D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2011.03.007 第33卷第3期 北京科技大学学报 Vol 33 No 3 2011年3月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijng Mar.2011 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 宋卫东12)徐文彬12) 杜建华2)万海文) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 区通信作者，Email xuwb08@163.cm 摘要提出用长壁法开采缓倾斜极薄类铁矿体·建立了相似材料模型，借助全站仪、应变计和数码相机等仪器监测了模型 围岩的变形、应力以及破坏情况，研究了坚硬围岩垮冒规律、应力变化、变形变化和围岩破坏特征·实验结果表明：围岩的破坏 具有明显的间歇性和突变性，顶板断裂步距基本相同，断裂方向相互平行：在垂直方向上，处于不同位置的围岩断裂步距不 同.得到了围岩的来压周期与移动规律 关键词铁矿；采矿；围岩；失效：变形 分类号D325+.1 Deform ation and failure m echan is of cap rock in m ining a gently inclined and extrem ely thin iron m ine by the long wallm ethod SONG Weidong.XU Wen DU Jian-hua),WAN Haiwen) 1)State Key Laboratory of the M nistry of Education of China forH igh EfficientM n ng and Safety ofMetalM nes University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)School ofCivil and Envimnmental Engineering University of Science and Technolgy Beijng Beijing 100083 China Corresponding au thor Email xuwb08@163.com ABSTRACT The longwallmethod was used to m ine a kind of gently inclined and extremely thin iron ore deposit A si ilarmaterial model was built for the iron ore deposit the defomation stress and failre of cap mock were monitored w ith an electronic total station strain gauges and digital cameras The collapse law,the variation of stress and displacement and the defomation mechan ism of stiff cap rock were studied during mnng the gently inclined and extremely thin iron ore m ne by bngwall method Expermental results show that the collapse of cap rock is sharply intem ittent and jumping the fracture pace of the collapse moof is the same as previous steps and the orientation of fracture is amost parallel In the vertical orientation the fracture pace relates w ith the location of rock The fracture period and the movement law of cap rock were also obtained KEY WORDS irn m ines mining cap rock failures defomation 随着铁矿资源日益匮乏与采选技术的提高，一 采矿方法，它具有采切量小、回采工艺简单以及机械 些难采难选类铁矿资源已成为目前技术攻关的对 化程度高等优点，但此种方法主要运用在煤矿类软 象，鄂西官店铁矿矿体倾角较缓、厚度较薄且富磷 岩矿山中，在围岩强度较大的铁矿中运用较少四 量高，属于典型的缓倾斜极薄类难采铁矿床，国内 为了解决以上难题，本文提出用长壁法液压支架护 外对如何开采此类铁矿床的研究少，通常采用全面 顶的方法开采缓倾斜极薄类铁矿床， 法和削壁充填法等传统采矿方法，然而运用上述采 对于在煤层开采中运用长壁法开采引起的顶板 矿方法开采缓倾斜极薄类铁矿皆有损失贫化大、安 围岩移动变化规律与变形机理，国内外学者都做了 全条件差、生产效率低和采切量大等问题山，长壁 大量研究，研究的方法有连续介质理论和非连续介 式采矿方法是一种普遍运用于开采缓倾斜薄矿床的 质理论，以及从力学观点出发形成的组合梁理论、托 收稿日期：2010-04-27 基金项目：“十一五国家科技支撑重大计划资助项目(No2007BAB15B03)
