矿柱失稳诱发矿区坍塌灾害机理与评估

目录

“岩石力学与工程研究著作丛书”序

“岩石力学与工程研究著作丛书”编者的话

前言

第1章　绪论　1　

1.1　矿柱失稳与矿区坍塌典型案例　2　

1.2　国内外主要研究现状　10　

1.2.1　单矿柱承载与失稳特征　10　

1.2.2　矿柱体系失稳的影响因素　15　

1.2.3　复杂开采条件下矿柱与采空区的稳定性　17

参考文献　20

第2章　双矿柱体系承载与变形破坏特征　27　

2.1　双矿柱承载压缩试验　27　

2.1.1　试验设计　27　

2.1.2　试验结果及分析　31　

2.2　双矿柱体系承载特征数值模拟　42　

2.2.1　PFC2D模拟模型建立　43　

2.2.2　不同弹性模量双矿柱体系模拟结果　46　

2.2.3　不同峰值荷载双矿柱体系模拟结果　48　

2.3　双矿柱体系共同承载及失稳特征　51　

2.3.1　双矿柱体系承载特征　51　

2.3.2　双矿柱体系失稳特征　55

参考文献　59

第3章　多矿柱体系承载与失稳特征　60　

3.1　模型设计与准备　60　

3.2　模型试验结果及分析　64　

3.3　多矿柱体系矿柱顶板失稳模式　75　

3.4　多矿柱体系共同承载特征　78　

3.4.1　矿柱-顶板结构理论模型　78　

3.4.2　矿柱群承载特征的数值试验　81

参考文献　85

第4章　矿柱群连锁失稳的荷载传递特性　87　

4.1　矿柱群连锁失稳过程中的荷载传递效应　87　

4.1.1　矿柱失稳荷载传递效应数值模拟分析　87　

4.1.2　矿柱失稳荷载传递结果分析与讨论　89　

4.2　矿柱失稳荷载传递率　98　

4.2.1　矿柱失稳荷载传递率指标　98　

4.2.2　矿柱失稳荷载传递率的空间分布　101　

4.3　不同工况对矿柱失稳荷载传递率的影响分析　109

参考文献　117

第5章　开采扰动对矿柱群稳定性的影响　118　

5.1　近区开采对上部矿柱群稳定性的影响　118　

5.1.1　模型试验与设计　118　

5.1.2　顶板运动及失稳特征　120　

5.1.3　矿柱群失稳传递机理　126　

5.1.4　矿柱群失稳及顶板剪切破坏　138　

5.1.5　矿柱群失稳诱发及灾害传递机制　139　

5.2　矿柱回采或失稳诱发动力的产生机制　143　

5.2.1　矿柱回采或失稳诱发动力产生原因 143　

5.2.2　矿柱回采或失稳诱发动力的计算　144　

5.3　矿柱回采或失稳诱发动力的扰动及破坏效应　148　

5.3.1　数值模型及模拟步骤　148　

5.3.2　矿柱动力响应的结果分析　151　

5.3.3　卸载波在地下岩体中的传播过程　152　

5.3.4　回采或失稳诱发动力对采场稳定性的影响　154

参考文献　160

第6章　矿柱群连续倒塌的风险分析与评估　161　

6.1　考虑荷载传递的矿柱群连续倒塌模型　161　

6.1.1　分析模型　161　

6.1.2　模型算法与实现流程　162　

6.1.3　模型应用案例分析　163　

6.2　考虑连续倒塌效应的矿柱群可靠性分析　169　

6.2.1　考虑荷载传递的矿柱可靠性分析　169　

6.2.2　矿柱强度离散性与矿柱相关性对评估结果的影响　175　

6.3　矿柱群连续倒塌的风险评估　176　

6.3.1　风险及风险值　176　

6.3.2　连续倒塌危险区域划分　178　

6.3.3　案例应用与适用性　180

参考文献　186

第1章绪论

 矿柱是开采地下矿产资源时为支撑采区周围岩体而留设的暂时或永久性岩柱，起到支撑采空区周围岩体、保障采场稳定的作用。虽然出于提高回采率、减少资源浪费以及环境保护等目的，矿业界正在大力提倡充填采矿方法，但在几十年前，80%以上的矿山采用房柱法、空场法等开采方法。矿石被采出后，会在矿区留下数量庞大、空间分布错综复杂的采空区和矿柱群，部分矿山的矿柱群分布可在垂深方向达到数百米、水平方向绵延数千米。随着时间的推移，矿柱承载能力会逐渐降低，*终可能引发矿柱群失稳和矿山大规模坍塌灾害。例如，1960年1月20日发生在南非Coalbrook矿的一次矿难，老旧矿柱群失稳导致约3km2的矿区坍塌，造成数百人遇难。类似事故时有发生，不仅会造成地下生产系统的损坏、地表塌陷，还会诱发水土流失、矿区生态环境破坏等次生灾害，对矿区经济发展和社会稳定造成极大的负面影响。

 通常，矿柱群大规模坍塌灾害影响范围大，而且具有扰动诱发和“多米诺骨牌”式连锁反应等特点。以广东省大宝山矿区坍塌事故为例，该矿有上千年的开采历史，以房柱法开采为主，地下采空区与矿柱群层罗叠布，呈现蜂窝状。2004年6月12日8：15左右，爆破作业诱发局部矿柱失稳，在副井－458m、－470m、－485m三个中段232线～272线范围，岩体坍塌并向上部传递，造成附近几个开采中段先后贯穿。15：15左右，－500～－570m盲斜井大约在.540m标高处发生井筒坍塌。6月13日22：00左右、6月14日10：50左右，同一区域又接连发生失稳事故。6月17日10：30左右，－500～－570m盲斜井再次塌方，涉及－458m、－470m、－485m、－500m、－542m等多个中段，塌方垂直高度达84m。在－470m中段，冒落长度在东西方向平均为90m，在南北方向平均为120m；在－485m中段，冒落长度在东西方向平均为80m，在南北方向平均为120m；在－500m中段，冒落长度在东西方向平均为48m，在南北方向平均为90m。随后几天内，在矿区岩体应力重新平衡过程中，数十个中段持续发生坍塌事故，失稳岩体体积达到数千万立方米[1]。

