（采矿工程专业论文）桃冲铁矿井下采空区处理研究.pdf

东北大学硕士学位论 摘要 桃冲铁矿井下采空区处理研究 摘要 桃冲铁矿位于安徽省繁昌县荻港镇桃冲村，6 0 年勘探的矿体规模为中型铁矿 床。矿体的顶板岩石，主要是石灰岩( 栖霞组) ，9 0 米标高以下，岩石稳定性降低， 属b 类中等坚硬偏软。即弱风化的硬质岩。无底柱分段崩落法开采，经过7 3 m 、 6 3 m 、5 3 m 、4 3 m 四个分段的回采，形成了高约4 0 余米、总面积约4 3 0 0 m 2 的大型 采空区。该采空区不仅积压了大量的矿石，而且对其下部采矿生产的安全构成一 定的威胁。此外，在7 m 中段标高o 3 0 5 m 矿段，存在以总面积约1 5 0 0 m 2 的中型 民采空区，该空区严重影响着采准工程的布置形式与施工安全，需要对空区冒落 形式、冒落过程与冒落危害等进行深入的研究。 本文在经过详细的现场空区形态调查和结构面调查，岩体稳定性分析的基础 上，对空区的形态进行了描绘，分析了空区的冒落特征、冒落规律、冒落参数， 从而定性了空区的冒落形式、冒落规模，并计算了冒落气浪的冲击速度，确定了 冒落气浪伤人的范围，采取了有效的工程措施，即扩展采空区加速冒落达到形成 足够覆盖层的目的。通过散体流动参数的测定，布置回收工程，确定巷道布置结 构参数，减小损失贫化，更多的回收矿石，以求达到更好的经济效益。 关键词：冒落，气浪，散体流动参数 东北大学硕士学位论a b s t r a c t a b s t r a c t t a o c h o n gi r o nm i n el o c a t e si n t h et a o c h o n gv i l l a g e ，d i g a n gt o w n ，f a n c h a n g c o u n t yi na n h u ip r o v i n c e i t ss c a l ei sm e d i u mb yt h ep e r a m b u l a t i o ni n19 6 0 s t h e c o p i n gr o c k m a s so f t h em i n eb o d yi sm a i n l yl i m e s t o n e ( q i x i ag r o u p ) b e l o wt h e9 0 m e t e rl e v e l ，t h es t a b i l i t yo ft h er o c k m a s st h a tb e l o n g st om e d i u m r i g i d i t yi nb c l a s s r o c k m a s sb e g i n st or e c e d e i na n o t h e rw o r d ，i ti se f f l o r e s c e n th a r dr o c k m a s u s i n gt h e s u b l e v e lc a v i n g ，t h el a r g ec a v e da r e at h a ti st o t a l4 3 0 0s q u a r em e t e r si na c r e a g ea n d m o r et h a n4 0m e t e r si nh e i g h tc o m e si n t ob e i n gb yf o u rl e v e l sm i n i n g 7 3m e t e r , 6 3m e t e r , 5 3m e t e r , 4 3m e t e r t h e r ei sa b u n d a n ti r o nm i n ei nt h ec a v e da r e aa n di ti sa l a r g ed a n g e rt ot h es a f e t yo fs u b l e v e lm i n i n g f u r t h e r m o r e ，t h e r ei sam e d i u mc a v e d a r e at h a ti s15 0 0s q u a r em e t e r si na c r e a g ei nt h em i n i n gs e g m e n tf r o m0t o3 0 5m e t e r a tt h el e v e lo f 7m e t e r t h i sc a v e da r e aa f f e c t sb a d l yt h ed i s p o s a lf o r mo f p r e p a r a t i o n a n dt h es a f e t yo f m i n i n g t h e r e f o r e ，t h ef u r t h e rs t u d yt ot h ef o r m ，p r o c e s sa n dh a r mo f t h ec a v e da r e a sc o l l a p s es h o u l db ec a r r i e do