第 33卷 第 3期 2011年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．33Ｎｏ．3 Ｍａｒ．2011 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 宋卫东 12） 徐文彬 12） 杜建华 12） 万海文 12） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京 100083 2） 北京科技大学土木与环境工程学院北京 100083 通信作者Ｅ-ｍａｉｌ：ｘｕｗｂ08＠163∙ｃｏｍ 摘 要 提出用长壁法开采缓倾斜极薄类铁矿体．建立了相似材料模型借助全站仪、应变计和数码相机等仪器监测了模型 围岩的变形、应力以及破坏情况研究了坚硬围岩垮冒规律、应力变化、变形变化和围岩破坏特征．实验结果表明：围岩的破坏 具有明显的间歇性和突变性顶板断裂步距基本相同断裂方向相互平行；在垂直方向上处于不同位置的围岩断裂步距不 同．得到了围岩的来压周期与移动规律． 关键词 铁矿；采矿；围岩；失效；变形 分类号 ＴＤ325 ＋∙1 Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｃａｐｒｏｃｋｉｎｍｉｎｉｎｇａｇｅｎｔｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄａｎｄ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙｔｈｉｎｉｒｏｎｍｉｎｅｂｙｔｈｅｌｏｎｇ-ｗａｌｌｍｅｔｈｏｄ ＳＯＮＧＷｅｉ-ｄｏｎｇ 12）ＸＵＷｅｎ-ｂｉｎ 12） ＤＵＪｉａｎ-ｈｕａ 12）ＷＡＮＨａｉ-ｗｅｎ 12） 1） ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｆｏｒＨｉｇｈ-ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙｏｆＭｅｔａｌＭｉｎｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ； 2） ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＥ-ｍａｉｌ：ｘｕｗｂ08＠163．ｃｏｍ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｌｏｎｇ-ｗａｌｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｉｎｅａｋｉｎｄｏｆｇｅｎｔｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｔｈｉｎｉｒｏｎｏｒｅｄｅｐｏｓｉｔ．Ａｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔｆｏｒｔｈｅｉｒｏｎｏｒｅｄｅｐｏｓｉｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｃａｐｒｏｃｋｗｅｒｅｍｏｎｉｔｏｒｅｄｗｉｔｈａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎ ｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓａｎｄｄｉｇｉｔａｌｃａｍｅｒａｓ．Ｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｌａｗｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｉｆｆ ｃａｐｒｏｃｋｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇｔｈｅｇｅｎｔｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｔｈｉｎｉｒｏｎｏｒｅｍｉｎｅｂｙｌｏｎｇ-ｗａｌｌｍｅｔｈｏｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｏｆｃａｐｒｏｃｋｉｓｓｈａｒｐｌｙｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔａｎｄｊｕｍｐｉｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｐａｃｅｏｆｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｒｏｏｆｉｓｔｈｅｓａｍｅａｓｐｒｅｖｉｏｕｓ ｓｔｅｐｓａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｉｓａｌｍｏｓｔｐａｒａｌｌｅｌ．Ｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｐａｃｅｒｅｌａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ． Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｅｒｉｏｄａｎｄｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｌａｗｏｆｃａｐｒｏｃｋｗｅｒｅａｌｓｏｏｂｔａｉｎｅｄ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｉｒｏｎｍｉｎｅｓ；ｍｉｎｉｎｇ；ｃａｐｒｏｃｋ；ｆａｉｌｕｒｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 收稿日期：2010--04--27 基金项目：“十一五 ”国家科技支撑重大计划资助项目 （Ｎｏ．2007ＢＡＢ15Ｂ03） 随着铁矿资源日益匮乏与采选技术的提高一 些难采难选类铁矿资源已成为目前技术攻关的对 象．