 矿柱失稳诱发矿区坍塌灾难如此触目惊心，已经引起国内外政府和企业的高度重视。2008年以来，澳大利亚昆士兰州对Ipswich地区废弃矿山进行了系统的调查与稳定性评价，并对局部矿区进行了回填处理[2]。2016年6月，我国国务院安全生产委员会办公室印发了《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》通知[3]，要求2016年，全面完成全国金属非金属地下矿山采空区的调查和治理工程设计等工作，启动“三下”（水体下、建筑物下、铁路下）开采、石膏矿等影响大的非金属矿采空区、大面积连片和总体积超过100万m3的采空区等重点治理项目。2017年，全面启动采空区事故隐患治理项目，基本完成“三下”开采、石膏矿等影响大的非金属矿采空区、大面积连片和总体积超过100万m3的采空区治理任务。2018年，基本完成采空区事故隐患治理任务，实现矿山企业对采空区的规范管理。

 与此同时，研究者通过多年的努力，在单矿柱的承载及破坏特征、矿柱群体系失稳的影响因素及矿柱和围岩失稳监测与评价等方面取得了许多研究成果[4-7]。然而，地下工程矿柱与围岩的失稳灾害诱因多，失稳方式复杂，且人们对其发生机理和演化规律的认识十分有限，相关研究还以事故调查和原因推测为主。矿柱破坏引起的矿山区域性失稳具有传递性，往往成片破坏。其具体表现为：矿柱群中某一个或几个矿柱失稳后，力的传递等原因造成相邻矿柱相继失稳。此时，矿柱群体系应力场演化机制可能已经超越经典力学范畴，不能用单矿柱承载理论来解释，需要用系统学方法描述其行为特性。

 1.1矿柱失稳与矿区坍塌典型案例

 1.河北省邢台县尚汪庄石膏矿区案例

 2005年11月6日，河北省邢台县尚汪庄石膏矿区发生特别重大事故，不规范开采导致矿柱群失稳，诱发地表沉降，造成数十人死亡，另有几十人受伤，并有88间房屋倒塌，8个竖井严重变形受损。如图1.1和图1.2所示，地表塌陷面积5.3万m2，塌陷区呈300m×210m椭圆形，坍塌体积24.3万m3，地表移动面积24.5万m2，地面*大倾斜95mm/m（约7°），*大错动量1.5m，塌陷区中部*大下沉8.0m[8]。

 事故调查显示[8]，此次灾害发生的主要原因如下：

 （1）事故矿区的矿井之间无安全隔离矿柱，使事故规模和影响范围扩大。

 （2）矿柱没有达到符合长期稳定性要求的尺寸，处于不稳定状态，为事故萌生埋下了隐患。

 （3）矿房顶板出现单向发育拉裂缝，处于亚稳定状态，为事故的发展提供了前提条件。

 （4）多水平开采后，矿房顶柱被大面积遗留在采空区上方，营造了大范围采空区塌陷的可能。

 （5）采空区顶板关键层——灰岩层在采空区整体支撑能力下降74%以后，具备全局塌陷失稳力学条件。

 2.山东省平邑县万庄石膏矿区案例

 2015年12月25日7：56，山东省平邑县万庄石膏矿区发生采空区坍塌，造成该矿区内玉荣石膏矿井下作业的数十名矿工被困。

 如图1.3所示[9]，该矿区内万枣石膏矿与玉荣石膏矿相邻，且开采同一层矿体，两矿间的隔离矿柱为40m，石膏原矿的抗压强度一般为19.2～23.6MPa，其直接顶为砂质泥岩、粉砂岩与膏体层互层，分层厚度为10～15m，单轴抗压强度仅为3.18～5.3MPa，自然裸露状态下一般会随采随冒，但其碎胀性很小，冒落后不会充满采空区。基本顶为位于第四系下部的灰岩层，厚度为30～200m、抗压强度为63.6～108MPa，极限跨度大，具备积聚大量弹性能的客观条件。

 事故调查显示[9]，万枣石膏矿采空区经过多年风化、蠕变，采场顶板垮塌不断扩展，使上覆巨厚石灰岩悬露面积不断增大，超过极限跨度后突然断裂，灰岩层积聚的弹性能瞬间释放形成矿震，诱发相邻玉荣石膏矿上覆石灰岩垮塌，井巷工程区域性破坏，是造成事故的直接原因。坍塌灾害形成机理如下：

 （1）从石膏矿层和顶底板围岩性能分析，随着时间的推移，采空区域内矿房冒落和矿柱失稳在所难免。如图1.4所示[9]，矿床开采后，形成以

……

矿柱是开采地下矿产资源时为支撑采区周围岩体而留设的暂时或永久性岩柱，对保障矿区安全起着至关重要的作用，《矿柱失稳诱发矿区坍塌灾害机理与评估》以室内试验与理论分析为主，侧重矿柱群系统力学行为的研究，探究采空区坍塌灾害演化机理，研发矿柱群坍塌风险评估方法。