u t i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o nt ot h es p o tc a v e da r e a ss h a p e a n dt h ei n t e r f a c eo f j o i n t s ，t h es h a p eo ft h ec a v e da r e ai sd e s c r i b e d a n dt h ec h a r a c t e r , r u l e sa n dp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h r o u g h t h er e s e a r c ht ot h es t a b i l i t yo f t h er o c k m a s s o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s e sa b o v e ，t h ef o r ma n ds c a l eo ft h ec a v e da r e a sc o l l a p s ea r e d e c i d e da n dt h es c o p eo f a i rw a v ef r o mt h ec a v e da r e a sc o l l a p s e b y t h ec o m p u t a t i o no f t h ei m p a c t i v es p e e da i rw a v e t h ee f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e sa r ec a r r i e do u ta n d t h ea i mt oe n l a r g et h ec a v e da r e ai no r d e rt of o r me n o u g ht h i c ko v e r l a yi sa c h i e v e d r e c l a m a t i o n e n g i n e e r i n g a n dt h ec o n s t r u c t p a r a m e t e r so f l a n e w a y a r ea r r a n g e dt h r o u g h t h ed e t e r m i n a t i o no ft h e f l o w i n gp a r a m e t e ro fl o o s e nb o d y m o r e i r o nm i n ei s r e c l a i m e da n dt h el o s i n gl e a n n e s sa r er e d u c e d t h e r e f o r e ，m o r ee c o n o m i cb e n e f i ti s a c h i e v e d k e y w o r d s ：c o l l a p s e ，a i rw a v e ，f l o w i n gp a r a m e t e ro fl o o s eb o d y i i i 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，不包含其他人已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作 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人躲袁鳓像慨现 日期：2 0 0 3 年1 2 月 东北大学硕士学位论第一章绪论 i 1 选题的目的和意义 第一章绪论 马钢桃冲铁矿，应用崩落法开采盲矿体，由于顶板围岩滞后冒落而形成采空 区。生产中由于采空区处理不及时或处理措施不当，将会造成资源损失和经济浪 费，而且严重危害大部分矿体开采的安全和空区内矿石的回收。为此马钢桃冲矿 业公司与东北大学签订了“马钢桃冲矿业公司井下空区安全与开采技术研究”合 同。 1 2 研究现状及存在问题 i 2 i 研究现状 1 2 1 i 崩落机理的研究 早期人们用自然平衡拱的原理来解释岩石的自然崩落。1 9 5 7 年苏联工程师 r h k 认为【7 】矿石最初是在平衡拱范围内崩落。当平衡拱内的矿石崩落完后，矿 体进入平衡状态。矿体平衡拱作用力与拱基反力平衡，崩落停止，要继续发生崩 落，或者是使拱基上移，或者是扩大拉底面积，而把自然平衡拱暂时的平衡看成 是静止的，这种观点导致指导思想的错误。 1 9 6 2 年，s d w o o d r o f f 把软弱岩层中拉底后的崩落情况用平衡拱原理口j 来解释：岩石重力分解为对角线侧向压力，形成拱作用。顶板自行趋向于形成拱 形。在所有拉应力沿拱线的情况出现以前，岩石趋于崩落。在崩落过程中，需要 建立起超过自然平衡拱结构强度的应力。在这种条件下，在压应力下的剪切破坏 成了引起结构破坏的重要因素。拱的端部或拱脚处的剪应力最大。