鄂西官店铁矿矿体倾角较缓、厚度较薄且富磷 量高属于典型的缓倾斜极薄类难采铁矿床．国内 外对如何开采此类铁矿床的研究少通常采用全面 法和削壁充填法等传统采矿方法然而运用上述采 矿方法开采缓倾斜极薄类铁矿皆有损失贫化大、安 全条件差、生产效率低和采切量大等问题 ［1］．长壁 式采矿方法是一种普遍运用于开采缓倾斜薄矿床的 采矿方法它具有采切量小、回采工艺简单以及机械 化程度高等优点但此种方法主要运用在煤矿类软 岩矿山中在围岩强度较大的铁矿中运用较少 ［2］． 为了解决以上难题本文提出用长壁法液压支架护 顶的方法开采缓倾斜极薄类铁矿床． 对于在煤层开采中运用长壁法开采引起的顶板 围岩移动变化规律与变形机理国内外学者都做了 大量研究．研究的方法有连续介质理论和非连续介 质理论以及从力学观点出发形成的组合梁理论、托 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2011．03．007
第3期 宋卫东等：长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 ·265. 板理论和岩梁理论等3-)；现场实测、数值模拟技术 和相似材料实验也都成功地运用到围岩移动与变形 的预测研究中⑧-)，但与前两者相比，相似材料实验 更能直观形象反映围岩塌落过程、断裂形式、应力变 形变化规律. 本文借鉴长壁法在煤层开采中运用的成功经 作面推进方向 点 验，并结合铁矿体围岩自身稳定性强的特点，以鄂西 体 官店铁矿为工程原型，采用相似材料模拟实验，模拟 +13m 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体在无支架支护情况下 围岩移动变化规律与破坏机理. 图1实验模型设计 1相似模型实验 Fig 1 Design for a testmodel 1.3相似材料的配比 1.1工程原型 鄂西官铁矿区矿床属于泥盆“宁乡式”海相沉 矿岩物理力学参数见表1.相似材料包括骨料 积型赤铁矿床，主要的工业矿床为中部第3含矿层 和胶结物两部分，实验选用河砂作粗料，密度为 (F。),矿体呈层状，透镜状产出，分布广，矿石类型 1.35~1.45gm,石灰、石膏作胶结物，密度分别为 主要为鲕状赤铁矿，属高磷低硫铁矿石，矿体走向 2.60~2.75gam和0.936gam3,硼砂作缓凝剂，云 母为分层材料.模拟岩厚度及材料配比参数见表2 北东东，倾向北北西，倾角8°~20，平均10，厚度 较稳定，平均3.74m,走向长14km,宽4~6km,面 表1岩石力学参数 积60，顶板为一层薄砂页岩，底板为石英砂岩， Tab le 1 Mechanical panmeters of rock 稳定性较好， 变形模量/ 容重/ 泊松比， 单轴抗压 岩层名 GPa 强度MPa 1.2模型设计 (kN.m3) 第四系层 7.9 实验原始模型参照官店矿区一12号剖面，深部 表层灰岩 18.0-23.0 26.0 0.24 8.3 矿体距地表250m宽度取630m,矿体平均赋存厚 泥灰岩 8.0 25.0 0.24 23.6 度为3.74m.实验模型尺寸为4200mm×250mm× 石英砂岩 44.0 25.9 0.21 45.4 1700mm,模型几何相似比4=150时间相似常数 砂页岩 10.0 25.0 0.30 48.5 a,=12.2容重相似常数a,=1.6,强度相似常数aa 石灰岩 44.0 27.1 0.23 43.5 =240模拟方向为矿体倾向，相似模型如图1所示， 铁矿体 15.0 37.2 0.31 47.0-55.0 表2模拟岩层厚度及材料配比参数 Table 2 Rock strata thickness and pmoportioning parmeters in the testmodel 层位 岩性 模拟抗压强度MPa模拟容重(.m一3)模拟厚度mm配比号 配比材料 1 表土灰岩 0.035 16.3 1267 1082 砂石灰石膏 2 泥灰岩 0.098 15.6 267 964 砂石灰石膏 3 石英灰砂岩 0.189 16.2 133 882 砂石灰石膏 4 灰岩砂页岩 0.098 15.6 34 964 砂石灰石膏 5 赤铁矿体 0.208 23.3 25 873 砂石灰石膏 6 底板 0.202 15.6 三角底 755 砂石灰石膏 注：配比号964表示砂占总质量的9份，石灰和石膏共占总质量的1份 1.4监测设备及测点布置 了观测顶板移动变化规律，特别在顶板布置一排位 借助数码相机、百分表、应变计和经纬仪等仪器 移测点，共布置187个位移测点，测点布置见图1 记录岩体在开挖过程中的围岩破坏情况、围岩压力 与地表移动变化，在顶、底板布置横向每隔10am布 2实验结果分析 置一个应变片，在矿体的前后方10am处布置测点， 模拟开采过程从十1430m开切眼位置开始，每 每层共计24个应力监测点，共布置三层，变形监测 次沿工作面方向推进5am(相当于一次采宽 点从矿层顶部采用15am×10am的网格式布置，为 7.5m),直到十1380m处.每开挖完一步后用经纬
