D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.06.001 第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2009 无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 杜翠凤)杜建华) 郭廖武)唐国友) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉430080 摘要以武钢程潮铁矿西区开采为工程背景，采用现场钻孔监测与相似材料模型实验相结合的方法，对无底柱分段崩落法 开采过程中顶板围岩的变形和崩落规律进行了系统研究·首先，结合矿体赋存条件、地层结构和开采进程，设计两个钻孔实时 监测顶板围岩的崩落规律。其次，以模型相似理论为基础，确定了所要研究模型的剖面和几何尺寸，设计制作模型，采用百分 表、压力传感器和近景摄影测量等手段监测模型的应力、应变和破坏特征，并对百分表数据、应力盒数据、围岩位移和围岩破 坏裂纹进行系统分析·研究成果初步揭示了金属矿山无底柱分段崩落法开采过程中，顶板围岩崩落机理和地表沉陷的基本规 律。 关键词围岩：崩落开采法：无底柱分段崩落法：钻孔监测 分类号TD325 Mechanism of capping rock collapse by no-pillar sublevel caving DU Cui-feng,DU Jian-hua,GUO Liao-wu2),TANG Guo-you2) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron and Steel Corporation Mining Co.Ltd..Wuhan 430080,China ABSTRACI Chengchao Iron Mine of Wuhan Iron and Steel Corporation was taken as the engineering background.Drilling monitor and similar material model test were used to study the regular and mechanism of capping rock collapse during orebody caving.Firstly, based on the condition of orebody occurrence.strata's structure and mining process,two drill-holes were designed to monitor the pro- cess of capping rock collapse.Secondly.based on the similar model theory.according to sections and geometry sizes a similar material model was built to study the characters of strain,displacement and deformation through the data collection methods of pressure cells, percent meters and photogrammetry.The collusions reveal the elementary mechanism of capping rock collapse and the rules of ground subsidence during the caving process by non-pillar sublevel caving. KEY WORDS capping rock:caving:nonpillar sublevel caving:drill-hole monitoring 崩落法开采引起的围岩崩落是一个复杂的空 以煤矿为基础的很多研究结论无法应用于金属矿 间时间问题]，覆岩崩落规律的研究在煤矿较为山.目前主要研究手段有数值分析法0]、现场实 成熟，针对覆岩崩落机理国内外学者提出了多种理 测法和模型试验法，综合比较，数值方法应用比较 论，具有良好分层性的采场覆岩破断规律已被基本 灵活，可考虑多种因素的影响，但是其结果的可靠性 掌握]，其中具有代表性的有压力拱假说、预成裂 受人的主观因素影响较大：现场实测法能够准确地 隙梁假说、铰接岩块假说、砌体梁理论、传递岩梁理 得到测点围岩崩落规律，但不能得到整个采场覆岩 论和关键层理论等，钱鸣高等创立的关键层理论已 的崩落特征；对于整个采场顶板的崩落过程研究，模 在煤矿开采实践中得到广泛的应用， 型试验更为直接，且可以得到围岩内部应力及地表 金属矿山在矿体赋存条件、地层结构、矿体形 变形变化规律. 态，构造应力和地下水等多个方面迥异于煤矿[)， 程潮铁矿西区于2003年投入生产，采矿方法为 其矿岩分布、内部应力特征具有更大的随机性，致使 无底柱分段崩落法，矿体形态如图1所示，无底柱 收稿日期：2008-04-29 基金项目：国家“十一五”科技支撑重大计划资助项目(N。.2006哪AB02A02) 作者简介：杜翠风(1966一），女，副教授，博士，Emal:ducuifeng@126.com