在硬岩中，当 矿石的抗拉能力强时，崩落线不形成拱形，矿石作为整体下沉，并在下部发生压 应力作用下的破坏。由于拉底后矿石块的沉陷是整体的，它在随机的点上接触矿 柱，在这些点上的应力集中引起岩石受剪和受压而破坏。 东北大学硕士学位论第一章绪论 d f c o a t e s 论述了开挖工程对崩落影响的平面应力类比分析【l5 1 。他认为崩 落可以由两种不同的应力作用引起。第一种是顶板中央的拉应力，它虽然比较小， 但可以使岩石破坏崩落；第二种是拉底空间顶部拐角处的压应力。这两种力的作 用可以同时发生，崩落作用的第三个因素是顶板的形状。当崩落向上发展时，顶 板中央的拉应力逐渐减小并过渡到压应力。顶板趋于稳定。崩落速度变慢，最终 就只剩下表面己松散的岩石继续开裂。上述推论是在水平应力为铅垂应力的1 3 ， 且在崩落面以上的矿层厚度较大的条件下得出的。在水平应力为垂直应力3 倍的 情况下，增加跨度对顶板应力和拐角应力的改变都不大，且这两个应力都是压应 力。有利于形成稳定的顶板。然而，在约束应力比较小或没有的地方，很容易产 生一个与压应力成直角的次生拉应力( 或当约束解除时，也会得到这种次生的拉 应力效果) ，顶板可能成片状冒落。当崩落继续向上发展时，顶板中央的压应力迅 速地随冒落高度增加而增加，在这种场合下，预料会有一种加速发展的崩落作用。 l a p a n e k 认为i ”1 ：如果水平应力s h 与垂直应力s v 之比大于1 2 ，则 拉底空间的顶底板r 区内不出现拉应力；如果s h s v ，也是撬狰锬矿控矿稳逄之一。 m 流嬲理构造：主要产在黄绕组和栖畿组下部灰岩中，这种构造在褶皱时层 阕滑动产誊静揍舔摩擦燕力造成魏；帮获瓣在进霉亍强烈麓大瑾岩纯露，由于挤压 作用t 在爨直应力方向上矿物溶解。在乎抒应力方向上矿物生长，从而形成浅灰 琶与灰白毽方解石檑闯的漉劈理鞠造。矿区流劈璎的走向蒸本与撼层走向一致。 2 、横向断裂 堡运离趣舞分瓷蟊f l f s ) ，在撰囊上镯鬣了地层翦究整往襄缀瑟瑟靛筵蓑， 起到了控制岩性分布的作用，从而也起到了控制矿体和矽卡岩分布的作用。本组 凝瑟一般裁摸较夺，颓爨较陡，拣痰藤予平移瑟爱，藿蟊经遥东嚣惫熬疆蘧应秀 作用，从而又表现为逆断磁性质。水平和避直断距均不大。横断聪对铁矿只起控 矿作爝，不超导矿俸焉，霹忿，与成矿关系不夫。 2 1 2 3 澍浆活动 ( 一) 卷浆热滚； 矿区内未见有较大的岩体出露。在矿酝北部有”滨江”岩体，岩性为花岗岩 及蕊粪斑岩， 侵入层整麓孛下三叠系毒忿群蕴她瀑，密嚣瑟获2 l k 爱，离矿区 约3k m 。 二 岩浆岩糖类与籍葛矿穆特薤： 矿区内发现的辫浆岩有三种类趔：花岗岩、闪长岩和煌斑岩。 晕 东北大学硕士学能论第二帝采空区形态调查 一、阐岩蚀变 鬣重要的为矽卡者亿，次之大理瓣化、礁亿、黄铁矿纯和绿泥石化等。 2 。1 。3 。矿臻特t i e 2 。l 。3 。l 矿床栽模及矿傣特髹 ( 1 ) 主矿体 6 0 年魏搽的矿体蕊模为巾鳖铁矿床，产在黄龙灰岩和栖溢灰岩之滴，圭| 亟袭延 长3 8 0 米，最厚处1 0 0 米，剖面延长6 0 0 米，最厚处约1 1 0 米。矿体产状：总的 走向为8 0 ，地表矿体南倾，倾角较陡，一般为6 0 0 - 7 0 。，最小5 矿。在海拔1 5 0 m ，矿体表现为急倾斜，倾角8 0 。- 9 0 0 ：在海拔1 0 0 米以下，矿体北倾，倾焦技缓， 多为2 0 l 3 矿。其形态：由于矿体是受层间滑幼构造控制，因此矿体形态基本上表 理蔻 毁层状，局郝由子矿体煺厚表瑷为 娃透镜装。农她表为一不援则豹透镜钵； 在剖面上，形似镰刀状，两熹k 细而弯曲处肥大。矿体在走向上。由系向西倾伙， 矮铰角约2 7 。 ( 2 ) 9 0 米水平以下朴韵矿体 本次补勘的矿体是主矿体的一部分，是埋在海拔9 0 米以下的矿体。在剖面上， 矿床总的表现为向北缓倾斜的层状或似层状矿体，主要赋于9 0 一7 米之间，倾角 5 。一2 秽之闯。矿体最腿大处使予西0 5 线；向东嚣方趣矿体厚发变薄，并且往疆矿 体向北倾斜娥深加大，最大延深4 0 0 米，最低标高 9 - 1 0 8 米；往东矿体向上揄起， 造成矿钵囱露镞矮耧，最大邂深为1 8 0 岽，簸 蓑拣塞一1 0 米。9 0 来承孚敬下，蕈 孔见矿厚度最大为1 1 5 4 8 米( c k 补5 ) ，最小为3 8 1 m ( c k 5 3 ) 。本次补勘，单孔 凳矿簿度最大戈7 9 s 3 寒( c k 补9 ) ，最，l 、麓2 1 。0 3 m ( c k 替6 ) ，鬃诗觅矿浮度 5 6 1 4 4 m ，比设计多5 1 4 4 m 。 谯平面上，矿体惑的表现为走向避东西，在西o l 翻面戳宋，矿体表现为向北 翘起。9 3 3 3 米水平之间，矿体较连续，基本上为一熬体：衣2 3 米水平，矿体在 l o 东北大学硕士学位论 第二章采空区形态调查 西0 9 线向西分叉，在1 3 米水平已分为两个矿体，北边为小矿体，分布范围从西 1 3 一西1 5 线，平均宽度2 0 r e _ _ ，南边为大矿体，分布范围从西1 3 一西o l 线，平均 宽度7 0 m ：3 米水平以下，矿体开始变得不连续，只在西0 1 、西0 5 、西0 9 、西1 3 、 西1 5 等线有少量矿体分布。