z z y i n f e r e n c es y s t e m ，e x p l o i t a t i o no f u n d e r w a t e rm i n e r a lr e s o u r c e ，f i l l i n gm e t h o d 1 i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特j or j d h 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：互云丹 日期：沙够年s 月3 0 1 1 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位沦 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送爻学位论文。 作者签名：王蟊i 因。导师 锄0 3 年3 0t 1 , 1 问题的提出 第1 章绪论 矿产资源是人类社会发展必不可少的重要物质基础。矿产资源开发与利用已 成为一个国家经济起飞的首要条件以及经济实力的主要标志。而地下采矿是人类 获取矿产资源的重要方式之一。 我国金属矿产资源总量丰富，但人均占有量远低于世界平均占有量【1 1 。因此， 开发水体下的金属矿产资源已势在必行。 煤炭是工业发展的粮食。我国是少数以煤炭为主要能源的国家，也是最大的 煤炭消费国。据不完全统计，我国的“三下一上”共压煤1 0 0 亿吨以上，迄今为 止，仅采出6 亿吨左右。由于非“三下一上”压煤的大量采出，国有煤矿和地方 矿“三下一上”压煤占全部煤炭储量的比例越来越大，有些矿( 或矿区) 甚至达 到8 0 9 0 ，成为阻碍煤炭生产的重要因素( 2 】。 当前，社会的快速发展和人们生活水平的迅速提高。使得对矿产资源的需求 增加，而待开采的资源日趋减少。因此，要最大限度地开发矿产资源，使得人们 面临更多难采矿床的开采，尤其是“三下一上”( 建筑物下、铁路下、水体下( 地 面水体下和地下水体下) 以及承压水体上) 的开采。目前，无论从基础理论水平 还是从开采关键技术、模型试验手段等方面看，水体下采矿研究仍是“三下”开 采研究中的重要方面。 水体下采矿问题遍及我国绝大多数的采矿生产基地，不仅涉及的范围广，而 且储量数额大。水体下开采一旦造成采空区上覆岩层大规模的沉陷甚至断裂，上 覆岩层中含水层中的水以及开采影响范围内的地表水就会溃入井下，造成淹井事 故。目前，水体下采矿仍靠留设防水、防砂矿柱进行，矿柱高度少则4 0 5 0 米， 多则8 0 1 0 0 米，仅此一项，有的矿井就压煤上千万吨，造成了大量矿产资源的 积压和浪费。因此。实现水体下安全、合理开采是一个日渐突出的重要问题，它 已引起了采矿界的高度重视。 因此，在确保安全生产的基础上，尽量缩小防水矿柱尺寸，提高矿产资源的 回收率，是水体下采矿研究的重要任务。要实现这一目标，研究覆岩破坏规律， 特别是研究导水裂隙带发育高度的预测方法就至关重要【2 1 。 本项研究正是从这一目标出发，应用自适应神经模糊推理系统对水体下采矿 实践中已积累的大量经验数据加以集成，建立预测导水裂隙带发育高度的自适应 神经模糊推理方法，从而合理预测导水裂隙带发育高度，最大限度地回收水体下 的矿产资源。 1 2 覆岩破坏规律 1 2 1 覆岩破坏的一般规律 在采矿的过程中，采场覆岩既是一种载荷，也是一种能承受载荷的结构u j ， 其控制是存在着相应的稳定一失稳规律。采空区围岩应力分布的规律总体上是， 顶底板围岩容易出现拉应力，转角处存在较大剪应力，空区附近出现应力集中。 坚硬难冒落的顶板强度高，整体性好，一次性冒落的面积大，时间短，破坏 力极强；其厚度一般在3 m 以上，岩层内的层理、解理极少。这些岩层不管是作 为板来分析，还是作为粱来处理，坚硬顶板大面积冒落的力学机理有两个方面： 一是拉断破坏；二是剪切破坏。两种破坏形式都有一个共同特点，就是冒顶面积 大。时间短，速度快，破坏性强。 软岩顶板因软弱、破碎、膨胀、流交、强风化及高应力等特点，决定了其变 形以松动塌落、塑性和流变变形为主，破坏形式主要有顶板冒落、两帮片落鼓折、 持续性、挤压性和流动性底鼓。 1 - 2 1 1 覆岩破坏形态及其分布特征 采矿过程中，会产生若干大小不等的空区，人们在研究空区覆岩的移动破坏 规律时，把岩层的移动在竖直方向上通常划分为“三带”， 即冒落带、裂隙带和 弯曲带。