第 3期 宋卫东等： 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 板理论和岩梁理论等 ［3--7］；现场实测、数值模拟技术 和相似材料实验也都成功地运用到围岩移动与变形 的预测研究中 ［8--12］但与前两者相比相似材料实验 更能直观形象反映围岩塌落过程、断裂形式、应力变 形变化规律． 本文借鉴长壁法在煤层开采中运用的成功经 验并结合铁矿体围岩自身稳定性强的特点以鄂西 官店铁矿为工程原型采用相似材料模拟实验模拟 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体在无支架支护情况下 围岩移动变化规律与破坏机理． 1 相似模型实验 1∙1 工程原型 鄂西官铁矿区矿床属于泥盆 “宁乡式 ”海相沉 积型赤铁矿床主要的工业矿床为中部第 3含矿层 （Ｆｅ3）矿体呈层状透镜状产出分布广．矿石类型 主要为鲕状赤铁矿属高磷低硫铁矿石．矿体走向 北东东倾向北北西倾角 8°～20°平均 10°厚度 较稳定平均 3∙74ｍ．走向长 14ｋｍ宽 4～6ｋｍ面 积 60ｋｍ 2顶板为一层薄砂页岩底板为石英砂岩 稳定性较好． 1∙2 模型设计 实验原始模型参照官店矿区 －12号剖面深部 矿体距地表 250ｍ宽度取 630ｍ矿体平均赋存厚 度为 3∙74ｍ．实验模型尺寸为 4200ｍｍ×250ｍｍ× 1700ｍｍ模型几何相似比 ａＬ ＝150时间相似常数 αｔ＝12∙2容重相似常数 αγ ＝1∙6强度相似常数 ａσ ＝240模拟方向为矿体倾向相似模型如图 1所示． 图 1 实验模型设计 Ｆｉｇ．1 Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｔｅｓｔｍｏｄｅｌ 1∙3 相似材料的配比 矿岩物理力学参数见表 1∙相似材料包括骨料 和胶结物两部分实验选用河砂作粗料密度为 1∙35～1∙45ｇ·ｃｍ －3石灰、石膏作胶结物密度分别为 2∙60～2∙75ｇ·ｃｍ －3和 0∙936ｇ·ｃｍ －3硼砂作缓凝剂云 母为分层材料．模拟岩厚度及材料配比参数见表2． 表 1 岩石力学参数 Ｔａｂｌｅ1 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋ 岩层名 变形模量／ ＧＰａ 容重／ （ｋＮ·ｍ－3） 泊松比 μ 单轴抗压 强度／ＭＰａ 第四系层 － 7∙9 － － 表层灰岩 18∙0～23∙0 26∙0 0∙24 8∙3 泥灰岩 8∙0 25∙0 0∙24 23∙6 石英砂岩 44∙0 25∙9 0∙21 45∙4 砂页岩 10∙0 25∙0 0∙30 48∙5 石灰岩 44∙0 27∙1 0∙23 43∙5 铁矿体 15∙0 37∙2 0∙31 47∙0～55∙0 表 2 模拟岩层厚度及材料配比参数 Ｔａｂｌｅ2 Ｒｏｃｋｓｔｒａｔａｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌ 层位 岩性 模拟抗压强度／ＭＰａ 模拟容重／（ｋＮ·ｍ－3） 模拟厚度／ｍｍ 配比号 配比材料 1 表土灰岩 0∙035 16∙3 1267 1082 砂∶石灰∶石膏 2 泥灰岩 0∙098 15∙6 267 964 砂∶石灰∶石膏 3 石英灰砂岩 0∙189 16∙2 133 882 砂∶石灰∶石膏 4 灰岩、砂页岩 0∙098 15∙6 34 964 砂∶石灰∶石膏 5 赤铁矿体 0∙208 23∙3 25 873 砂∶石灰∶石膏 6 底板 0∙202 15∙6 三角底 755 砂∶石灰∶石膏 注：配比号 964表示砂占总质量的 9份石灰和石膏共占总质量的 1份． 1∙4 监测设备及测点布置 借助数码相机、百分表、应变计和经纬仪等仪器 记录岩体在开挖过程中的围岩破坏情况、围岩压力 与地表移动变化．在顶、底板布置横向每隔10ｃｍ布 置一个应变片在矿体的前后方 10ｃｍ处布置测点 每层共计 24个应力监测点共布置三层．变形监测 点从矿层顶部采用 15ｃｍ×10ｃｍ的网格式布置为 了观测顶板移动变化规律特别在顶板布置一排位 移测点共布置 187个位移测点．测点布置见图 1． 2 实验结果分析 模拟开采过程从 ＋1430ｍ开切眼位置开始每 次沿 工 作 面 方 向 推 进 5ｃｍ （相 当 于 一 次 采 宽 7∙5ｍ）直到 ＋1380ｍ处．每开挖完一步后用经纬 ·265·
,266 北京科技大学学报 第33卷 仪、百分表记录变形测点的位置，用7v14数据采集 WM三维槽地试酸台 器自动采集压力数据，同时用数码相机拍摄开挖的 全过程 2.1围岩垮冒规律 图2和图3分别表示工作面开挖到距开切面 55am处和115am处围岩垮冒状态，可以看出：上覆 岩层在不同的开采阶段，形成的离层间隙大小不同， 垮落的范围在垂直方向越高，离层间隙越小，且离层 位置沿工作面推进方向转移；垮落下的岩层底部断 裂步距比较明显，形成破碎区，上部岩层接触平稳， 岩体也比较完整；下伏岩层断裂步距基本相同，断裂 图4岩层最终垮落图 方向与前阶段基本保持平行，上覆高位岩层越往地 Fig 4 Ultiale subsidence diagnm of mck strata 面，断裂步距与断裂频率越小，开切面处上方岩帮只 度与距矿体的距离有关，距离矿体近的围岩，呈悬臂 沿固定角度向上扩张；矿体顶部岩层垮断步距近似 状，围岩断裂步距短，断裂频率大，受开挖影响更直 7am,换成实际长度10.5m,断裂的方向大致相同， 接，上覆高位硬岩层由于强度大且下部补偿空间 最终形成下盘塌陷角65°，上盘塌陷角68的梯形状 少，是延缓地表破坏的主要屏障.因此，当工作面开 塌陷区，见图4. 挖到距开切面1.7m处（即实际距离255m处），围 WM二试验台 岩垮落初次延伸到地表、 2.2岩层应力变化分析 随着工作面沿开挖方向推进，顶板压力变化如 图5和图6所示.2-45测点位于开切眼处正上方， 图5显示距离开切眼处越近，应力发生突变越早；在 发生应力跳跃变化之前，都经历先增压，后剧烈卸压 的过程；从第11次开挖开始，相邻两测点每开挖两 步次都会出现一次压力剧烈变化，每次压力跳跃点 值都比前者大，并且应力集中区呈波浪式向工作面 前方跳跃传递；相邻应力集中区峰值点之间的距离 图2工作面开采至55m位置时的围岩垮冒图 和工作面距前方最近的应力集中区峰值点的距离皆 Fig 2 Collapse diagnm of mck stmata when he working face ad- vances at 55 c 近似15m,工作面开挖对前方的岩层压力影响由近 向远传播，且每次影响的程度越来越重，从围岩塌 WM雏膜拟试脸台 陷监测过程看，工作面开挖形成的自由空间使工作 面上覆岩体呈悬臂状，当悬跨长度超过围岩极限悬 顶距时，工作面和开切眼上方的岩体都呈剪切断裂 破坏，由于顶部岩层悬跨步距逐渐变长，因此上覆 2500 ◆2-35测点 1500 。-2-36测点 女2-37测点 500 -500 2-38测点 -1500 米-2-39测点 ·2-40测点 图3工作面开采至115m位置时的围岩垮冒图 -2S00 1012141618202224 Fig 3 Collapse diagnm of mock strata when the working face ad- 开挖步次 vances at 115 cm 图5不同阶段应力变化图 从围岩垮冒现象可以得出，顶部围岩的垮冒程 Fig 5 Diagnm of stress changes at different m ining stages