矿体在走向上延长，分布本次所有补勘剖面，长2 6 0 米，并向西继续延伸，直到西1 5 线，总长5 2 0 米。矿体总的趋势由东向西侧倾伏， 倾伏方向为3 1 0 。，倾角3 1 7 。；在西0 1 和西0 5 两剖面上，矿体底板略有抬 高，造成矿体底板有起伏现象( 见图一6 ) 。 2 1 3 2 矿床成因 本矿床是含矿热液沿着层间滑动构造上升，在碳酸岩层位中沿流劈理构造交 代成矿的。本矿床有两个成矿阶段：第一阶段为矽卡岩阶段，没有形成具有工业 价值的矿体：第二阶段为成矿阶段，形成的铁矿体迭加在矽卡岩之上的。本矿床 属于中、高温热液交代矽卡岩型矿床。 2 1 4 水文地质 多年来矿床开采实践以及本阶段补充勘探工作证明，桃冲铁矿床应属于以裂 隙为主，直接进水，水文地质条件中等的裂隙一岩溶冲水矿床类型。 矿床主要冲水岩组中栖霞灰岩、铁矿和矽卡岩，透水性极不均匀，西侧透水 性相对于东侧略强一些。作为隔水底板岩层的五通组局部存在弱富水地段，并具 有承压性。矿床地下水的补给是大气降水。矿区内的构造裂隙作为一种导水介质 并不威胁矿床下步开采疏干。直接威胁9 0 米以下矿床开采疏干的是长龙山顶部， 面积0 1 3 2 平方公里的露采矿坑，是9 0 米水平坑道系统总面积的8 1 倍。其在大 气降水过程中，直接承受并汇集地表径流且迅速转化为矿床地下水的这一部分入 渗的重力水。尤其是降雨量大，降雨时间较长的时段，因此，进一步加强9 0 米水 平坑道系统拦截并排泄降雨过程中迅速入渗的重力水，是未来9 0 米水平以下矿床 开采疏干的关键。 东北大学硕士学位论 第二章采空区瞄恋调查 2 l5 矿床歼采技术条件 2 。1 5 1 顶扳岩石 矿体的顶板岩石，主要楚石灰瓣( 栖霞组) 。其岩住一般较致密，僵在标高 9 0 米以下，驻近矿体的栖霞灰岩，棚当底部，一般禽沥青质、炭质掰，或者丈理 岩化，因此，岩石稳定性降低，低予9 0 米标高以下的栖霞获岩，7 个孔1 4 组， 垂喜捷压强震为2 0 5 9 5 5 0 8 。5 3 k g c m 2 ，平均3 6 8 4 0 k g c m 2 ，满b 类中等坚硬镳软。 即弱风化的硬质岩。 2 1 5 2 底板岩石 斌板岩磊有圈矜：主要蹩石稽磊秽卡岩( 1 0 缝) 帮栖霞获岩( 1 0 缓) ，少量 黄龙臼云质获岩( 3 组) 和弧通组石英砂岩( 2 组) 。各类岩石试验结果：垂宜抗 压强度数据交化大，如1 6 4 8 5 11 3 6 9 2k g l c m 2 。这代表了不阉岩石缎质的受硬程 度。如栖霞灰岩为1 6 4 ，8 5 4 7 2 4k g c m 2 ，平均3 0 9 7 1 4k g c m 2 ，仍属b 类中等憋硬， 接近软质岩。说明栖霞灰岩愈往深部稳定性愈差；石榴石矽卡岩为2 4 4 5 5 6 9 1 5 7 k g c m 2 ，平均5 4 9 。5 4 2k g l c m 2 ；黄龙缰壹云鹱荻岩为3 6 9 4 1 2 1 4k g c m 2 ，警均 3 9 1 6 4 k g c m 2 。两者坚固性有所提高，但与6 3 年补勘报告所提供数据相比，数字 遣编低。五邋缝矗葵骖老垂瘫蕊压强度受l1 3 6 。9 2k g c m 2 ，明显| | 嚣嫒爱岩。慧豹 底板岩石属綦本稳定，只是胤部栖霰组强大理岩化灰岩，风化强，故稳定性较差。 2 1 5 3 。矿体 参阅6 3 年补勘报告深部试验数据7 1 5 1 2 1 6k g c m 2 , 为硬质岩，稳定性较强。 2 2 采空区形态调查 遵过遮矮蜜辩、嚣采魏状及采窆区形态溺查，必了褒予慰采空嚣袁一个蹩钵 的认识，特大体描绘了矿体轮廓图，表明采宅区的能置。见圈1 ： 1 2 东北大学硕士学位论 第二章采空区形态调查 图l 矿体形态及空区所在位置图 2 2 1 7 月份采空区形态调查： 桃冲铁矿主矿体在9 3 m 水平一下北倾，倾角1 5 。- 3 0 。；同时沿走向由东向西 倾伏，倾伏角约2 7 。；约在8 3 m 水平，向西北侧分支出盲矿体。该盲矿体从7 3 m 分段开始回采，经过6 3 m 分段、5 3 m 分段和4 3 m 分段四个分段的回采，形成了 高约4 0 余米、总面积约4 3 0 0 m 2 的大型采空区。该采空区不仅积压了大量的矿石， 而且对其下部采矿生产的安全构成一定的威胁。此外，在- 7 m 中段标高0 - 3 0 5 m 矿段，存在以总面积约1 5 0 0 m 2 的中型民采空区，该空区严重影响着采准工程的 布置形式与施工安全，需要对空区冒落形式、冒落过程与冒落危害等进行深入的 研究。 东北大学硕士学位论第二章采空医形态调查 嗣前为止，7 3 m 分段回采范围内，空区冒落高度已经超过8 3 m 水平。从7 3 m 分段l 联巷w 醴看到，空区南部边缘，醣经瞽落下来大量的矿石块体。采空区边 界的自然扩大和冒落块体的宏观堆积，显示簧采空蹶冒落已经开始。这些冒落都 是在东下作娥人员刁；知不觉中实现的，表明融经发生的冒落为零星留落。 