冒落带的高度主要取决于采高和上覆岩石的碎胀性1 4 j 。划分“三带”的 方法主要有经验法、钻孔观测法、深孔深部基点法等。而大多数矿山空区的“三 带”都是未确定的。 采空区上覆岩层移动变形过程是自下而上逐次发生的，最终形成冒落带、裂 隙带和弯曲带。冒落带的岩层被破坏成碎块，并随之冒落，充填采空区；冒落带 具有不规则性、碎涨性，连通性强，有利于水和泥砂的通过。裂隙带是冒落带上 方的裂隙、离层和断裂区，它的特点是保持岩层原有结构，它的下部裂隙最为发 育，连通性强，往上逐渐减弱。采空区上方的冒落带和裂隙带之间无明显界限， 其导水性强，为了适应水体下采矿的需要，又叫导水裂隙带。当开采范围达到 定值，导水裂隙带发育高度不再增加，并随时间推移还要降低，大约在采空区形 成2 个月左右裂隙带发育最高，此高度叫导水裂隙带的最大高度，冒落带和裂隙 带的最终轮廓呈马鞍形。弯睦带是采空区上方只产生弯曲沉降，但不破裂的区域； 其特点是整体移动，岩层内不产生裂隙，带内的岩层仍保持原来结构，移动过程 连续且具有规律性，并且进展缓慢【2 1 。对于浅埋矿层，则不存在弯曲带【5 1 。 1 2 1 2 覆岩破坏的影响因素 开采引起的覆岩破坏过程是复杂的时空过程，这就决定了影响覆岩破坏过程 的因素是多种多样的，主要有地形地貌、水文地质条件、地应力分布、顶板岩层 应力应变性质、结构特征、采矿方法、顶板管理方法、煤层厚度和倾角、开采强 度、时间因素、重复采动等，可概括为岩石介质条件、环境条件以及工程因素3 大方面i o j 。 1 3 水体下采矿研究现状 1 , 3 1 水体下金属矿开采现状 在国内外，水体下金属矿开采，国内外均有成功实例，见表1 1 。我国水 体下金属矿床在采用水砂充填法和胶结充填法方面取得了一些成功经验。但是， 由于起步较晚，与水体下煤层开采相比有较大差距i 引。金属矿床的岩性，赋存条 件和使用的采矿方法与煤矿都有较大差别_ j 。目前，金属矿床水下开采还尚未形 成较完整的理论体系，人们只是在利用经验公式和借鉴水体下采煤的计算方法来 预测导水裂隙带发育高度。 1 3 2 国内水体下采煤研究现状 在国内，早在五十年代就开始了水体下采煤的系统研究和实践，积累了丰富 的经验，某些方面已达到了国际先进水平。在第三、第四系松散含水层及其上覆 地表水体下的开采，在地表河流、湖泊、水库、及塌陷积水区等水体下的开采， 表1 l 国内外水体下金属矿采矿实例 矿山矿体赋 开采开采隔水层矿岩 最终裂隙采矿 名称 存条件深度条件条件稳固性 带高度方法 赋存余田组 矽化灰岩中， 锡矿山 厚z 3 0 术，n o ： 倾角1 5 。 1 5 0 米 3 5 。 粱秽垂豢簪麟戮 需嵩“裟篙嚣豢罢薹霁 嚣芸黔米霉豢肾 篙三嚣麓 度， 波兰次赛 宾尼卡铅 锌矿 苏联灯 塔矿 矿体为含矿 的白云岩，厚 3 1 0 米，最 厚达2 0 术， 平均厚度为 1 2 米的缓倾 斜厚矿体，分 上部高品位 浸染矿体，厚 4 5 米，下部极 高品位的硫 化矿，埋藏深 度大。厚达 1 0 0 0 米 2 0 0 米 军 性好 白至掌富妻譬竺量 矿岩稳固 含水为自云岩 。 饕1 5 0 爱争 一篇嚣纛篇群 矿繁5 0 嚣磊磊篇 分段采矿方 法采后粗骨 料碎充填， 分层充填采 用粗骨料胶 结充填 当矿体厚度 5 米 时+ 房柱水砂 充填往一次 回采或分层 回采 房柱水砂充 填 上部用斜壁 矿房连续回 采充填法和 人工盘区矿 柱连续回采 矿房充填法 下部用分段 充填法 2 0 2 4 米 一4 一 续表1 1 缓倾斜矿体， 分上下两层 上层厚6 1 1 瑞典莱米。下层厚2 5 斯瓦尔米，均为砂岩不祥湖下不样 稳固性好 铅锌矿含矿。中间为 6 8 米厚的 贫矿化砂岩 矿层倾角3 4 房柱法充填 无轨采矿 在河堤下开采及河堤维护方面，在顶板砂砾岩及石灰岩等基岩含水层下开采都有 可供借鉴的经验嘲。 我国许多矿区结合本地的采矿的实际情况，总结出不同覆岩类型条件下，矿 层采出厚度与冒高、裂高的关系式，如表l 一2 所示，并以此来指导实际生产。 上个世纪7 0 年代以前，对导水裂隙带发育高度的研究的特点为：以矿体岩 层赋存条件为主要研究内容；研究方法主要为定性描述和定性分析。 表l 一2 导水裂隙带发育高度的经验公式 注：m 表示矿层采厚，h ；表示导水裂隙带的发育高度。 