无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 杜翠凤1） 杜建华1） 郭廖武2） 唐国友2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 武汉钢铁集团矿业有限责任公司武汉430080 摘 要 以武钢程潮铁矿西区开采为工程背景采用现场钻孔监测与相似材料模型实验相结合的方法对无底柱分段崩落法 开采过程中顶板围岩的变形和崩落规律进行了系统研究．首先结合矿体赋存条件、地层结构和开采进程设计两个钻孔实时 监测顶板围岩的崩落规律．其次以模型相似理论为基础确定了所要研究模型的剖面和几何尺寸设计制作模型采用百分 表、压力传感器和近景摄影测量等手段监测模型的应力、应变和破坏特征并对百分表数据、应力盒数据、围岩位移和围岩破 坏裂纹进行系统分析．研究成果初步揭示了金属矿山无底柱分段崩落法开采过程中顶板围岩崩落机理和地表沉陷的基本规 律． 关键词 围岩；崩落开采法；无底柱分段崩落法；钻孔监测 分类号 TD325 Mechanism of capping rock collapse by no-pillar sublevel caving DU Cu-i feng 1）DU Jian-hua 1）GUO Liao-w u 2）T A NG Guo-you 2） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Wuhan Iron and Steel Corporation Mining Co．Ltd．Wuhan430080China ABSTRACT Chengchao Iron Mine of Wuhan Iron and Steel Corporation was taken as the engineering background．Drilling monitor and similar material model test were used to study the regular and mechanism of capping rock collapse during orebody caving．Firstly based on the condition of orebody occurrencestrata’s structure and mining processtwo dril-l holes were designed to monitor the process of capping rock collapse．Secondlybased on the similar model theoryaccording to sections and geometry sizes a similar material model was built to study the characters of straindisplacement and deformation through the data collection methods of pressure cells percent meters and photogrammetry．T he collusions reveal the elementary mechanism of capping rock collapse and the rules of ground subsidence during the caving process by non-pillar sublevel caving． KEY WORDS capping rock；caving；non-pillar sublevel caving；dril-l hole monitoring 收稿日期：2008-04-29 基金项目：国家“十一五”科技支撑重大计划资助项目（No．2006BAB02A02） 作者简介：杜翠凤（1966—）女副教授博士E-mail：ducuifeng＠126．com 崩落法开采引起的围岩崩落是一个复杂的空 间—时间问题［1—3］覆岩崩落规律的研究在煤矿较为 成熟针对覆岩崩落机理国内外学者提出了多种理 论具有良好分层性的采场覆岩破断规律已被基本 掌握［4—5］其中具有代表性的有压力拱假说、预成裂 隙梁假说、铰接岩块假说、砌体梁理论、传递岩梁理 论和关键层理论等钱鸣高等创立的关键层理论已 在煤矿开采实践中得到广泛的应用． 金属矿山在矿体赋存条件、地层结构、矿体形 态、构造应力和地下水等多个方面迥异于煤矿［6—9］ 其矿岩分布、内部应力特征具有更大的随机性致使 以煤矿为基础的很多研究结论无法应用于金属矿 山．目前主要研究手段有数值分析法［10—13］、现场实 测法和模型试验法．综合比较数值方法应用比较 灵活可考虑多种因素的影响但是其结果的可靠性 受人的主观因素影响较大；现场实测法能够准确地 得到测点围岩崩落规律但不能得到整个采场覆岩 的崩落特征；对于整个采场顶板的崩落过程研究模 型试验更为直接且可以得到围岩内部应力及地表 变形变化规律． 程潮铁矿西区于2003年投入生产采矿方法为 无底柱分段崩落法矿体形态如图1所示．无底柱 第31卷 第6期 2009年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．6 Jun．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．06．001