2 2 2 1 0 月份采黧箧诱纛； 随着4 3 m 分霰警区下蟊鹣丈量寤矿戳及6 3 m 分段空区东j e 旁帮位静密矿， 减弱了矿石隔离层对采空区边壁的支持；同时4 3 m 分段上盘侧单层进路的则采 将采空区向上盘扩展了2 5 m ；6 3 m 分段边角矿体的采准施工，消弱了压力掇角部 位的岩体网4 发，从而使空区颚板的霹落条件有所改豢，出现了嘎显的零星霹落现 象。据2 0 0 3 年l o 月1 7 日井下观察，从9 3 m 分段刘7 3 m 分段，都可以看到采空 区璎叛静星落现象。在9 3 m 零乎兹籀3 调攀场2 0 号共嚣5 m 处，翟落魏矿喾块 体已经将巷邋端部密实堵塞。这些块体表面清晰，棱角略显钝化，块度约o 3 。1 2 来之阕。其孛矿磊大块俸多凳扳获，岩石大块多尧块状。岩石块钵壤羧在巷遴熬 南侧上放，矿石块体与部分小块废石站满了巷道的北侧下方。按端酃斜坡谢积大 体嵇铡，矿弑块体蠢撵总面积静2 3 左右( 黼2 ) 。 闺2 钧m 噙段l 联卷端郝矿者黼 东北大学硕士学位论 第二章采空区形态调查 在8 3 m 分段，近3 个月来采空区面积与高度明显增大，此期间i 号联巷已经 冒落近2 0 m 长。从联巷冒落边缘可以看到，冒落堆体呈一南高北低的斜坡，斜坡 倾角约4 6 左右。南侧为覆盖层岩时，块度多为0 3 - 0 8 m ；北侧为冒落的矿石， 块度为3 5 * 3 0 * 2 7 m 。在联巷部位空区顶板高度与联巷顶板几乎平齐，即标高 在8 6 m 左右。在i 号联巷1 2 号进路口，冒落的矿石大块尺寸为：4 0 * 3 0 1 5 m ， 其上还横卧一块2 1 5 i 2 m 的矿石，在其西侧竖立一块长条状岩时，尺寸为 f i * 1 5 1 2 m 。此三块矿岩均为片落所致。 在7 3 m 分段，i 号联巷已经冒落到2 0 井西6 m 处，其中1 0 月1 3 日至1 7 日， 新冒落三块矿石大块，尺寸分别为：3 5 * 2 5 1 7 m ，3 * 2 5 * 0 8 m ，2 5 * 2 0 0 8 m ， 冒落矿石据空区顶板高度约3 m 。冒落堆南侧有覆盖层废石出露，废石大块尺寸约 为2 0 1 0 0 9 m 。 上述这些冒落都是在井下作业人员不知不觉中进行的，标志着整个空区已经 开始零星冒落。 4 3 m 分段上盘1 0 与1 1 两条第一层迸路的回采，以及6 3 m 分段扩展空区采准 工程的实施，对空区的冒落起到了促进作用，同时，现今空区冒落事态的形成， 进一步表明了采用扩展空区的方法处理采空区是可行的。 2 2 3 采空区形态描绘 根据矿山实际各分段回采面积确定空区面积列表如下 表2 1 桃冲铁矿盲矿体回采面积 分段 7 3 m6 3 m5 3 m4 3 m 回采面积( m 2 ) 1 1 5 02 7 5 03 1 5 02 8 2 5 空区总面积( m 2 ) 1 1 5 02 7 5 03 6 5 04 2 7 5 通过几个月调查对空区的形态、大小、位置及冒落形态有了基本的认识，并 根据各分段的回采现状绘制了空区各水平( 4 3 m - 7 3 i n ) 形态图及纵剖面图，如下： 东北大学硕士学位论 第二帮采空区形态调查 6 奎韭点兰堡主鲎垡堡 里三蹩墨室里缝查塑蔓 东北大学硕士学位论第二章采空区琳态调查 至翌生里整墨主堂焦堕一 蔓三童墨皇匡翌查塑奎 ，i k n jr - j ， 广 一 q 冬 、- 一 1 。1 一 爿 一 ， ， 彤一 竹 f 匦 ! 县 ； 尺一 急暑墨，冒 ；l 寒群： ! | 毒a 广 i 2 i j f | 一 。警产 l ，3j 嫡 i i 、li ) 正 囤； i i j 峪4 姆 夕r 碱茹j i i l! u 厂l 、嫌 q o 一， 一 是 i l l k 辞 j a 釜一u量一么- 。 l d 量j 卜 n o o 点勘 巨强。 1 9 东北大学硕士学使论 第二章采空区掰态调查 2 0 东北大学硕士学位论第二章采空区形态调查 j ： l 。r l 1 一 l i r i j j 碡 r p 一 i - 1 1 l c 。 、 r ，户q l 。i + 。 | i | | j i 点 目宣 磊l 蠹 譬j u呻 州 、 c q o o 卜 团 0 | | j 东北大学硕士学位论第二章采空区形态调查 2 2 4 - 7 m 中段采空区形态调查 目前5 5 m 分段的2 号进路已经与采空区探通，3 号进路打进空区的矿柱里， 深入采空区1 6 m 。从这两条进路围岩的表现状态看，采空区边壁矿体的完整性并 未受到空区集中应力的明显破坏，具有良好的稳固性，因此，回采进路完全可以 正常地与空区贯通，而不必采取特殊的支护措施。但3 号进路进入空区矿柱的部 分，掘后2 0 余天即出现明显的地压显现，表现为拱角片落、顶板与两帮局部裂隙 张开，出现片落等。该进路前端1 6 m 开掘在o m 采空区的顶板上，其底板与o m 采空区顶板相距约3 。2 m 。从o m 采空区观察，正对进路底扳部位及附近矿体裂隙 明显扩张，局部出现片落现象。分析其原因，o m 采空区顶板变化的原因，主要 由巷道掘进爆破震动引起，但3 群进路深入空区部分的地压显现，则应主要归因于 矿柱在集中应力作用下强度的大量降低。 