上个世纪7 0 年代至8 0 年代，研究特点为：以覆岩体工程地质环境和岩体 力学环境为主要研究内容；以导水裂隙带发育高度与岩体强度类型之间的关系 为研究重点；研究方法虽然仍以定性描述和分析为主，但已向定量化研究迈出 了可喜的一步。 上个世纪8 0 年代至今，我国开展了许多水体下采矿的专题研究，取得了不 少突破性进展。其研究特点为： 理论上更先进。现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变 力学、神经网络、非线性科学、流形方法、块体理论等和现代测试技术及计算机 技术，逐步应用于覆岩移动变形破坏和导水裂隙高度研究方面，促进了导水裂隙 带发育高度研究的深入发展。 研究内容更广泛。除了重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩 体结构等地质条件的影响外，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场 1 9 】。 研究方法更先进。在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙 带盼演变过程进行了动态分析，广泛应用物理模拟和数值模拟方法，从覆岩变形 破坏过程、影响因素等方面去探讨导水裂隙带的形成机制，在此基础上进行有效 的预测。 探测方法多样化。发展了多种多样的探测方法，常用的探测方法主要有冲 洗液法、注水实验法、高密度电阻率法、钻孔超声成像法、声波c t 层析成像法、 形变一电阻率测探、e h 4 电磁法探测系统、瞬变电磁法等【1 0 l 叫1 2 1 。 实例总结和分析得到重视。工程实例为理论研究和新技术开发提供了条 件，实际监测资料也是验证新理论、新方法正确与否的标准，是提高预测水平的 前提条件。【1 3 】 综上所述，水体下采矿通常采用现场实测法、理论分析法、相似模拟法和数 值模拟法。人们逐渐意识到只有将上述几种方法相互结合、相互补充和完善，才 能使分析模型和预测结果更符合客观实际。 1 3 3 国外水体下采煤矿研究现状 世界主要产煤国家，如波兰、俄罗斯、英国、德国、日本、加拿大等国，“三 下”压煤量大。水体下压煤以英国、日本、加拿大最突出，尤其是海下压煤储量， 这三个国家多达1 8 1 6 3 2 1 1 6 8 亿吨。英国海下压煤储量达6 1 4 5 9 1 5 亿吨。日 本海下压煤储量有4 1 1 8 亿吨。加拿大东部的锡德尼煤田海下1 2 0 0 m 水平以上有8 亿吨储量【1 4 1 ，部分实例如表1 3 所示。 表1 3 国外大型水体下采煤部分实例 1 4 本项研究的目的、意义和内容 1 4 1 研究的目的及意义 目前，导水裂隙带发育高度的确定方法概括起来主要有现场测试法、相似模 拟法、数值模拟法和理论分析法四类。现场测试法由于只能用于验证而不能用于 预测因而常常只用于验证某种方法；理论分析法均采用了连续性、均匀性假设， 这与实际相差较远；物理模拟法的工作量大，且难以模拟岩体的非均质性、场地 内的构造运动和地下水的影响；数值模拟法则难以模拟岩体的变形与破坏。因此 其结果必然存在较大误差。另外，这些方法的共同缺点是对以往的经验和数据没 有集成性。 人们在长期的水体下采矿实践中，已积累了大量的经验和数据，如能采用某 种智能方法对这些经验和数据加以集成，建立导水裂隙带发育高度的预测方法， 则既解决了经验和数据的集成问题，又解决了导水裂隙带发育高度的预测问题。 本项研究就是基于这一目的，应用自适应神经模糊推理系统，对以往的经验和数 据加以集成，从而建立导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法。本 项研究的意义在于建立了一种能对已积累的导水裂隙带发育高度经验数据进行 集成、同时还能对导水裂隙带发育高度进行预测的新方法。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 水体下安全采矿实例的收集和分析； ( 2 ) 导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法； ( 3 ) 水口山矿务局康家湾铅锌金矿卜1 采场上覆岩层中导水裂隙带发育高 度预测； ( 4 ) i 一l 采场的采矿方法。 