緩傾斜層狀礦體開采沉陷預(yù)測與控制研究.pdf

1、目前，隨著礦產(chǎn)資源的大量開采和地下水資源的過度抽取，導(dǎo)致地表出現(xiàn)了大面積的沉降，給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和人們的生命財產(chǎn)造成了巨大損害。石膏是一種埋深淺、礦體薄、分布廣的緩傾斜層狀礦體，具有遇水膨脹、軟化等特點(diǎn)，開采此礦體極易誘發(fā)地表沉降和塌陷事故。但由于其價格低，人們對其開采沉陷的研究成果較少。因此，開展此項(xiàng)研究具有十分重要的理論意義。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、相似模擬、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對石膏礦的力學(xué)特性、采空區(qū)頂板的破斷機(jī)

2、理及其上覆巖層的移動規(guī)律，以及開采沉陷的預(yù)測方法和控制措施進(jìn)行了研究，得到了如下研究成果:
　　(1)采用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對自然狀態(tài)和水飽和狀態(tài)的石膏試樣，以及自然狀態(tài)下不同高徑比的石膏試樣的瞬時力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:水飽和狀態(tài)的石膏試樣的抗壓強(qiáng)度是其自然狀態(tài)的79.94％;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到了石膏試樣強(qiáng)度與尺寸效應(yīng)的理論模型及其參數(shù)。
　　(2)采用SAW-2000巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對自然

3、狀態(tài)和水飽和狀態(tài)的石膏試樣進(jìn)行了分級加載的流變試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:自然狀態(tài)和水飽和狀態(tài)的石膏試樣均表現(xiàn)出了很好的流變特性，且其流變?nèi)^程曲線符合粘彈性流變特征;自然狀態(tài)和水飽和狀態(tài)的石膏試樣的長期強(qiáng)度分別為其峰值強(qiáng)度的77％和68.8％，且后者的長期強(qiáng)度為前者的55％。
　　(3)根據(jù)彈性-粘彈性相應(yīng)原理，采用粘彈性薄板彎曲理論，建立了采空區(qū)頂板粘彈性薄板彎曲的力學(xué)模型，得到了采空區(qū)頂板的臨界荷載及其撓度曲線的表達(dá)式，建立了采空區(qū)

4、頂板破斷的判據(jù)，確定了合理的采空區(qū)長度、礦房跨度、直接頂厚度等采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用FLAC3D中的伯格斯蠕變模型對采空區(qū)頂板蠕變變形和不同高跨比的礦柱承載能力進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在0～60d時，采空區(qū)頂板緩慢下沉、逐漸離層、開裂形成薄板彎曲結(jié)構(gòu);在180d時，采空區(qū)頂板離層現(xiàn)象十分明顯，頂板開始破斷失穩(wěn)，此時地表也出現(xiàn)了明顯的沉降;到達(dá)360 d時，采空區(qū)頂板已整體垮落失穩(wěn)，地表沉降值逐漸增大，最終形成整體塌陷;當(dāng)石膏礦柱的

5、跨度小于4m時，其已被壓壞而不能支承上覆巖層的圍巖壓力，導(dǎo)致采空區(qū)頂板及上覆巖層破斷而垮落。
　　(4)采用相似理論，建立了相似模擬模型試驗(yàn)。相似模擬試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)?shù)V房跨度大于10m時，采空區(qū)頂板開始產(chǎn)生豎向裂隙和離層裂隙;隨礦房跨度的增大，其豎向裂隙和離層裂隙逐漸增大而產(chǎn)生彎曲、下沉、破斷以及整體垮落;當(dāng)?shù)V房跨度為164m時，采空區(qū)上覆巖層的垮落帶高度為55m，為采空區(qū)高度的18.3倍，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為94.5m，為采空區(qū)

6、高度的31.5倍，地表沉降的最大值為ll5cm，下沉系數(shù)為0.38。
　　(5)根據(jù)理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬的結(jié)果，建立了考慮采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的地表沉降和頂板豎向位移預(yù)測的ANFIS模型，分析了其擬合性能和預(yù)測性能，對衡山某石膏礦的采空區(qū)地表沉降和頂板豎向位移進(jìn)行了預(yù)測，同時還對其進(jìn)行了實(shí)測。研究結(jié)果表明:建立的采空區(qū)地表沉降和頂板豎向位移預(yù)測的ANFIS模型的擬合精度分別達(dá)96％和98％以上，預(yù)測精度分別達(dá)97％和96％以上;采

7、用該模型預(yù)測的衡山某石膏礦的采空區(qū)地表沉降值和頂板豎向位移值與實(shí)測結(jié)果吻合良好;礦房跨度為10m，礦柱跨度為4m是該地區(qū)石膏礦最合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(6)采用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對7種配合比的黃土-廢石膠結(jié)充填體在不同齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，利用齡期為28 d的黃土-廢石膠結(jié)充填體的力學(xué)參數(shù)對試驗(yàn)采場進(jìn)行了充填法回采的FLAC3D數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選用C組配比的黃土-廢石膠結(jié)充填體對該礦試驗(yàn)采場進(jìn)行了充

8、填，同時還對其進(jìn)行了應(yīng)力測試。研究結(jié)果表明:齡期為28d的C組黃土-廢石膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度大于2 MPa;選用C組配合比的黃土-廢石膠結(jié)充填體的試驗(yàn)采場的應(yīng)力測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，能有效地控制該試驗(yàn)采場的地壓。
　　(7)采用C組黃土-廢石膠結(jié)充填體的力學(xué)參數(shù)對石膏礦采空區(qū)進(jìn)行充填開采的FLAC3D數(shù)值模擬，分析了5種充填開采方案對采空區(qū)頂板巖層的豎向位移和地表沉降的影響。數(shù)值模擬的結(jié)果表明:采用最優(yōu)充填開采方案能有效