.668 北京科技大学学报 第31卷 分段崩落法顶板崩落的目的是为了形成覆盖岩层， 图3所示 覆盖岩层不仅起到缓冲围岩冒落时冲击气浪的危害 600 作用，也为回采时挤压爆破提供条件，因此，顶板强 6550h -290m矿体边界 制崩落方案是否正确、效果好坏对后续爆破回采影 -307.5m矿体边界 响严重，同时，顶板围岩何时可以崩落到地表，对地 6500H -325m矿体边界 表建筑物的影响范围和影响程度如何是直接关系到 6450 1结孔 -3425m矿体边界 生命与财产安全的重大问题，2006年4月17日，西 6400叶 2结孔 区突然发生了地面塌陷变形的地质灾害，塌陷坑对 6350 应西区一290m水平开采区的西端，塌坑面积约 6300 4140m2,裂隙区面积24770m2.塌陷区的移动范围 620 6900 700071007200 向西或向北继续发展将直接影响到程潮铁矿的生产 m 安全，其中，西部是选矿车间和球团车间工业厂房， 图2监测孔与矿体水平投影的相对位置 北部是箕斗井和新副井等，因此，本研究采用现场 Fig.2 Relative location of the monitoring location and ore body hor- 监测和相似材料模拟实验的方法对金属矿山崩落法 izontal projection 开采顶板围岩崩落的机理进行研究，从而为程潮铁 矿地表移动范围预测与建筑物保护提供依据. 一接线盒 7000 线 钻孔 低标号水泥砂奖 图3测孔内电缆线连线方式 Fig.3 Connection of cable conductors in a monitor drill-hole 5500A 6000 6S00 7000 7500 0 m 表1给出了1号监测孔中的岩石性质、厚度、岩 型I号矿体边界线可号矿体边界线☐■号矿体边界线 芯长度、岩芯采取率和RQD值（岩石质量指标）·可 写N号矿体边界线司V号矿体边界线间川号矿体边界线 ■号矿体边界线乙秒利位置及编号 以看出，顶板围岩主要由角岩、花岗斑岩、闪长岩、硬 石膏和大理岩组成，厚度最大的是角岩，为91.16m, 图1程潮铁矿各矿体分布平面图 RQD值为41%，岩芯采取率仅为37.76%.RQD值 Fig.1 Layout plan of main orebody in Chengchao Iron Mine 最低的是斑状花岗岩，仅为24%.绝大部分围岩是块 1 西区顶板围岩崩落过程监测与分析 表11号监测孔的岩芯基本情况 Table 1 Basic information of the rock specimen in No.I drill-hole 1.1测点布置及监测方法 层 钻孔深 厚度/ 岩芯 采取 ROD/ 2002年西区开始放顶工程，此后已经逐步结束 号 层位 度/m m 长/m 率/% % 了一290，-307.5和-325m三个水平的放顶与采 1 砂质土 3.90 3.90 0 0 0 矿工作，一342.5和一360m水平也已经开始进行回 角砾 20.14 16.24 0 0 0 采，2004年在与放顶区垂直对应的地表往下钻凿 3 角岩 112.3091.16 34.42 37.76 41 了两个钴孔，钻孔直接连通地表与地下采空区，主要 4斑状花岗岩116.29 3.99 3.74 94 24 用于监测顶板的崩落情况，观测孔的水平投影位置 5 闪长岩 162.20 45.91 42.82 93 47 如图2所示，在监测孔内安装监测电缆线，电缆线 6 硬石膏 183.20 21.00 19.20 91 65 由多股细电线回路组合而成，各回路在设定的部位 7 闪长岩 231.78 48.58 48.53 100 67 连接，并且被低标号水泥砂浆固结在孔内与周围岩 花岗斑岩243.0011.22 11.17 100 71 体连成一体。如果岩体发生崩落，对应部分的电线 硬石膏 270.0027.00 25.78 95 9 也将拉断，从监测室可以测到已断开的电路，从而确 10 大理岩 297.6821.6812.40 57 57 定崩落岩体的最大高度，孔内电缆线的连线方式如