1 5 本项研究的特色与创新之处 ( 1 ) 应用自适应神经模糊推理系统，对水体下采矿实例进行集成，建立了 能对导水裂隙带发育高度进行预测的自适应神经模糊推理方法。 ( 2 ) 应用该方法对水口山矿务局康家湾铅锌金矿一1 采场的导水裂隙带 发育高度进行了预测，并在预测结果指导下实现了该采场1 2 4 、1 4 。、1 5 4 、1 6 。矿 房的安全回采，取得了巨大的经济效益和社会效益。 2 1 概述 第2 章水体下采矿实例及分析 人们在长期的水体下采矿实践中，己积累了大量关于导水裂隙带发育高度的经 验数据。本章搜集了大量水体下采矿的实例，并对导水裂隙带发育高度的经验数据 进行了综合分析，从而为建立导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推理方法 打下基础。 2 2 水体下采矿实例 在长期的水下采矿实践中，我国工程技术人员创造大量成功的范例，下面对这 些范例 1 5 卜【4 1 】逐一加以分析，为建立导水裂隙带发育高度预测的自适应神经模糊推 理方法作准备。实例中不考虑构造应力的影响，只考虑自重应力的作用。 2 2 1 观台矿 观台矿2 号煤层位于岳城水库之下，最小开采深度为2 6 6 米，煤层平均厚度为 4 米，顶板岩层以中硬砂岩为主，其各岩层的力学参数如表2 1 所示。 表2 - - 1 观台矿综合钻孔柱状岩石性质 通过相似材料模拟试验采用平面应变分析的边界条件，模型长宽高为 5 0 0 0 x3 0 0 2 5 0 0 ，开采厚度为4 米，得出导水裂隙带发育高度为1 2 0 米。到目前为 止，已安全开采4 年之久。 2 2 2 新集矿 该矿综放采区位于新集一矿推覆构造“天窗”的西侧，采区回风巷标高为一2 8 2 - - 2 7 2 米，运输巷标高为- - 2 9 7 米一2 8 8 米，1 3 0 3 综放工作面主采1 3 1 煤层，平 均倾角为8 。，平均厚度为8 4 米，煤层顶板与第四系铅垂距离为1 1 7 米左右。覆岩 组合状况较为复杂，以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和砂砾岩互层的软硬相间发育为主 要特征。老顶和直接顶主要为泥岩，其厚度为5 米7 米，易破碎，硬度系数小于 3 0 ，属软岩。采区内断层不甚发育，仅有落差较小的f 2 和f 3 小断层。覆岩上方第 四系松散层主要由粘土、砂质粘土及砂土组成，富水性为中等一较强，对开采浅部 煤层由较大影响。工作面顶板岩体物理力学参数值如表2 2 所示，有三个采场，采 深分别为2 5 7 】米、2 9 3 0 0 米、2 9 5 0 0 米，覆岩分别为i 、v ，采厚分别为5 7 3 米、7 7 6 米、6 0 0 米，平均为6 米，实际测得的导水裂隙带发育高度分别为8 4 5 0 米、8 5 6 0 米、8 6 8 米。 表2 2 工作面岩体物理力学参数值 岩层p ce 6 6 中 批次 i ( g m 3 m p a g p a 9 m p a m p a ( 。) i 2 8 0 01 5 46 2 00 2 82 3 4 2 1 3 93 6 0 i i 2 6 0 0 0 3 43 4 20 2 02 1 40 2 93 8 0 i i i 2 8 2 01 5 0 5 0 50 2 81 2 7 00 8 83 9 5 2 6 7 01 8 05 0 40 2 42 1 1 2 1 1 83 2 0 v2 7 6 01 5 74 7 00 2 61 4 3 20 9 33 2 0 v i 1 4 0 00 0 3 1 7 50 2 99 8 60 4 02 0 0 2 7 6 01 5 7 4 7 00 2 6 1 4 3 2 0 9 33 2 0 2 2 3 芦岭煤矿 芦岭煤矿8 1 0 采区属华北型石炭二迭系煤系，二迭系煤系下统下石盒子含8 、 9 煤层，煤岩层倾角6 。8 。，根据现有钻孔资料，8 、9 煤层埋藏最大深度分别为2 7 6 米( 标高- - 2 5 2 米) ，2 8 4 米( 标高为- - 2 6 0 ) 。采区首采面围岩物理力学指标修正结 果如表2 3 所示。 因此区内煤层基本在氧化带内。8 煤层属稳定的厚煤层，黑色块状结构。9 煤层 属中厚煤层，分布不稳定，黑色粉末状。