东北大学硕士学位论第三章结构面调查和岩体稳定性分析 第三章结构面调查和岩体稳定性分析 3 1 结构面调查 工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存着一些 软弱结构面。根据我国当前金属矿山发生大规模地压活动情况看，地压活动主要 受矿山工程岩体中结构面所控制，即取决于软弱结构面的性状、力学性质及其空 间组合条件。所以，为研究采空区顶板的冒落形式，需要了解矿体顶板的稳定性 情况，查清岩体结构面的性质和特征。为此，科研组对该矿进行了结构面现场调 查工作。调查主要集中在9 3 m 、4 3 m 、7 m 水平。这些地区岩体裸露比较充分，岩 石主要为栖霞灰岩和灰岩。 现场调查内容包括： 1 岩石种类、层位关系、岩石的风化程度； 2 结构面产状( 倾向、倾角、走向) 、组数、间距、粗糙度、闭合度、贯通性 及结构面类型( 节理、层理、断层、断裂构造带) 等： 3 结构面充填物、胶结物的性质和成分( 泥质、硅质、钙质、铁质) 、充填物 的厚度； 4 区域地质构造运动的层次； 5 主要软弱结构面与地下岩石工程轴线的关系： 6 调查地点的地下水赋存情况( 干燥、潮湿、滴水、淋水、涌水) 、水量水压 等等； 调查的方法是：结构面的间距在现场一般都是采用测线法获得的，测量时为了 减少误差，应采用较长的测线，但这对需要在大范围内进行结构面调查的工程来 说，其工作量是巨大的。国外的研究结果表明，在给定误差的条件下，测线的长 东北大学硕士学位论第三章结构面调查和岩体稳定性分析 度可随结构面的间距的大小而变化，可得到测线长度的最优值。p r i e s ts d a n d h u n d s o nj a 结构面符合指数分布时，导出了计算最佳测线长度的计算公式，用图 来表示。 通常相对误差率应取5 - 7 ，从图中可看出，当平均节理间距d p = l m 时， = l d p = l ，可查得最佳测线长度应取5 米。由此可见，当结构面的平均间距小于1 米时，测线长度取5 米即可，当岩体中结构面的平均间距大于1 米时，可根据图， 测线长度可相应增大。 根据以上测量理论，在测试断面附近，首先对所在水平5 m 范围内的围岩进行 观察分析，并对部分结构面进行初步的产状测量，根据结构面的产状、性质、发 育程度等确定存在几组结构面。下面为结构面参数实测数据： 表3 i 栖霞灰岩结构面参数实测数据 地点9 3 m 斜坡道平巷4 3 m 北环3 穿7 m 5 穿口7 m 7 探矿巷 口 岩性厚层栖霞灰岩厚层栖霞灰厚层栖霞灰直接顶板灰岩 石石 结构面密度2 2 条m9 2 条l n受方解石破节理密集，层 碎条带紊乱厚0 1 0 3 5 m 穿插 节理组数23裂隙较发育裂隙急发育 结构面参数2 2 7 。么7 0 。0 2 0 0 。z 8 6 。 2 7 0 。么1 4 。 o 。t 4 1 。- 4 5 。1 2 2 。z 8 7 。 2 8 5 。_ _ 8 4 。 稳固性稳固中等稳固中等稳固偏不稳固 软 3 2 岩体稳定性分析 矿体的顶板岩石，主要是石灰岩( 栖霞组) 。其岩性一般较致密，但在标高9 0 米以下，靠近矿体的栖霞灰岩，相当底部，般含沥青质、炭质两，或者大理岩 东北大学硕士学位论第三章结构面调查和岩体稳定性分析 化，岩石稳定性降低，低于9 0 米标高以下的栖霞灰岩，7 个孔1 4 组，垂直抗压强 度为2 0 5 9 5 5 0 8 5 3 k g c m 2 。平均3 6 8 4 0 k g c m 2 ，属b 类中等坚硬偏软。即弱风化的 硬质岩，由上往下岩体稳定性由强变弱。 顶板岩石岩性一般较致密，属b 类中等坚硬偏软，这也是造成空区顶板围岩 自然冒落的规模较小的一个原因，以至覆盖层未充分的形成，矿使的回收和下部 矿体的回采，这也是本文最主要的研究内容。但同时岩体稳定性由强变弱，采取 一定的工程，使得空区顶板岩石加速冒落，这对促使空区自然冒落形成覆盖层是 有利的。 3 3 采空区冒落形态 无底柱分段崩落法回采，通常采用人工强制落顶，或者全面落顶或者是诱导 崩落顶板，以此形成覆盖层下放矿条件。但落顶工程量巨大，为此，在本项研究 中采用扩展采空区，加速自然崩落顶板岩石形成覆岩下放矿条件。节约巨额落顶 工程费用。下面从空区特征、空区冒落的一般规律、影响空区崩落的参数几个方 面进行定性的分析。 3 3 1 空区特征 ( 1 ) 空区顶板岩石主要是石灰岩( 栖霞组) 。其岩性一般较致密，但含沥青 质、炭质高，或者大理岩化，因此，岩石稳定性降低，属b 类中等坚硬偏软。即 弱风化的硬质岩。当暴露面积大于1 0 0 0 1 5 0 0 m 2 时，即可呈块体自然崩落。自然 冒落随暴露面积扩大而逐渐扩展，即不断扩大冒落高度和冒落范围。 ( 2 ) 空区顶板岩石中无构造破坏，故空区顶板岩石冒落主要取决于岩性和节 理，排除了因存在断裂构造而产生大规模并经常呈突发性大冒落的可能性。 ( 3 ) 上部大型盲空区埋深约2 3 0 m ，下部民采空区埋深约2 6 8 m ，埋深较大， 东北大学硕士学位论第三章结构面调查和岩体稳定性分析 冒落岩石填满空区并经压实之后，空区顶板便受到支撑而减缓和停止冒落。此时 接近无空区状态，这需要几年甚至几十年的时间。 ( 4 ) 空区水平暴露面积不大，7 3 m 分段回采后为1 1 5 0 m 2 ，6 3 m 分段为2 7 s o m ：， 到5 3 m 分段扩大为3 6 5 0 m 2 ，至4 3 m 分段达到4 2 7 5 m 2 。在矿石回收期间由于拉开 的暴露面积不大，空区主要冒落形式为零星冒落，不会发生较大规模的冒落。 ( 5 ) 空区高度小，上部空区最大回采高度为5 0 r n 左右，由于各分段回采，空 区顶板岩石逐渐冒落充填空区后，余下空区高度在l o m 左右。由于空区高度小， 顶板岩石冒落时对下面产生的动力冲击不大。7 m 民采空区标高0 - - 3 0 5 m ，呈蜂窝 状，一般为6 m 左右，且暴露面积不大，即使全部拉开也只有1 5 0 0 m 2 。 顶板冒落时产生的气浪冲击强度主要取决于冒落岩体在短时间内驱出空气 量，而驱出空区量又取决于暴露面积和空区高度。 ( 6 ) 空区是封闭的，岩块冒落时不会有外界气体涌入，使得空区内气压衰减 很快。 综合分析上述空区特征后，不难对空区冒落形式、规模以及发生气浪危害可 能性做出预估。 3 3 2 空区顶板冒落的一般分析 根据空区顶板岩性和空区状态，可采用岩体力学中拱形破坏理论和参考类似 矿山实际经验，对空区顶板崩落过程作出一般分析后，再对空区崩落参数、崩落 过程和形态进行预估。 ( 1 ) 空区顶板出露之后。应力平衡拱内岩石，主要在拉应力作用下，使灰岩节 理逐渐扩展和相互贯通，导致岩石破坏并在自重作用下自然崩落下来。这时的空 区顶板暴露面积可称为开始崩落面积( 1 0 0 0 1 5 0 0 m 2 ) ，是空区顶板冒落的第1 阶段 ( 图9 之i ) 。如果暴露面积不再继续扩大，顶板崩落一定高度( 范围) 后形成比较稳 末北大攀硕士学位论第三章缡构蟊调查和岩体稳定性分辑 定静巍然平衡貘箨丘鬻落，w 在较长耩寸闻雨不再发生冒落。 ( 2 ) 如果空区顶板暴露面积继续扩大，空医项板卷石随之不断产擞阵发性周期 性的褥落，扩大冒落面积和黼度。当空区顶板暴露面积达到一定数假后，便可不 痒顿煞呈拱澎露落麓上发矮，这对鹃空送颈板瑟较称势耨续罾落嚣狡( 1 0 一 1 5 k m 2 ) ，是空区项板冒落的第1 i 阶段( 图9 之i i ) 。 黎露面积达到持续冒落面积之前，冒落范围和高度随暴露面积扩大而扩大。 瑟当空区暴鬃嚣积不褥扩大懿，便可形成稳定效应力乎黉拱，岩聂譬落只限拱表， 同时留落也逐渐停止下来。 遮到持续丽积之荫，即使暴露面积不再扩大，冒落也继续不停顿的向上扩展。 空区暴露面积超过持续冒落馘积，将使冒落逡度和管落块度增大。当空区垂粳超 出持续冒落面积很大时，也可能使空区发生较大面积的冒落，引发具有危害性的 气渡，薮空嚣暴露瑟积特大辩必矮有消除气浚危害豹搪蓬。 ( 3 ) 当空区顶板冒落接近地表时，空区顶扳岩石常常产生髂体性变形和破坏， 空区顶板周边爱剪力破坏常以突发性形式呈较大规模冒落，此时可能引发具有危 害性键滚； 彼地表呈太规模嗣落之前，地表露产生变形和破坏。这种变形和破坏是可以 监测刘的，所以用盆测地表变形和破坏预测她表角落形式和规模是比较准确和可 靠鲍。地表崩落时可称为空送冒落的第l i i 阶段( 图9 之1 1 1 ) 。 ( 4 ) 空区上面地表崩落后，空区周边岩石逐渐向空区崩落充填空医，空区崩落 赛限逐渐商拜扩震，疆后达蓟崩落边界两停止活动形成瘸落带，可称这一酚羧为 空区崩落的第1 v 阶段( 嫒后阶段) ，见圈( 9 之i v ) 。 东北大学硕士学位论 第三章结构面调查和岩体稳定性分析 圈9空区顶板冒落过程示意图 i 一开始冒落( 第1 ) 阶段；i 一持续冒落( 第1 ) 阶段i 一地表冒落( 第1 ) 阶段# l v 一崩落带向外扩展( 第) 阶段 3 3 3 空区崩落参数 ( 1 ) 空区持续崩落面积 持续暴露面积为无间柱连续空区暴露面积。上部空区顶部暴露面积为1 1 5 0 m 2 ， 底面积为4 2 7 5 m 2 ，就整个空区考察，可以认空区在崩落前未达到持续崩落阶段。 就空区顶部讲，暴露面积1 1 5 0 m 2 ，通过几个月的观察冒落面积为开始崩落面积， 只发生小规模零星冒落。当达到自然平衡拱时停止冒落，即很长时间不发生冒落。 东北大学硕士学位论第三章结构面调查和岩体稳定性分析 就空区底部讲，暴露面积为4 2 7 5 m 2 ，未达到持续冒落面积，但暴露面积的扩大会 使零星冒落有所改变，即发生阵发性的间断的冒落，加速了零星冒落。当空区暴 露面超出持续冒落面积，空区可持续冒落，一直冒落到地表，空区冒落的第1 、 i i 两阶段是连续发生的。 持续崩落面积主要取决于岩石条件( 含岩石结构和构造等) ，在一定的岩石条 件下持续崩落面积应是不变的。当空区顶板岩层厚度大，虽有持续冒落阶段出 现，但只能经过一定的时问之后才能进展到第1 i i 阶段。而在空区顶板岩层厚度 不大时，未等达到持续冒落面积之前，地表就发生了突然崩落( 第1 i i 阶段) 。可见 持续冒落阶段是否存在与空区顶板岩层厚度有关。 持续崩落面积大小，虽然主要取决于岩石性质，但与暴露面积形状也有一 定关系，空区面积为方形，如形成四角拱两侧都超过极限平衡拱，此时持续冒 落面较小。若空区面积形状为长条矩形时持续冒落面积则较大，此时由于两侧 窄，形成的应力平衡拱来超过极限平衡拱，构成应力于稳拱廊。 ( 2 ) 空区冒落高度 空区顶板岩石冒落形式，根据岩性和距地表高度可以认为不可能出现空区顶 板全面积整体崩落，而必定是在应力作用下，节理扩展和相互贯通，呈块体下落， 通过观测，空区冒落实际情况已充分表明了这一特点。当在各分段放矿时，矿石 都是在覆岩下放出的，首先放出纯矿石，当放出一定数量之后，便出现岩石，混 入岩石量比值随放出矿石量增大而增大，最后当放出矿石被岩石贫化到截止品位 时而停止放出。其次处于空区底盘侧进路口都被岩石封堵，也表明空区顶板岩石 冒落充分，已达到空区周边。 冒落下来的为块状岩石由于碎胀，体积有一定的增大，充填采空区中形成下 面分段的覆岩。岩石冒落后碎胀系数可取1 2 1 2 5 ，即冒落下的岩石体积增量2 0 2 5 。随着冒落岩石逐渐充填采空区，一直到充满空区并压实后，使空区顶 板受到支撑而停止冒落。此后空区顶板岩石只能在一定范围内产生变形和破坏， 形成一般所谓的裂隙带，不会发展到地表，可称此时的空区顶板岩石冒落高度为 东北大学硕士学位论 第三章结构面调查和岩体稳定性分析 最大冒落高度。 空区顶板岩石最大冒落高度h 取决于回采高度h 和碎胀系数k h = h ( k - - 1 ) h 2 1 1 ，( k 一1 ) 设回采高度h - - - - - 5 0 m ，取k = 1 2 ，最大冒落高度h = 5 0 ( 1 2 1 ) ：2 5 0 m 。 即冒落岩层高度2 5 0 m 时靠其冒落产生碎胀的体积可填满5 0 m 高的空区。 3 4 空区冒落形式、规模的定性 7 月2 2 日下井观测，在9 3 m 分段9 号进路北端东侧，测得从端部放矿口流出 的栖霞灰岩的最大块度为：1 2 5 x1 o 0 6 7 m ：在7 3 m 分段i 号联巷1 3 号进路口 西，目测冒落矿石大块尺寸为：3 5 x 2 2 x1 5 m 。据车间和科室采矿工程师们介绍， 这两处的大块也比较有代表性。在7 3 m 分段i 号联巷的南侧，放矿后期从端部口 流出的栖霞灰岩的大块尺寸，于9 3 m 分段的类似：由于顶板岩石的硬度比矿石的 小，所以顶板岩石的冒落块度比岩石的要小些。从岩体结构面参数、冒落矿岩的 大块尺寸以及7 3 m 分段i 号联巷采空区冒落块体的堆积状态，结合上述空区特征、 空区冒落参数、空区冒落的一般规律分析，7 3 m 水平盲空区最大可能的冒落形式， 应为零星冒落。而从岩体质量与冒落边界条件分析，该采空区冒落的难易程度， 应与西石门铁矿中区9 6 m 分段采空区类似，即当连续拉开的面积达到3 0 0 0 4 0 0 0 m 等价圆面积时，就可促使空区顶板按零星冒落形式，发生小间隔的持续冒落。 由于空区距地面高度为2 3 0 m ，冒落在未达到持续冒落阶段的情况下，经过很长 的一段时间后进展到第三阶段，随着冒落岩石的逐渐充填，最终将充满采空区， 但由于上赋岩石稍稍欠缺，地表将有很小的沉陷裂痕。不会造成安全问题。但随 着下部各分段的逐渐回采，空区的持续拉开面积越来越大，终将达到持续冒落面 积，最后冒透地表和扩展。 由于上部空区顶板暴露面积小，现阶段只发生小规模零星冒落，不能及时的 形成足够的覆盖层，为放矿管理带来了很大的难度，而要留矿石做垫层来管理地 压，影响了矿山的经济效益。这就需要采取一些工程措施扩大采空区暴露面积加 东北大学硕士学位论 第三章结构面调查和岩体稳定性分析 速冒落。 同时4 3 m 分段上盘侧单层进路的回采，将采空区向上盘侧扩展了2 5 m ，6 3 m 分 段边角矿体的采准施工，消弱了压力拱角部位的岩体刚度，从而使空区顶板的冒 落条件有所改善，出现了明显的零星冒落现象。可以肯定扩展采空区足可以加速 冒落，在短时间内形成覆盖层，使得正常回采工作顺利进行。 东北太学硕- i ：学忧论第四章采空区冒蒋危害及冒落气浪的分析计算 第四章采空区管落危害及冒落气浪的分析计算 4 1 空区顶板岩体冒辫气浪的认识 采空区束冒透地表前最难要的危害是冒落气浪伤人和摧毁设备，所以必须对 霉蒸气滚有一个充分豹谈识 4 ，1 。l 。翟落气浚熬壤念及蠡辔 謦落气没是岩抟或岩块黢嵩围老蹲嚣下落封形或瓣泞毒气渡和诱导气流及产 生的冲击波。冒落块体积压下部气体形成高压气体，而四周为低压气体，由于气 压静存在裁形藏气流。罄绕这块钵的气流形成环流，秘嫠块体下落警藤，鹾力迅 速恢复为原始气压，为无伤密气流；岩块下部气体向各巷道低压区冲击的气流形 成渖击气流，由予块体下落遴度侠，瓣淬击气流速度大为有伤害气流。 冒落块体下落到地面时产生的冲击波的破坏也是巨大的。预留覆盖层就是为 了减小冲击波对下分段开采造成影响和危害。 岩块到她嚣时，港块破终形成空隙吸收部分气体，但这是在i 串毒气流靼诱 导气流形成聪而完成的，所以对冲击气流不做考虑。但在研究气流的衰减式要做 考感。 4 。1 2 冒落气浪的懿害范围釉影响因素 霪落气波豹危害范围与程无气体替给源有关。当空区未管通，辫块冒落对， 空区内部质爨和体积不变，随着岩块的下落空区内迅速形成负压区，气浪冲击的 范囝越大，凌部豹受援藏越嶷，这一负压会镬气渡狰壹豹疑爨攫抉溺耗搏，从瑟 使冒落的范嘲受到限制。如果在冒落过程中有外部气体补给而不形成内部负压