分段崩落法顶板崩落的目的是为了形成覆盖岩层 覆盖岩层不仅起到缓冲围岩冒落时冲击气浪的危害 作用也为回采时挤压爆破提供条件．因此顶板强 制崩落方案是否正确、效果好坏对后续爆破回采影 响严重．同时顶板围岩何时可以崩落到地表对地 表建筑物的影响范围和影响程度如何是直接关系到 生命与财产安全的重大问题．2006年4月17日西 区突然发生了地面塌陷变形的地质灾害塌陷坑对 应西区—290m 水平开采区的西端塌坑面积约 4140m 2裂隙区面积24770m 2．塌陷区的移动范围 向西或向北继续发展将直接影响到程潮铁矿的生产 安全．其中西部是选矿车间和球团车间工业厂房 北部是箕斗井和新副井等．因此本研究采用现场 监测和相似材料模拟实验的方法对金属矿山崩落法 开采顶板围岩崩落的机理进行研究从而为程潮铁 矿地表移动范围预测与建筑物保护提供依据． 图1 程潮铁矿各矿体分布平面图 Fig．1 Layout plan of main orebody in Chengchao Iron Mine 1 西区顶板围岩崩落过程监测与分析 1∙1 测点布置及监测方法 2002年西区开始放顶工程此后已经逐步结束 了—290—307∙5和—325m 三个水平的放顶与采 矿工作—342∙5和—360m 水平也已经开始进行回 采．2004年在与放顶区垂直对应的地表往下钻凿 了两个钻孔钻孔直接连通地表与地下采空区主要 用于监测顶板的崩落情况．观测孔的水平投影位置 如图2所示．在监测孔内安装监测电缆线电缆线 由多股细电线回路组合而成各回路在设定的部位 连接并且被低标号水泥砂浆固结在孔内与周围岩 体连成一体．如果岩体发生崩落对应部分的电线 也将拉断从监测室可以测到已断开的电路从而确 定崩落岩体的最大高度孔内电缆线的连线方式如 图3所示． 图2 监测孔与矿体水平投影的相对位置 Fig．2 Relative location of the monitoring location and ore body horizontal projection 图3 测孔内电缆线连线方式 Fig．3 Connection of cable conductors in a monitor dril-l hole 表1给出了1号监测孔中的岩石性质、厚度、岩 芯长度、岩芯采取率和 RQD 值（岩石质量指标）．可 以看出顶板围岩主要由角岩、花岗斑岩、闪长岩、硬 石膏和大理岩组成厚度最大的是角岩为91∙16m RQD 值为41％岩芯采取率仅为37∙76％．RQD 值 最低的是斑状花岗岩仅为24％．绝大部分围岩是块 表1 1号监测孔的岩芯基本情况 Table1 Basic information of the rock specimen in No．1dril-l hole 层 号 层位 钻孔深 度／m 厚度／ m 岩芯 长／m 采取 率／％ RQD／ ％ 1 砂质土 3∙90 3∙90 0 0 0 2 角砾 20∙14 16∙24 0 0 0 3 角岩 112∙30 91∙16 34∙42 37∙76 41 4 斑状花岗岩 116∙29 3∙99 3∙74 94 24 5 闪长岩 162∙20 45∙91 42∙82 93 47 6 硬石膏 183∙20 21∙00 19∙20 91 65 7 闪长岩 231∙78 48∙58 48∙53 100 67 8 花岗斑岩 243∙00 11∙22 11∙17 100 71 9 硬石膏 270∙00 27∙00 25∙78 95 79 10 大理岩 297∙68 21∙68 12∙40 57 57 ·668· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第6期 杜翠凤等：无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 .669 状构造，质地较硬，节理裂隙发育，多被绿泥石、方解 (3)地表出现明显的塌陷之前，存在较长的崩 石充填，蚀变强烈，岩芯较破碎，所以，顶板围岩的 落速度很小或者崩落停滞时段；而在地表临近塌陷 物理力学性质十分不均 时，则有大范围的围岩突然崩落现象.例如：2005一 1.2监测结果及分析 1007一20060306期间，1号监测孔根本没有发 从监测钻孔施工完成开始，至西区地表崩落结 生崩落，2号监测孔也仅崩落了10m;而在200603 束，监测时间为17个月，监测的时间间隔为1个月， 07一200604一14期间，1号监测孔则崩落了20m, 通过观测，取得了顶板崩落过程比较丰富而且准确 2号监测孔崩落了60m. 的数据，钻孔处岩体的崩落过程如图4和图5所 (4)结合两个钻孔的观测结果得出剖面上顶板 示.