8 煤层直接顶为泥岩，砂质泥岩多风化，厚 1 6 6 1 1 0 3 米，局部为细砂岩、粉砂岩。伪顶为0 1 0 5 米厚的薄层状碳质泥岩，极 易离层。老顶为中细砂岩，风化严重，厚1 7 5 米1 5 9 l 米；9 层煤顶板为泥岩砂岩互 层，i i 为9 层煤的力学参数，为8 层煤的力学参数，如表2 3 所示。芦岭煤矿8 1 0 采区上覆新地层厚度为2 1 4 3 3 2 5 6 。4 8 米，发育一、二、三、四隔层组。其中一、二 含水层离矿坑较远，对矿坑无充水影响，三含水层为强含水层离矿坑稍近，四含水 层直接覆盖于煤系地层之上，为矿坑直接充水源。三含水层由中粗砂构成，下部为 半固结状泥灰岩，砂层下部多为砂砾，夹有l 5 层粘土。砂质粘土含水砂层厚度为 4 3 0 5 4 1 3 。四含水层发育于三隔水层之下，直接覆盖在煤系地层之上，由砂、砂 砾层、粘土夹砾层组成，厚o 5 8 米。8 层煤开采时，当采放高度为6 0 米时，最大导 高达到四含水层底部，为1 7 2 米；9 层煤开采时，当采放高度为7 0 米时，最大导高达 到四含水层中部，为2 6 o o 米。 表2 - - 3 8 1 0 采区首采面围岩物理力学指标修正结果 2 2 4 康家湾铝锌金矿 该矿属中温热液铅锌金银多金属矿床，矿体受康家湾隐伏倒转背斜和f2 2 逆冲 断层控制，主要矿体赋存在硅化破碎带和f2 2 断层上盘的二叠系下统当冲组泥灰岩 中，矿区有7 个主矿体，2 8 个小矿体，分布在长2 5 0 0 米，宽1 5 0 7 0 0 米的范围内。矿 体呈似层状，少数为透镜状叠加产出。矿体产状与倒转背斜或硅化破碎带基本一致， 走向近于南北，倾角5 。3 5 。，矿体随倒转背斜自南向北逐渐抬起，扬起角为8 。， 局部有小的起伏。矿体南、北端距地表分别为5 9 0 米和1 5 9 米。 矿区地表有湘江、春陵江、康家溪、曾家溪和老盟山小溪等。矿区地层中有i 、 i i 、i i l 3 个含水层。经查明，l i 含水层由强硅化岩溶裂隙含水层和深部构造裂隙含水 带组成，与矿体真接接触，开采前已疏干到最低开采水平以下；i 含水层为侏罗系 下统微弱裂隙含水层，主要发育在侏罗系下统厚层长石石英砂岩中，规模小，含水 性极差大部分可视为相对隔水层；i 含水层富含水，与h 、之间无天然水力联系， 其强含水段由砾岩、粉砂岩组成，厚3 0 8 0 米，分布面积大，它位于矿体上部岩层 中，为矿区的最大含水体，且与矿区北部的湘江邻近，和横贯南北的康家溪有水力 联系，对井下生产安全构成严重威胁。矿体与i 含水层之间存在隔水层和相对隔水 层，如图2 一l 所示，叠加厚度为1 0 0 4 7 0 米。 康家溪 康家湾矿含水层、矿体及岩层 图2 1 康家湾矿含水层、矿体及岩层 i 号主矿体是该矿储量最大的缓倾斜矿体，走向南北长约为1 4 9 0 米，分布面积 达3 1 2 平方米，矿体的顶板围岩稳固，矿石坚硬，矿层本身含低温热水，与下盘方 向的侏罗纪弱含水层有水力联系，矿层之上分布着大面积的白垩系砾岩和砂砾岩含 水层，在矿层和含水层之间则分布有平均叠加厚度达2 5 6 米的隔水层和相对隔水层。 i 号矿体1 0 1 1 0 9 勘探线之间的矿段可近似看作水平、缓倾斜中厚矿体，并对其进 行数值模拟，模拟矿体厚度为9 米，矿体埋深取4 0 5 米。在最不利的条件下，顶板围 岩实际出现的导水裂隙带发育高度为7 6 米。 岩层位置示意图如图2 3 所示。矿岩力学参数如表2 4 所示。 智屡示意 署代一 位t ，m 黝 p 蹦 拍一枷 ：辅 j l i i 口b 8 ：! n 一卜 l 鞠l 舶 巍 q - 囊i l ：3 9 1 5 8 _ o 伟i $ 0 - - l 猫 麓 q i j fi 镪一l j 0 刀 p j n o i l 蓐 图2 2i 号矿体岩层位置示意图 表2 4i 号矿体岩力学参数 岩层抗拉强度抗压强度弹性模量泊松比内摩擦角 代码，m a 7 m p a1 0 4 m p au，。 p ，d j3 6 03 9 5 21 00 1 25 6 4 1 j 1 e 3 1 6 46 2 94 70 1 85 4 0 9 j l g ”0 9 7 8 2 15 40 1 l5 6 8 0 q b f 4 6 59 6 08 00 ，2 46 5 ，1 9 o r e1 5 35 7 6 41 5 00 1 95 3 8 l 豳! ：! ! 