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 仪、百分表记录变形测点的位置用 7ｖ14数据采集 器自动采集压力数据同时用数码相机拍摄开挖的 全过程． 2∙1 围岩垮冒规律 图 2和图 3分别表示工作面开挖到距开切面 55ｃｍ处和115ｃｍ处围岩垮冒状态．可以看出：上覆 岩层在不同的开采阶段形成的离层间隙大小不同 垮落的范围在垂直方向越高离层间隙越小且离层 位置沿工作面推进方向转移；垮落下的岩层底部断 裂步距比较明显形成破碎区上部岩层接触平稳 岩体也比较完整；下伏岩层断裂步距基本相同断裂 方向与前阶段基本保持平行上覆高位岩层越往地 面断裂步距与断裂频率越小开切面处上方岩帮只 沿固定角度向上扩张；矿体顶部岩层垮断步距近似 7ｃｍ换成实际长度 10∙5ｍ断裂的方向大致相同 最终形成下盘塌陷角65°上盘塌陷角68°的梯形状 塌陷区见图 4∙ 图 2 工作面开采至 55ｃｍ位置时的围岩垮冒图 Ｆｉｇ．2 Ｃｏｌｌａｐｓｅｄｉａｇｒａｍ ｏｆｒｏｃｋｓｔｒａｔａｗｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｄ- ｖａｎｃｅｓａｔ55ｃｍ 图 3 工作面开采至 115ｃｍ位置时的围岩垮冒图 Ｆｉｇ．3 Ｃｏｌｌａｐｓｅｄｉａｇｒａｍ ｏｆｒｏｃｋｓｔｒａｔａｗｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｄ- ｖａｎｃｅｓａｔ115ｃｍ 从围岩垮冒现象可以得出顶部围岩的垮冒程 图 4 岩层最终垮落图 Ｆｉｇ．4 Ｕｌｔｉｍａｔｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｒｏｃｋｓｔｒａｔａ 度与距矿体的距离有关距离矿体近的围岩呈悬臂 状围岩断裂步距短断裂频率大受开挖影响更直 接．上覆高位硬岩层由于强度大且下部补偿空间 少是延缓地表破坏的主要屏障．因此当工作面开 挖到距开切面 1∙7ｍ处 （即实际距离 255ｍ处 ）围 岩垮落初次延伸到地表． 图 5 不同阶段应力变化图 Ｆｉｇ．5 Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒｅｓｓｃｈａｎｇｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇｓｔａｇｅｓ 2∙2 岩层应力变化分析 随着工作面沿开挖方向推进顶板压力变化如 图 5和图 6所示．2--45测点位于开切眼处正上方 图 5显示距离开切眼处越近应力发生突变越早；在 发生应力跳跃变化之前都经历先增压后剧烈卸压 的过程；从第 11次开挖开始相邻两测点每开挖两 步次都会出现一次压力剧烈变化每次压力跳跃点 值都比前者大并且应力集中区呈波浪式向工作面 前方跳跃传递；相邻应力集中区峰值点之间的距离 和工作面距前方最近的应力集中区峰值点的距离皆 近似 15ｍ．工作面开挖对前方的岩层压力影响由近 向远传播且每次影响的程度越来越重．从围岩塌 陷监测过程看工作面开挖形成的自由空间使工作 面上覆岩体呈悬臂状当悬跨长度超过围岩极限悬 顶距时工作面和开切眼上方的岩体都呈剪切断裂 破坏．由于顶部岩层悬跨步距逐渐变长因此上覆 ·266·
第3期 宋卫东等：长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 ,267. 岩层传导到工作面的应力逐渐增多，各测点的应力 推进方向，下山方向下沉值大于上山方向，这是受矿 峰值呈增幅状态， 体倾角和岩体整体运动影响的结果， 图6表示在开切眼处各监测点的应力变化规 沿工作面方向推进越远，岩体破裂波及的范围 律，2-46测点、2-47测点位于开切眼正上方，从图 无论在水平方向还是垂直方向都越大，图8表示工 中看出：开切眼上方的岩体应力逐渐增大，且岩体上 作面开挖到140am处时，垂直移动超过5mm的点 方压力发生较大突变；工作面开挖对后方岩体的影 已到12-911-9点位置，可以推测岩层断裂位置在 响较滞后，工作面上方岩体与开切面上方岩体发生 垂直高度上达到90am,相当于实际135m:地表岩 断裂的步距为11步，相当于工作面每次要推进 层移动稳定后，最终下沉曲线如图9所示，14-14点 55 an 下沉值最大，达17.9mm,换算成实际值2.7m +2-43测点 →2-47测点 测点列编号 4000-·2-44测点 ◆2-48测点 3000 151413121110987-3 ·2-45测点 2000*2-46测点 3 0aw标- 19 3-1000 -2000 ★+*主 -3000 -6测点 -4000 21 -7测点 -5000 6 121824303642 +-10测点 开挖步次 -11测点 +1-12测点 图6开切面上方应力变化图 图8工作面开采至140am位置时的下沉曲线 Fig6 Diagnm of stress changes up the open off cut stage Fig 8 Subsience