，结合井下生产的观察情况，以及观测孔施工过 的崩落过程（如图6），从图中可以看出，由于矿体西 程的岩芯采取情况，顶板围岩崩落的过程有如下几 端的首采水平比东端高，放顶时间也远早于东端，因 方面特点： 此首先形成小型的冒落拱，随着东端矿体的开采， -160r 顶板的冒落范围逐渐向东转移，从而形成更大范围 -170 前落停止 的冒落拱， -180 200604-14 -190 突然期落 200603-03 -200 -2005-1001 -210 麟落停止 -220 -2005-09-01 逐崩落 2004-12-30- -230 -240 -250 -290m 2004- 2005- 2005- 2005- 2006-2006- -3075m 09-21 01-21 05-21 09-21 01-21 0521 -325m 观测日期 -3425m 图6采空区与崩落区相对关系 图41“监测孔顶板岩层崩落监测结果 Fig.6 Relationship between air gap and caved area Fig.4 Monitoring results of No.I drill-hole 2相似材料模拟实验研究 -50 -100 相似模拟研究是在实验室内按相似原理制作与 原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参 -150 突然崩落 数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推 -200 嘲落停止 暖慢脚落 断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的 -250 规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题 -300 相似三定律指出了原型和模型物理现象相似的 2004- 2005-2005-2005-2005-2006-2006 必要条件和充分条件，并且给出了三种推导相似判 11-0502-0505-05080511-0502-0505-05 观测日期 据的方法：定理法、方程分析法和量纲分析法，基于 相似理论，建立西区相似材料工程地质力学模型，研 图52#监测孔顶板岩层崩落监测结果 究一290~一500m分段岩层移动变形规律及开采 Fig.5 Monitoring results of No.2 drill-hole 对地表的影响，补充和完善地下开采围岩应力应变 (1)在放顶工程期间，由于顶板是块状结构的 的变化规律. 大理岩，稳定性较好没有出现及时崩落，随着开采 2.1模型设计与制作 分段的下降和采空区暴露面积的不断扩大，顶板围 2.1.1模型设计 岩开始逐渐崩落 实验装备主要是二维模型试验台，由框架系统、 (2)顶板围岩的崩落呈现出明显的间歇性和跳 加载系统和测试系统构成，框架系统规格为 跃性的特点，例如，1号监测孔的崩落高度与时间 4.2mX0.25m×1.2m.通过加载可以模拟研究采 曲线具有非常明显阶段性，其发展过程是：缓慢崩落 深500m以上的采场上覆岩层的运动和破坏规律 (或崩落停止)→突然崩落→缓慢崩落（或崩落停止） 采用的观测工具为百分表、应力传感器和摄影机 →突然崩落→地表塌陷 程潮铁矿西区地下矿体分布复杂且厚度变化较
状构造质地较硬节理裂隙发育多被绿泥石、方解 石充填蚀变强烈岩芯较破碎．所以顶板围岩的 物理力学性质十分不均． 1∙2 监测结果及分析 从监测钻孔施工完成开始至西区地表崩落结 束监测时间为17个月监测的时间间隔为1个月． 通过观测取得了顶板崩落过程比较丰富而且准确 的数据．钻孔处岩体的崩落过程如图4和图5所 示．结合井下生产的观察情况以及观测孔施工过 程的岩芯采取情况顶板围岩崩落的过程有如下几 方面特点： 图4 1＃监测孔顶板岩层崩落监测结果 Fig．4 Monitoring results of No．1dril-l hole 图5 2＃监测孔顶板岩层崩落监测结果 Fig．5 Monitoring results of No．2dril-l hole （1） 在放顶工程期间由于顶板是块状结构的 大理岩稳定性较好没有出现及时崩落．随着开采 分段的下降和采空区暴露面积的不断扩大顶板围 岩开始逐渐崩落． （2） 顶板围岩的崩落呈现出明显的间歇性和跳 跃性的特点．例如1号监测孔的崩落高度与时间 曲线具有非常明显阶段性其发展过程是：缓慢崩落 （或崩落停止）→突然崩落→缓慢崩落（或崩落停止） →突然崩落→地表塌陷． （3） 地表出现明显的塌陷之前存在较长的崩 落速度很小或者崩落停滞时段；而在地表临近塌陷 时则有大范围的围岩突然崩落现象．例如：2005— 10—07—2006—03—06期间1号监测孔根本没有发 生崩落2号监测孔也仅崩落了10m；而在2006—03— 07—2006—04—14期间1号监测孔则崩落了20m 2号监测孔崩落了60m． （4） 结合两个钻孔的观测结果得出剖面上顶板 的崩落过程（如图6）．从图中可以看出由于矿体西 端的首采水平比东端高放顶时间也远早于东端因 此首先形成小型的冒落拱．随着东端矿体的开采 顶板的冒落范围逐渐向东转移从而形成更大范围 的冒落拱． 图6 采空区与崩落区相对关系 Fig．6 Relationship between air gap and caved area 2 相似材料模拟实验研究 相似模拟研究是在实验室内按相似原理制作与 原型相似的模型借助测试仪表观测模型内力学参 数及其分布规律利用在模型上研究的结果借以推 断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的 规律从而解决岩体工程生产中的实际问题． 