丝：!i ：；! ：垫：! i 号矿体7 6 中段之间7 0 4 2 4 采场沿走向布置，矿房长5 0 米，阶段高度为3 2 米， 采场宽度与矿体水平厚度相同，平均为1 4 9 米，矿体倾角3 5 。3 8 。，分层高度为3 米，沿走向分为5 个采场，采用机械化( 无轨设备) 上向水平分层尾砂胶结充填采矿 法。通过采场地压观测得出，采场上盘岩体沉降量小，在一定范围内，增大采空区 高度对采空区上盘岩体稳定性的影响不大。利用s a p 5 程序数值模拟结果表明，上覆 岩层中可能出现的导水裂隙带最大发育高度仅为8 8 米，用煤矿( 缓倾斜矿) 的类似 经验公式计算的最大导水裂隙发育高度也仅为7 9 7 8 ，该两值均小于矿区实际隔水层 和相对隔水层的平均叠加厚度( 2 5 6 米) 。模型覆岩力学参数见表2 5 所示。 表2 5 岩层模型力学参数 2 2 5 范各庄矿 岩溶陷落柱是普遍分布于山西太原西山及汾河沿岸煤田、太行山中段。岩溶陷 落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系 等特点，对煤矿安全生产及当地人民生活危害极大。数值模拟开采过程中，模型i 共计1 2 层，煤层厚4 米，赋存深度8 4 米。各岩层按具有相似力学性质的各向异性非线 性空间体对待，采用长壁式开采，模拟开采步距6 米，共开采1 0 8 米，跨落法顶板管 理。模型2 的主要区别是加入由三维地震勘探所确定的小断层f 2 4 ，并在模型左侧4 0 1 4 0 米处将7 4 煤层之上泥岩、砂质泥岩顶板按砂岩层处理。岩石相变部分的弹模和抗 压强度分别为7 0 0 0 m p a 和6 0 m p a 。数值计算模型各岩层部分力学参数见表2 6 。模 拟的最终导水裂隙带发育高度为3 0 米。 表2 6 数值模拟模型各岩层部分力学参数 2 2 6 大柳塔矿 大柳塔矿区位于陕西省神木县西北约5 2 5 公里，地处陕北高原北侧与毛乌素沙 漠东南缘的结合部位，岩性由第四系的全新统积物、风积沙和第四系下更新统- - i 1 组组成。神府矿区开采条件可概括为埋藏浅、风积沙厚、顶板基岩薄、其上有潜水、 煤层厚度大。而首采区工作面1 2 0 3 开采煤层厚度6 米，围岩力学参数如表2 - - 7 所示。 顶板基岩最薄为1 8 米，以风积沙为主的松散层最厚3 2 米，顶板基岩上潜水层平均水 柱高度为5 米，工作面顶板属于级2 类。该工作面实际采高为4 米，上覆基岩加权平 均抗压强度为3 4 5 0 m p a ，属于中硬岩层。实测的导水裂隙带发商高度为4 5 米。 表2 71 2 惦长壁工作面围岩力学参数 2 2 7 潘谢矿 安徽淮南位于淮河以北，全部垮落法管理顶板。松散层厚度1 9 7 9 4 6 7 8 米， 为巨厚松散强含水层，下部第四含水组( 四含) 直接与基岩面接触，富水性强，最低 标高为- - 3 1 0 米左右，可对煤系地层直接渗透和补给，给矿井的安全生产构成威胁。 c 1 3 1 煤层覆岩物理力学指标如表2 8 。 表2 8 c 1 3 - l 煤层覆岩物理力学指标 ec 序号岩件 层厚标高 抗珏强度 抗拉强度 一一一一i 一一 i 百五百订r 也也盟世! ! 鱼塑型望丝堕 1 7 钙质粘土岩 3 72 8 8 3 3 2 t f 1 j 丁而i ；f 1 6 红色粘土 4 ，7- 3 2 5 1 8 1 22 2o 4 6 2 1 5 风化砂泥岩 9 63 2 9 73 2 4 1 4 21 43 0 5 5 2 1 4 粉砂岩33 3 9 34 0 9 1 61 , 64 50 6 8 4 1 3 石英砂岩1 4 33 4 2 35 5 3 6 3 7 3 1 1 1 6 2 3 1 2 砂质泥岩 6 2- 3 5 6 6 1 60 61 21 5 0 4 8 1 1 泥岩 6 5- 3 6 2 83 3 7 1 2 61 82 3 20 7 6 4 1 0 粉砂岩1 5 - 3 6 9 3 8 9 0 52 0 22 62 ，8 1 ，1 1 】 9 中砂岩 5 63 7 0 。8 1 0 9 33 。ll o 。