curves when the work ing face advances at 140 an 2.3围岩变形规律分析 通过经纬仪记录187个位移测点在不同开挖步 测点列滨号 19181716151413121110986 次时水平和垂直方向的位移，得出了各点不同时期 的水平与垂直移动曲线 2.3.1下沉曲线分析 图7表示的是工作面开挖到距开切面55am处 -14测点 时的下沉曲线，由图可知，测点67系列点的位置 21 下沉量小，但由于67系列点处于岩层支点位置，其 附近岩层产生隆起，同时11、10系列点附近也产生 图9地表最终下沉曲线 类似的区域.8-19-18-2位置的测点下沉值均超 Fig 9 Ultmate subsience curve of the gmound surface 过20mm,8-3、9-3位置测点下沉量都超过10mm, 2.3.2水平移动曲线分析 说明岩层断裂影响的范围在垂直方向己经达到 图10表示开挖到75m处的水平移动曲线，其 8-39-3点的位置，水平方向达到9-1与10-1点之 中“正”表示与工作面推进方向相同，“负”表示与工 间位置，岩层下沉曲线呈非对称性，皆偏向工作面 作面推进方向相反，各测点位置的岩层并不是沿统 测点列编号 1211 10 6 -5 3 0 2 -5测点 +-1测点 0远 。-2测点 女-3调点 5测点 2 J30 10 11 表示测点所在列数，如一】表示第列第1个测点 测点列编号 图7工作面开采至55m位置时的下沉曲线 图10工作面开采至75m位置时的水平移动曲线 Fig 7 Subsilence curves when the work ng face advances at 55 an Fig 10 Horizontal displacement curves when the work ng face ad- vances at 75 c
第 3期 宋卫东等： 长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理 岩层传导到工作面的应力逐渐增多各测点的应力 峰值呈增幅状态． 图 6表示在开切眼处各监测点的应力变化规 律2--46测点、2--47测点位于开切眼正上方．从图 中看出：开切眼上方的岩体应力逐渐增大且岩体上 方压力发生较大突变；工作面开挖对后方岩体的影 响较滞后工作面上方岩体与开切面上方岩体发生 断裂的步距为 11步相当于工作面每次要推进 55ｃｍ． 图 6 开切面上方应力变化图 Ｆｉｇ．6 Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒｅｓｓｃｈａｎｇｅｓｕｐｔｈｅｏｐｅｎ-ｏｆｆｃｕｔｓｔａｇｅ 2∙3 围岩变形规律分析 通过经纬仪记录 187个位移测点在不同开挖步 次时水平和垂直方向的位移得出了各点不同时期 的水平与垂直移动曲线． 2∙3∙1 下沉曲线分析 图 7 工作面开采至 55ｃｍ位置时的下沉曲线 Ｆｉｇ．7 Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｗｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｄｖａｎｃｅｓａｔ55ｃｍ 图 7表示的是工作面开挖到距开切面 55ｃｍ处 时的下沉曲线．由图可知测点 6、7系列点的位置 下沉量小但由于 6、7系列点处于岩层支点位置其 附近岩层产生隆起同时 11、10系列点附近也产生 类似的区域．8--1、9--1、8--2位置的测点下沉值均超 过 20ｍｍ8--3、9--3位置测点下沉量都超过 10ｍｍ 说明岩层断裂影响的范围在垂直方向已经达到 8--3、9--3点的位置水平方向达到9--1与10--1点之 间位置．岩层下沉曲线呈非对称性皆偏向工作面 推进方向下山方向下沉值大于上山方向这是受矿 体倾角和岩体整体运动影响的结果． 沿工作面方向推进越远岩体破裂波及的范围 无论在水平方向还是垂直方向都越大．图 8表示工 作面开挖到 140ｃｍ处时垂直移动超过 5ｍｍ的点 已到 12--9、11--9点位置可以推测岩层断裂位置在 垂直高度上达到 90ｃｍ相当于实际 135ｍ．地表岩 层移动稳定后最终下沉曲线如图 9所示14--14点 下沉值最大达 17∙9ｍｍ换算成实际值 2∙7ｍ． 图 8 工作面开采至 140ｃｍ位置时的下沉曲线 Ｆｉｇ．8 Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｗｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｄｖａｎｃｅｓａｔ140ｃｍ 图 9 地表最终下沉曲线 Ｆｉｇ．9 Ｕｌｔｉｍａｔｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅ 2∙3∙2 水平移动曲线分析 图 10 工作面开采至 75ｃｍ位置时的水平移动曲线 Ｆｉｇ．10 Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｗｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｄ- ｖａｎｃｅｓａｔ75ｃｍ 图 10表示开挖到 75ｃｍ处的水平移动曲线其 中 “正 ”表示与工作面推进方向相同“负 ”表示与工 作面推进方向相反．各测点位置的岩层并不是沿统 ·267·