相似三定律指出了原型和模型物理现象相似的 必要条件和充分条件并且给出了三种推导相似判 据的方法：定理法、方程分析法和量纲分析法．基于 相似理论建立西区相似材料工程地质力学模型研 究—290～—500m 分段岩层移动变形规律及开采 对地表的影响补充和完善地下开采围岩应力应变 的变化规律． 2∙1 模型设计与制作 2∙1∙1 模型设计 实验装备主要是二维模型试验台由框架系统、 加载 系 统 和 测 试 系 统 构 成．框 架 系 统 规 格 为 4∙2m×0∙25m×1∙2m．通过加载可以模拟研究采 深500m 以上的采场上覆岩层的运动和破坏规律． 采用的观测工具为百分表、应力传感器和摄影机． 程潮铁矿西区地下矿体分布复杂且厚度变化较 第6期 杜翠凤等： 无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 ·669·
.670 北京科技大学学报 第31卷 大，37剖面位于西区矿体厚大部位，具有代表性， 2.1.2模型制作 且围岩崩落监测孔也位于其附近，因此选取37#剖 实验采用河沙、碳酸钙和石膏，参照以往相似材 面线作为模型实验的原型 料实验经验，初步确定三种材料的配比·按照设计 模拟范围的确定原则：在地下采矿期间，模拟的 配比制作15个试件，养护30d后拆模，在YYW-2 最小范围应该是应力扰动不会波及到的边界，同 型应变控制式无侧限压力仪上进行单轴抗压实验， 时，为了节约实验成本力求尽量减少模型尺寸，根 得到钢环变形和试件轴向变形两组数据，由钢环变 据采场地质柱状图、岩石物理力学性质等有关地质 形可得到破坏时的压力，由压力和试件面积得到抗 采矿资料，以及框架系统的几何尺寸，确定本实验原 压强度，再由试件轴向变形和抗压强度得到弹性模 型截面尺寸为900m×500m,采用的几何比为500， 量，从而检验配比是否适合，最终确定模型的物理 实验模型的尺寸为宽1800mm、高1000mm及厚 参数如表4所示 250mm,模型见图7所示 表4模拟材料配比 0.12m×9 0.08m×2 Table 4 Compounding ratio of imitating material L↓11 岩层 岩石单向抗压 模拟单向抗压水/干料 配比号 名称 强度/MPa 强度/MPa 质量比 角岩 3:3:7 53.26 0.053 1/7 铁矿 7:5:5 108.43 0.108 1/9 石膏 6:7:3 62.46 0.062 1/9 大理岩 3:4:6 55.64 0.056 1/7 18m 花岗岩 6:4:6 50.32 0.050 1/9 图7程潮铁矿西区37勘探线相似模型 制作模型时分成若干层，根据确定的材料配比， Fig.7 Similar material model of prospect line 37 计算模型各分层材料的总量，并按设计厚度逐一压 西区围岩的主要物理力学性质见表2，模型的 实，并对模型按要求进行养护， 具体设计参数总结于表3. 2.2实验结果及分析 表2主要围岩的力学性能 2.2.1监测手段 Table 2 Mechanics properties of mainly surrounding rocks 本次实验中主要对开采引起的模型内部应力、 模型表面变形及模型顶部变形进行监测.压力测量 容重， 变形模量， 泊松比，单轴抗压强度， 岩性 Y/(kN-m3) Es/GPa o/MPa 使用的是DH-3816静态应变测试系统.数字近景 铁矿石 43.39 76.34 0.32 108.43 摄影测量包括前期的高像素数码相机摄影和后期的 硬石膏 28.28 49.03 0.27 62.46 图片测量处理 大理岩 26.75 52.62 0.16 55.64 开挖方案：37#剖面矿体首采分段位于一290m 角岩 22.32 40.52 0.24 53.26 水平，分段高度为17.5m,由上至下依次开采，到模 花岗岩 24.72 48.89 0.27 50.32 型底部-500m共分为13个分段，需要13步开挖 完成，每开采一个分段记录地表百分表读数并对表 表3模型设计参数表 面点拍照.开采初始阶段只挖出矿体部分，待围岩 Table 3 Physics parameters of the similar material model 开始崩落后，由于两侧没有限制的崩落围岩会散落 参量 数值 模型比例尺 1:500 模型外部，此时需采用人工回填方式形成覆盖层 开采方法 无底柱分段崩落法 2.2.2实验结果分析 模型长/mm 1800 (1)围岩崩落过程分析.顶板围岩的整个崩落 模型高/mm 1000 过程分为三个阶段， 模型厚/mm 250 (a)稳定阶段（一290~-307.5m):两个分段 时间相似系数 1/23 矿体采出后，围岩稳定，未出现冒落现象 容重相似系数 0.5 (b)崩落阶段(-325~-360m):该阶段围岩 强度相似系数 250 逐步冒落，一325m水平开采后，约1.5h后下层石 模拟方向 垂直走向 膏矿整理冒落（图8）：一342.5m水平采出后，冒落