1 1 3 4 7 8 泥质粉砂岩 1 8- 3 7 6 46 8 4 2 2 55 6 61 0 5 4 7 ca 3 2 煤1- 3 7 8 22 0 1 20 ：80 4 8 6 粉细砂岩 1 8- 3 7 9 23 2 6 1 12 20 4 7 7 5 泥岩 3 4- 3 8 12 6 6 1 71 6 80 6 5 4 砂泥岩互层63 8 4 43 0 92 71 42 2 0 5 6 3 c 1 3 1 煤3 4 - 3 9 0 4 2 01 20 80 4 8 2 中砂岩 5 5- 3 9 3 81 2 1 65 1 4 2 ，2 1 1 5 0 9 5 l 粉细砂岩 5 53 9 9 38 3 43 1 23 25 5 i ，3 5 由表2 8 中的剪切模量与弹性模量的关系得出顶板的泊松比为0 2 5 。采深一 3 9 0 米，煤层垂直应力1 0 7 9 v l p a 。模型左右单约束边界，取u = 0 ，v 0 ( u 为x 方 向位移，v 为y 方向位移) ：模型下部全约束边界，取u = v = 0 ：模型上部为自由边 界，上部的基岩层及厚冲积层用外施加载蘅 弋替。分别按3 。4 米、3 。0 米、2 6 米不 同采厚建立三种模型，一次采全厚。模拟的导水裂隙带发育高度为7 2 0 0 米、5 8 米、 2 2 8 七五煤矿 七五井田煤系被第四系覆盖，第四系下伏石盒子组由东南向西北逐渐变薄，至 付村断层以北被剥蚀。由于第四系中部隔水粘土层的作用，大气降水、第四系上部 砂层水与煤系含水层不发生水力联系，对矿井无充水影响。井田仅北部边界为煤系 露头，呈封闭的独立单斜含水构造。根据抽水试验资料，各含水层富水性均较弱。3 t 煤层上覆岩层主要由砂岩、泥岩和风化砂岩、风化泥岩组成，属于中硬一软弱覆岩， 泥岩一般厚l 米左右，抗压强度为2 9 4 7 8 4 m p a ，直接顶上覆的砂岩比重较大， 抗压强度为6 8 6 9 8 0 m p a ，煤层倾角为5 。，二叠统山西组3t 平均厚1 9 5 米，3 。平均厚4 0 1 米，煤层总厚8 ；6 7 米。3 煤层第分层采厚2 米、第二分层采厚2 4 1 5 米，3 ，煤层两个分层采厚均为1 9 米。付村逆断层是位于试采区的主要断层，其斜 贯本井田。井田上覆第四系地层厚度平均为4 3 米，主要由粘土层、砂层组成。其地 层柱状图情况详见图2 3 。3 煤及顶底板岩石主要力学性质测定结果如表2 9 。 表2 - 93 煤及预板岩石主要力学性质测定结果 2 2 9 某矿 本文利用s f p a 2 d 系统，采用平面应变模型来模拟某矿覆岩的垮落过程。模型沿水平 模型沿水平方向取3 0 0 米，沿垂直方向取1 0 0 米。煤层厚6 米，赋存深度8 4 米。模 型共计1 2 层，其主要岩体力学参数见表2 1 0 所示。共划分为3 00 0 0 单元，采用长 壁式开采，开采强度5n yd ，垮落法管理顶板。当工作面推进至1 0 5 米时，老顶出现 第2 次周期来压，本次来压步距为3 0 米，裂隙带高度发展至4 2 5 米。 表2 1 0 数值模拟模型各岩层部分力学参数 l 岩石 熄瘿 厚度 曩辱桂抗豳 村 生糟述 i 嚣辣 ( m ) 第四景5 ，l o5 1 0 无蕃 齄 尊霸摹 土羹色采珏袭白色且坡譬轼蟪性和可蕾蛙旦毪状膏砂 l i 4 01 6 j o 墓舶羹层移詹黏遗水挂茇 袭冀色、灰覃色，童分l ；t 看茭为主，妖五玟z 已琵譬r 格 囊暇幕 _ 纯为齄土) ，吉耗主麓上弗盛拄扶戚靠0 4 m 橙赣遗 詹蛔砂 ， 水性中辱 o 1 0i7 j 3 0 帖茸四景 土j l 色阍娃获晕色，鼻玻强桔路性相回塑性，硒菌眄 、。幸9坞，9 矗砼赢粘土，置牲捷遗承性麓 疆砂 囊四曩 1 衷e 戚骨以船舞力生置韵厌z ( 巴脾牝j 百甲科p 删 2 ，2 n 7 9 - 拈土矗中尊分垃中善遗采蛙好拴赣， 砂蕊 舞日鼻 表颦色肇雌辑冀色 霸拈铸幢翱斟曩往，窘舅移曩适 粘 i 。8 02 1 j ， ，c 棒蔓 ， 2 4 限l ：工上衷簟色，台粘土履恩毪款以下冀e ，枪 鲺砂 第四囊 - 蕺，量溉黟筑噍分以石英为生智石薨小砾石瞳甲 ： 4 l2 7 - 2 0 o 。辟盖中尊逮永性好。 牯 四茉 土黄色a 艟强粘翦性和娜曩性r 局邵言由凭小爵毛帕 6 1 5，曲s 证监攥番 冀鬟色成分蚪长石为主( 丈靠拷已兵佗为8 色譬瓠) 再 粘 摹露摹 。二。 曩崖蕊分进釜雷大量一捷铸铁_ r 弭冤豆轶) 备瘕冀 曩中移 。