,268 北京科技大学学报 第33卷 一方向运动，沿垂直方向向上，水平移动值越来越 方向变为单向运动.说明由于工作面开挖到13-1 小，考虑篇幅原因，表3只列出代表性点的水平移 测点位置后，上方岩体发生整体移动，只沿单向 动值.可以看到13-1测点位置以后，岩层的运动 运动 表3不同阶段的水平位移值 Tab le 3 Horizon tal displacements in diffe rent stages mm 监测次数 10-1测点 10-3测点 11-1测点 11-4测点 13-1测点 13-3测点 14-1测点 5 0.01 0.65 0.45 0.28 6 1.48 0.03 0.07 -0.09 一 7 -1.82 -1.90 -2.20 -0.79 8 8.41 7.57 8.79 9.23 一 11 -10.80 12 -11.62 -10.95 13 一 一 7.602 6.894 -12.60 -10.65 -21.27 14 一 -1.25 -3.35 -23.41 -23.34 -23.15 15 -24.15 -23.93 -23.21 注：“一“表示在监测时，岩层破环还未影响到工作面前方的点或是已经破坏的点， 参考文献 3结论 [1]Yu Y P.Gmound pressure fomation and contmol technique under (1)实验模拟了长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体 high stress fmgnent mockmass J Univ Sci Technol Beijing 2009. 过程中围岩弯曲变形、断裂塌陷过程，岩体断裂具 31(5):537 有明显的间歇性和突变性，且每次断裂前压力变化 (于言平.高应力破裂岩体地压显现及其控制技术，北京科技 大学学报，2009.31(5)：537) 皆要经过平缓阶段、剧增阶段和骤减阶段；工作面前 [2]QiQ.Chen J E Qi SQ Practice law of artificial pillar lng wall 方应力集中区峰值点距工作面的距离达15m caving m inng China M in 1999 8(6):45 (2)工作面顶部围岩断裂步距为10.5m,矿体 (济清，陈金锋，邱慎前，人工底柱长壁式崩落法的开采实践 顶部附近围岩断裂步距基本相同，断裂方向相互平 中国矿业，19998(6)：45) 行；工作面开挖到距开切面255m处，围岩破坏初次 [3]W ang JZ Lu X P.Research on some theories and technical pmb- kms wgang m inng nduced subsience M ine Surv 2003(3): 达到地表；最终形成下盘塌陷角65，上盘塌陷角 68的梯形式垮落区· 郭增长，卢小平.地表移动和变形的增量计算方法.矿山测 (3)围岩运动与工作面推进距离有关，开挖初 量，2003(3)：12) 期，断裂围岩呈双向运动；当推进工作面距开切面距 [4]Yu H Z LiD H.LiM J Correction model to probability integral 离超过135m时，围岩只沿背离推进方向做单向移 model n m ning under thick allvial J Jiaoao Inst Technol Nat Sci2004,23(4):25 动：开挖对开切面上方的岩体影响滞后，且断裂步距 (余华中，李德海，李明金·厚松散层下开采预计的概率积分 比工作面处的大 法修正模型.焦作工学院学报：自然科学版，2004,23(4)： (4)离层间隙位置和垂直沉降曲线的对称中心 25) 沿工作面推进方向转移，且偏向工作面推进方向；围 [5]Hao Y J Wu L X,DaiH Y.Establishing a ground settlament 岩的下沉曲线呈“U”字型，地表最终下沉曲线呈 prediction modelwith elastiec sab theory Chin J Rock Mech Eng 200625(Suppl1):2958 “V”字型：矿体全部采出时，地表最大下沉值为 (郴延锦，吴立新，戴华阳·用弹性理论建立地表沉陷预计模 2.96m塌陷区水平宽度为105m并在塌陷区边缘 型.岩石力学与工程学报，2006,25（增刊1）：2958) 形成隆起区 [6]Qian M G Mi XX.Theoretical analysis on the stnchral fom (5)研究虽然初步揭示了长壁垮落法倾斜极薄 and stability of overlying strata n bng wallm ning Chin J Rock 类铁矿体围岩移动变化规律与破坏机理，然而在运 Mech Eng199514(2):97 (钱鸣高，缪协兴，采场上覆岩层结构的形态与受力分析，岩 用长壁垮落法类矿床的过程中，爆破冲击对液压支 石力学与工程学报，1995,14(2)：97) 架的影响程度以及确定工作面与液压支架的合理安 [7]Han F.X ie F.W ang JA.3 numerical sinulation on the stabil 全距离是今后研究重点， ity of rocks in transferred underground m ning from open pit J