大37＃剖面位于西区矿体厚大部位具有代表性 且围岩崩落监测孔也位于其附近因此选取37＃剖 面线作为模型实验的原型． 模拟范围的确定原则：在地下采矿期间模拟的 最小范围应该是应力扰动不会波及到的边界．同 时为了节约实验成本力求尽量减少模型尺寸．根 据采场地质柱状图、岩石物理力学性质等有关地质 采矿资料以及框架系统的几何尺寸确定本实验原 型截面尺寸为900m×500m采用的几何比为500 实验模型的尺寸为宽1800mm、高1000mm 及厚 250mm模型见图7所示． 图7 程潮铁矿西区37勘探线相似模型 Fig．7 Similar material model of prospect line37 西区围岩的主要物理力学性质见表2模型的 具体设计参数总结于表3． 表2 主要围岩的力学性能 Table2 Mechanics properties of mainly surrounding rocks 岩性 容重 γ／（kN·m —3） 变形模量 ES／GPa 泊松比 μ 单轴抗压强度 σc／MPa 铁矿石 43∙39 76∙34 0∙32 108∙43 硬石膏 28∙28 49∙03 0∙27 62∙46 大理岩 26∙75 52∙62 0∙16 55∙64 角岩 22∙32 40∙52 0∙24 53∙26 花岗岩 24∙72 48∙89 0∙27 50∙32 表3 模型设计参数表 Table3 Physics parameters of the similar material model 参量 数值 模型比例尺 1∶500 开采方法 无底柱分段崩落法 模型长／mm 1800 模型高／mm 1000 模型厚／mm 250 时间相似系数 1／23 容重相似系数 0∙5 强度相似系数 250 模拟方向 垂直走向 2∙1∙2 模型制作 实验采用河沙、碳酸钙和石膏参照以往相似材 料实验经验初步确定三种材料的配比．按照设计 配比制作15个试件养护30d 后拆模在 YYW—2 型应变控制式无侧限压力仪上进行单轴抗压实验 得到钢环变形和试件轴向变形两组数据．由钢环变 形可得到破坏时的压力由压力和试件面积得到抗 压强度再由试件轴向变形和抗压强度得到弹性模 量从而检验配比是否适合．最终确定模型的物理 参数如表4所示． 表4 模拟材料配比 Table4 Compounding ratio of imitating material 岩层 名称 配比号 岩石单向抗压 强度／MPa 模拟单向抗压 强度／MPa 水／干料 质量比 角岩 3∶3∶7 53∙26 0∙053 1／7 铁矿 7∶5∶5 108∙43 0∙108 1／9 石膏 6∶7∶3 62∙46 0∙062 1／9 大理岩 3∶4∶6 55∙64 0∙056 1／7 花岗岩 6∶4∶6 50∙32 0∙050 1／9 制作模型时分成若干层根据确定的材料配比 计算模型各分层材料的总量并按设计厚度逐一压 实并对模型按要求进行养护． 2∙2 实验结果及分析 2∙2∙1 监测手段 本次实验中主要对开采引起的模型内部应力、 模型表面变形及模型顶部变形进行监测．压力测量 使用的是 DH—3816静态应变测试系统．数字近景 摄影测量包括前期的高像素数码相机摄影和后期的 图片测量处理． 开挖方案：37＃剖面矿体首采分段位于—290m 水平分段高度为17∙5m由上至下依次开采到模 型底部—500m 共分为13个分段需要13步开挖 完成每开采一个分段记录地表百分表读数并对表 面点拍照．开采初始阶段只挖出矿体部分待围岩 开始崩落后由于两侧没有限制的崩落围岩会散落 模型外部此时需采用人工回填方式形成覆盖层． 2∙2∙2 实验结果分析 （1） 围岩崩落过程分析．顶板围岩的整个崩落 过程分为三个阶段． （a） 稳定阶段（—290～—307∙5m）：两个分段 矿体采出后围岩稳定未出现冒落现象． （b） 崩落阶段（—325～—360m）：该阶段围岩 逐步冒落—325m 水平开采后约1∙5h 后下层石 膏矿整理冒落（图8）；—342∙5m 水平采出后冒落 ·670· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第6期 杜翠凤等：无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 .671. 拱宽度增加，拱顶出现掉渣现象，接着上层石膏矿拱 低，随着采深的增加冒落范围逐渐增大，压力随着围 顶位置部分垮落；一360m采出后，冒落拱宽度继续 岩的崩落逐步降低，地表冒落后，压力略有回升， 增加，上层石膏矿整体冒落（图9）· 2号压力盒的变形曲线与1号类似，第8阶段 (一430m水平)开采后压力降到最低，随后压力值 维持稳定 地表 量落边界 -377m分段采完 -360m分段果完 -342m分段采完 -325m分段果完 图8一325m水平开采后围岩崩落情况 Fig-8 Collapse of capping rock at the -325m level 228 矿体 图10顶板围岩冒落过程 Fig-10 Process of capping rock collapse 20 -%-盒1 0盒2 20 40 图9一360m水平开采后围岩崩落情况 60 P000- Fig.9 Collapse of capping rock at the -360m level -0012345678910111213 (c)地表开裂塌陷阶段：一377.5m水平采出 步骤 后，地表百分表读数持续增大，冒落拱拱顶出现离层 图111号和2号压力盒应变变化曲线 现象，模型两侧出现张拉缝，裂缝长度逐渐斜向下延 Fig-11 Strain change of 1 and 2 pressure cells 伸.