采空区失稳过程的多米诺效应分方法析方法.docVIP

大面积采空区塌陷的多米诺效应及其力学机理研究 马海涛1 王金安2 王云海1 （1. 中国安全生产科学研究院 100012 2. 北京科技大学 100083） 摘要：空场法形成的大面积连续坚硬顶浅埋采空区群，在矿柱-顶板系统缓慢蠕变的时空效应影响下，将发生由局部矿柱和顶板失稳引发的大面积垮冒，直至矿井整体塌陷，呈现多米诺效应，传统的力学稳定性分析忽略了这一动态过程。在对采空区塌陷多米诺效应致灾机理分析的基础上，采用力学方法结合Voronoi图形法，建立了矿柱-顶板系统稳定性的动态分析方法，与实际情况更为相符，可以更为准确的预测采空区的稳定存续时段和灾害发生位置。研究结论对矿山岩石力学和企业安全生产具有参考价值。 关键词：采空区,稳定性,多米诺效应,Voronoi图 Study On Mechanics And Domino Effect of Large-scale Goaf Cave-in Ma Haitao1, Wang Jinan2, Wang Yunhai1 （1. China Academy of Safety Science Technology，100012. 2. University of Science Technology Beijing, 100083） Abstract: Key words: Goaf, stability,domino effect, Voronoi polygon 1.前言 采空区是指地下矿石采出后形成的相互贯通的连续空间，采空区群是指在一个区域密集分布，共同作用导致上覆岩层移动或崩落的大量采空区的统称，一般为一个矿田或一个井田内的采空区总和。当采空区体积达到一定规模或在围岩缓慢蠕变破坏下，顶板和矿柱不能支持上部覆岩荷载时，将诱发地表沉陷、建筑物倒塌，并在井下形成冲击波，危机矿工生命。采空区灾害是中国分布最广、发生最频繁、危害最大的矿山灾害[1]。我国70%～80%的金属矿山存在采空塌陷灾害[2]，因采矿引起的塌陷面积已达1150km2，发生采矿塌陷灾害的矿业城市有30多个，每年因地面塌陷造成的损失达4亿元以上[3]。 从力学理论角度来研究顶板的破坏机理，有助于在更深层次上认识顶板大面积瞬时冒落这一矿山压力现象的本质，以便寻求解决顶板冒落的工程控制问题 图1 采空区顶板冒落类型示意图 图2 矿柱非脆性破坏过程示意图 2.2采空区冒落的多米诺效应 采空区的各种破坏形式在时间和空间上是相互联系、相互转化的。采空区形成初始，在岩层构造、节理、裂隙和局部应力的作用下，顶板局部会冒落，形成自然平衡拱，并保持长期稳定。矿柱在顶板荷载作用下发生缓慢蠕变，破坏发展到核部承载区后，矿柱失稳，不再承担顶板荷载。顶板失去下部支撑后，发生局部冒落，再次形成新的应力拱，将荷载转移到周边矿柱。周边矿柱荷载增加后，可能进一步失稳，从而顶板应力继续向外转移，最终当足够多的矿柱发生失稳，不能支撑上部岩层荷载，应力拱裂隙发育带到达地表后，将发生地表大面积瞬时切冒型塌陷的突变。这种由局部矿柱破坏引发的顶板荷载传递和矿柱链锁式破坏，最终导致大面积塌陷灾害的现象，称为采空区塌陷的“多米诺”效应，如图3所示。 图3 采空区塌陷的“多米诺”效应示意图 这种类型的采空区塌冒事故在空场法开采的矿山时有发生，均以全矿毁灭性破坏、人员群死群伤和地表严重塌陷为显著特点。1986年6月9日，大同矿务局南郊北村煤矿800m2顶板冒落，之后周边南郊区北村煤矿、小南头煤矿、韭菜沟煤矿、51056部队煤矿合计89425m2顶板大面积冒顶，6月13日地面突然塌陷80500m2，损失极为惨重；2005年11月6日，河北邢台康立石膏矿发生坍塌事故，波及太行、林旺两个石膏矿，地面突然塌陷480000m2，部分房屋倒塌，共造成33人死亡[5]。发生过大面积采空区失稳“多米诺”效应的矿山，存在三个共同特点：（1）采空率大于60%，矿柱承受荷载大，顶板暴露面积大；（2）煤矿矿柱宽高比普遍小于3，金属矿山宽高比普遍小于1；非金属矿宽高比普遍小于2，矿柱破坏后残余应力越小；（3）采空区埋深较浅，裂隙带发育到地表。 在总结大量事故的基础上，分析采空区塌陷多米诺效应的因素主要包括四个方面：（1）顶板刚度较大，可以承受较大载荷，集聚大量变形能。（2）局部矿柱承载能力低或采空区顶板暴露面积大，部分矿柱承载力达到屈服极限。（3）矿柱承载能力普遍较低，多数矿柱无法承担转移后的附加应力。（4）没有安全隔离矿柱，或安全矿柱承载力不足，未能阻止应力继续传递。 因此，需要从矿柱-顶板组成的采空区群结构发生失稳的力学动态变化过程进一步研究采空区塌陷灾害的力学分析和风险评估方法。 3.矿柱与矿柱群失稳分析方法 3.1矿柱失稳的影响因素 影响矿柱稳定性的因素矿