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 一方向运动沿垂直方向向上水平移动值越来越 小．考虑篇幅原因表 3只列出代表性点的水平移 动值．可以看到 13--1测点位置以后岩层的运动 方向变为单向运动．说明由于工作面开挖到 13--1 测点位置后上方岩体发生整体移动只沿单向 运动． 表 3 不同阶段的水平位移值 Ｔａｂｌｅ3 Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｇｅｓ ｍｍ 监测次数 10--1测点 10--3测点 11--1测点 11--4测点 13--1测点 13--3测点 14--1测点 5 0∙01 0∙65 0∙45 0∙28 － － － 6 1∙48 0∙03 0∙07 －0∙09 － － － 7 －1∙82 －1∙90 －2∙20 －0∙79 － － － 8 8∙41 7∙57 8∙79 9∙23 － － － 11 － － － － －10∙80 － － 12 － － － － －11∙62 －10∙95 － 13 － － 7∙602 6∙894 －12∙60 －10∙65 －21∙27 14 － － －1∙25 －3∙35 －23∙41 －23∙34 －23∙15 15 － － － － －24∙15 －23∙93 －23∙21 注：“－ ”表示在监测时岩层破坏还未影响到工作面前方的点或是已经破坏的点． 3 结论 （1） 实验模拟了长壁法开采缓倾斜极薄铁矿体 过程中围岩弯曲变形、断裂塌陷过程．岩体断裂具 有明显的间歇性和突变性且每次断裂前压力变化 皆要经过平缓阶段、剧增阶段和骤减阶段；工作面前 方应力集中区峰值点距工作面的距离达 15ｍ． （2） 工作面顶部围岩断裂步距为 10∙5ｍ矿体 顶部附近围岩断裂步距基本相同断裂方向相互平 行；工作面开挖到距开切面 255ｍ处围岩破坏初次 达到地表；最终形成下盘塌陷角 65°上盘塌陷角 68°的梯形式垮落区． （3） 围岩运动与工作面推进距离有关开挖初 期断裂围岩呈双向运动；当推进工作面距开切面距 离超过 135ｍ时围岩只沿背离推进方向做单向移 动；开挖对开切面上方的岩体影响滞后且断裂步距 比工作面处的大． （4） 离层间隙位置和垂直沉降曲线的对称中心 沿工作面推进方向转移且偏向工作面推进方向；围 岩的下沉曲线呈 “Ｕ”字型地表最终下沉曲线呈 “Ｖ”字型；矿体全部采出时地表最大下沉值为 2∙96ｍ塌陷区水平宽度为 105ｍ并在塌陷区边缘 形成隆起区． （5） 研究虽然初步揭示了长壁垮落法倾斜极薄 类铁矿体围岩移动变化规律与破坏机理然而在运 用长壁垮落法类矿床的过程中爆破冲击对液压支 架的影响程度以及确定工作面与液压支架的合理安 全距离是今后研究重点． 参 考 文 献 ［1］ ＹｕＹＰ．Ｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｆｒａｇｍｅｎｔｒｏｃｋｍａｓｓ．ＪＵｎｉｖＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢｅｉｊｉｎｇ2009 31（5）：537 （于言平．高应力破裂岩体地压显现及其控制技术．北京科技 大学学报200931（5）：537） ［2］ ＱｉＱＣｈｅｎＪＦＱｉｕＳＱ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｌａｗｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｉｌｌａｒｌｏｎｇ-ｗａｌｌ ｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇ．ＣｈｉｎａＭｉｎ19998（6）：45 （齐清陈金锋邱慎前．人工底柱长壁式崩落法的开采实践． 中国矿业19998（6）：45） ［3］ ＷａｎｇＪＺＬｕＸＰ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｏｍｅｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂ- ｌｅｍｓｒｅｇａｒｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇ-ｉｎｄｕｃｅｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．ＭｉｎｅＳｕｒｖ2003（3）： 12 （郭增长卢小平．地表移动和变形的增量计算方法．矿山测 量2003（3）：12） ［4］ ＹｕＨＺＬｉＤＨＬｉＭＪ．Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｔｏｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｍｉｎｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｉｃｋａｌｌｕｖｉａｌ．ＪＪｉａｏｚｕｏＩｎｓｔＴｅｃｈｎｏｌＮａｔ Ｓｃｉ200423（4）：25 （余华中李德海李明金．厚松散层下开采预计的概率积分 法修正模型．焦作工学院学报：自然科学版200423（4）： 25） ［5］ ＨａｏＹＪＷｕＬＸＤａｉＨＹ．Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇａｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｉｔｈｅｌａｓｔｉｃｓｌａｂｔｈｅｏｒｙ．ＣｈｉｎＪＲｏｃｋＭｅｃｈＥｎｇ 200625（Ｓｕｐｐｌ1）：2958 （郝延锦吴立新戴华阳．用弹性理论建立地表沉陷预计模 型．岩石力学与工程学报200625（增刊 1）：2958） ［6］ ＱｉａｎＭ ＧＭｉｕＸＸ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍ ａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｔｒａｔａｉｎｌｏｎｇ-ｗａｌｌｍｉｎｉｎｇ．ＣｈｉｎＪＲｏｃｋ ＭｅｃｈＥｎｇ199514（2）：97 （钱鸣高缪协兴．采场上覆岩层结构的形态与受力分析．岩 石力学与工程学报199514（2）：97） ［7］ ＨａｎＦＸｉｅＦＷａｎｇＪＡ．3-Ｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌ- ｉｔｙｏｆｒｏｃｋｓｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｆｒｏｍ ｏｐｅｎ-ｐｉｔ．Ｊ ·268·