最终两张拉缝之间围岩整体冒落 在随后的开挖阶段裂缝长度进一步增加，初始 (b)崩落范围内监测点分析，压力盒典型应变 裂缝外侧出现新的张拉缝，但未发生围岩再次冒落 变化曲线如图12所示，9、10和11号点位于下层石 现象. 膏矿上方，14、15号点位于上层石膏矿附近，各点均 围岩崩落范围及开裂迹线如图10所示.通过 位于初始冒落拱的正上方.9、10和11号点随开挖 实验现象观察可以得出，围岩的崩落并非一个均匀 进行测点压力逐渐降低，直至第6阶段崩落为止· 的扩展过程，其中冒落拱的发展规律为：下层石膏矿 其中在第3阶段，即下部石膏矿崩落阶段变化幅度 下侧→下层石膏矿上侧→上层石膏矿下侧→上层石 较大，14号点从第5阶段开始压力出现降低，15号 膏矿上侧→地表崩落，围岩崩落具有明显的跳跃 点从第4阶段开始降低，15号点与上层石膏矿距离 性，即围岩冒落范围与岩性分布密切相关 较近，受影响程度较为显著 (2)围岩应力分析.模型内压力盒布置见图7， -20 由于篇幅所限，只能根据压力盒与采空区的位置关 盒9 系进行典型分析， 40叶-*盒10 o盒11 (a)崩落范围外监测点分析.压力盒典型应变 -60 +盒14 盒15 变化曲线如图11所示，1号和2号测点位于模型底 -80 盒16 。盒17 部，前三个阶段（开挖至-325m水平）二者压力逐 00 1 渐增加，说明此时两点位于围岩承载拱内，第4阶 段（一342.5m水平）后，压力开始逐渐降低， 图12崩落范围内压力盒典型应变变化 -377.5m水平开采结束，1号压力盒压力降低到最 Fig.12 Typical strain change of pressure cells in broken area
拱宽度增加拱顶出现掉渣现象接着上层石膏矿拱 顶位置部分垮落；—360m 采出后冒落拱宽度继续 增加上层石膏矿整体冒落（图9）． 图8 —325m 水平开采后围岩崩落情况 Fig．8 Collapse of capping rock at the —325m level 图9 —360m 水平开采后围岩崩落情况 Fig．9 Collapse of capping rock at the —360m level （c） 地表开裂塌陷阶段：—377∙5m 水平采出 后地表百分表读数持续增大冒落拱拱顶出现离层 现象模型两侧出现张拉缝裂缝长度逐渐斜向下延 伸．最终两张拉缝之间围岩整体冒落． 在随后的开挖阶段裂缝长度进一步增加初始 裂缝外侧出现新的张拉缝但未发生围岩再次冒落 现象． 围岩崩落范围及开裂迹线如图10所示．通过 实验现象观察可以得出围岩的崩落并非一个均匀 的扩展过程其中冒落拱的发展规律为：下层石膏矿 下侧→下层石膏矿上侧→上层石膏矿下侧→上层石 膏矿上侧→地表崩落．围岩崩落具有明显的跳跃 性即围岩冒落范围与岩性分布密切相关． （2） 围岩应力分析．模型内压力盒布置见图7 由于篇幅所限只能根据压力盒与采空区的位置关 系进行典型分析． （a） 崩落范围外监测点分析．压力盒典型应变 变化曲线如图11所示1号和2号测点位于模型底 部前三个阶段（开挖至—325m 水平）二者压力逐 渐增加说明此时两点位于围岩承载拱内．第4阶 段（—342∙5m 水 平） 后压 力 开 始 逐 渐 降 低 —377∙5m水平开采结束1号压力盒压力降低到最 低随着采深的增加冒落范围逐渐增大压力随着围 岩的崩落逐步降低．地表冒落后压力略有回升． 2号压力盒 的 变 形 曲 线 与 1 号 类 似第 8 阶 段 （—430m 水平）开采后压力降到最低随后压力值 维持稳定． 图10 顶板围岩冒落过程 Fig．10 Process of capping rock collapse 图11 1号和2号压力盒应变变化曲线 Fig．11 Strain change of 1＃ and2＃ pressure cells 图12 崩落范围内压力盒典型应变变化 Fig．12 Typical strain change of pressure cells in broken area （b） 崩落范围内监测点分析．压力盒典型应变 变化曲线如图12所示9、10和11号点位于下层石 膏矿上方14、15号点位于上层石膏矿附近各点均 位于初始冒落拱的正上方．9、10和11号点随开挖 进行测点压力逐渐降低直至第6阶段崩落为止． 其中在第3阶段即下部石膏矿崩落阶段变化幅度 较大．14号点从第5阶段开始压力出现降低15号 点从第4阶段开始降低15号点与上层石膏矿距离 较近受影响程度较为显著． 第6期 杜翠凤等： 无底柱分段崩落法开采顶板围岩崩落机理 ·671·