褐色、揭缸色透木性中锋 0 5 9 3 4 t 6 砂质 辱四摹 土冀色蕊以摹攮色 辩估站性和若可曩性霄最匕长 牯， o 3 ，。4 4 石翔石羹挣砾遗承性麓 粘土 鬻锻曩 成分以长嚣隽董，莒粘土袋长磊多巴风化诧之最蠼8 囊螭移 0 o抵1 4 最蛰棠叠中等堇遗瘩性中锋 衷曩邑囊铋襄蟑色。更拈结搜翱蜡慧性t 局爵霄秽屑曩 耙 第四罩 r 簟较。尊疆成分主曩身只化长石和石羹吉已鼠纯块 燃和豪囊，1 9 0 - 3 9 1 9 m 为 幡蛙培满t 最帮风化为岩蘸 3 ，s3 9 柏 酱换置承性敷差 弩蕞岩山西熄 ) ( 袤色、麓 质块抗掏造雷娥臻捷啼色矿秭多己风化 2 ，i 4 2 7 x x 为震盘也粘土底锑魏群几辘馘姑，很为馕蠢岩炭 震。袅膏色鳙越p 扶持栩。成分“石荚为主- 长置扶2 ， 蛔牲 山西熄 青晕色矿精冼圈轼曩肆幢囊、浞曩获螭分巷中零- 抄孝 岩心靖肇严t 手蕾娥露熏 2 ，0 5。雏 风豫属再移诧岩互屡，砂卷l = 蔗- 赢冀色、藏擐色，k 壮谶 山西魁 石、嚣羹为主宵并甓葺t 罅糟土冀e ，囊 ；工券母惫具 考互腔 6 6 , 0 嚣帖埔性和翁可飘l | 生 i l ，4 毫 诧考山西蛾 洼絮e 诧质缮构藏聋鳙誓麓状新口厩邪 耳辱 i7 1 4 囊3 f 囊魔靠成氯t ，。爆麓 山西蛆 一色以甍馕、鼙焦为董为牛麦产拳一强儡隽芏，骆最 4 6 6| 7 s 一光棒辩蓐只氯记 锄移苫山西蛆1 9 。9 8 1 0 t ， 壮譬班鬟白邑长首石翼为点饵盾艘站囊甜璧曩 山菇魑，曩色以甍攥为主。辩哭镶糕蘩箭壤璃光_ 摹局部糍青地 4 5 i i 空2 雌井生糕藏发膏黔梯扶新口爆腰整硬 图2 3 地层杜状图 1 7 锡矿山南矿地表分布有南炼厂、一号竖井、空压机房及俱乐部等重要建筑物。 并且还有飞水岩河流经矿体上部。1 9 5 6 年按照有关规定划定了南炼厂、l 号竖井， 南矿办公室和河床等几个保安矿柱并列为禁区。这些禁区的设置极大地影响着矿山 生产的发展，尤以河床保安矿柱为甚。矿床属岩浆期后热液充填为主、伴随交代的 单一硫化锑矿床。矿体赋存于上泥盆统余田桥组硅化灰岩中，呈多层结构。矿体走 向长1 5 0 0 2 0 0 0 米， 倾斜长2 0 0 0 米左右，开采深度为1 0 0 1 5 0 米。矿体厚度从 薄至中厚，倾角由缓倾斜至倾斜，倾角1 0 3 0 。三号矿体均厚2 米，七号矿体均 厚8 米。矿体顶板为页岩，f = 3 - - 5 ，不稳固底板为稳固的硅化灰岩，f = 1 0 1 8 。 矿区内断层节理发育，完整性较差。该矿浅部保安矿柱资源位于矿田内炭山界背斜 轴部及偏东翼，即飞水岩矿床中、西部地区。矿区岩层力学性质见表2 1 1 。 2 0 世纪5 0 年代，南矿西部采区试验使用的水平分层矸石充填法，对控制地表 塌陷卓有成效。1 9 9 6 年初，矿山自行试验研究的两步回采的人工壁柱房柱法( 又称 胶结充填法) 初步获得成功。矿壁用混凝土充填，矿房用尾砂充填，先才矿壁，后 采矿房，导水裂隙带发育高度最终为2 3 米。 表2 一1 1 矿区岩层力学性质 2 2 1 1 鲍店煤矿 究州矿业( 集团) 有限责任公司饱店煤矿主采山西组3 层煤，平均煤厚8 7 6 米， 自1 9 9 3 年以来，采用综采放顶煤方法开采。厚煤层一次采全高工艺导致覆岩中导水 裂隙带发育规律与分层开采有极大的不同，而导水裂隙带的发育规律直接影响着矿 井的充水条件，威胁矿井的安全生产。为了深入研究综采放顶煤开采方式下覆岩导 水裂隙带的发育规律，鲍店煤矿与山东矿业学院合作以1 3 0 3 工作面为例，进行了现 场探测与室内模拟研究，取得了大量的有效数据，揭示了导水裂隙带的动态规律。 矿区地层自上而下分别为：第四系，由粘土、砂质粘土与粘土质砂等交互沉积 组成；侏罗系，以粗、中、细砂岩为主，夹薄层粉砂岩、泥岩和砾岩，其下为煤系 地层下石盒子组和山西组，由中砂岩、粘土岩夹粉砂岩和细砂岩组成。3 4 煤层位于 山西组中段，煤层较稳定，厚度为8 1 9 7 5 米，平均厚度8 5 米，受单斜构造影响， 煤层东低西高，倾角一般为2 。6 。，平均4 。；直接顶为粉砂岩，厚2 6 米；老 顶为中砂岩，厚2 1 米。3 4 煤上覆煤系地层主要以灰及灰白色厚层中砂岩为主，间夹 杂色铝质泥岩和灰至灰绿色粉砂岩。覆盖在煤系地层之上的上保罗统蒙阴组，为一 套河湖相紫红色沉积建造，由泥质、钙质胶结的