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金属矿山采空区灾害控制技术
2018-11-14
金属矿山采空区灾害控制技术——江西理工大学赵奎 李小双专家报告
金属矿山采空区灾害控制技术 金属矿山采空区灾害控制技术 汇报人:赵奎、李小双 中国 石家庄 2 018.08.09 Copyright©2010 NERIN All Rights Reserved. 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 汇报提纲 一、 背景介绍 二、 主要技术内容 三、 工程应用 四、研究成果 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 一、 背景介绍 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 背景介绍    国内千米深井已达80余座,最深1700m。 空场法开采所占比例超过50% 有色金属矿山空区规模在500~1000万m3的矿山占8.18%,但总体积却占30%。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 背景介绍   采空区体积总量大,重叠贯通性强,安全隐患严重,空区群下开采风险性极高。 2001~2015,采空区事故占矿山事故总量42.3%,死亡人数占比45.9%。    2001年,广西南丹(7.17)采空区透水,死亡81人; 2005年,河北邢台(11.6)采空区坍塌 ,死亡37人; 2015年,山东平邑(12.25)采空区坍塌,1人死亡,13人下落不明。  2015年,国家安监总局开展“金属非金属地下矿山采空区专项普查”12.8亿m3/6.67亿m3。 2016年,国务院安委会下发 “金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案” 。  空区群 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 背景介绍 → 存在问题:  空区群处理    空区群下开采 空区群 岩体失稳安全控制 岩体失稳监测预警 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 二、 主要技术内容 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 二、卡林型金矿石处理的技术难题 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 上下盘间支撑体 地应力测量 地应力也称初始应力、原岩应力。 地下、露天开采岩石变形与破坏的根本应力。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 地应力只能通过测量方法得到。 地应力是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳 定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策科学 化前提条件。2018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 通过孔隙水压力计监测,掌握地下水在岩体中的渗透情况 地下水也是采空区灾害发生的重要环境因素。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 采空区高密度电法测量 高密度电法:根据电阻率的分布,较大范围内 对空区进行普查。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 采空区探地雷达法测量 探地雷达:根据接收电磁波的旅行时间(亦称双 程走时)、幅度与波形资料,可推断介质结构, 确定空区大概范围,详查。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 采空区激光探测法测量 激光探测:通过钻孔等,直接在空区内探测, 得到空区形态、体积等,精确测定空区。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 岩层探测仪(钻孔孔内岩体结构等)。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 结构弱面(软弱夹层) 岩溶 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 地质超前预报(TEM地质超前探测)。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 地质超前预报。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 1、采空区赋存环境探测 三维激光法—地质超前预报。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 二、卡林型金矿石处理的技术难题 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 2、采空区群关键点充填支撑     采场上采的关键支撑点 空区群的关键充填点 整个矿体开采的不动点 空区中难采矿可采点 上下盘间支撑体 关键支撑的理论原理 关键支撑的实施效果 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 2、采空区群关键点充填支撑    支撑点位置 支撑点两侧变形能 整体释放变形能 2 2 2 2 2 2 2 q l       2Fql   3 a   1 q F 2 − Fq 7Fq − q l − F F 5 4 Q1 = 2 EI 20 + 12l  a +  a +  3 + −       8l 12 4 3l 3 3         2 2 2 2 2 2 2 3 5 2     2Fq     1 − q F 2 + Fq q l + F q l 2F l 2Fql a + 4l q 5 4 2 3 2 a − Q2 = 2 20 −12l 2l − a −F + − Fqla +           EI 8l 4 3 3 3 3 15       2 2 2 3 5 2       1 1 F Fq Fql − 2F 2F l 2Fql a + 4l q 4 3 2 a − Q = 2 (Q1 + Q2 ) = 2EI  6l − 12   a +  a +       EI 3 3 3 3 15    2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 2、采空区群关键点充填支撑 6 3 x 10 .5 2 1 0    支撑点位置 2 .5 1 支撑点两侧变形能 整体释放变形能 ( x1=l=10,Q'=0) .5 00 5 10 a(m) 15 20   变形能Q最小 (Q1=Q2) 能量对称点处梁变形能最小 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 2、采空区群关键点充填支撑 顶板岩体完整,岩性一致: 充填支撑体位于能量对称点处, 整个空区能量释放最小,支护效果最 好。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 2、采空区群关键点充填支撑 岩性不一致:充填支撑位于能量对称点,整个 空区释放的变形能最小。 能量对称方法:能量对称点即为采空区充填的关键支撑点, 关键点充填,可以节省充填成本,实现空区稳定。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 二、卡林型金矿石处理的技术难题 采空区群下回采 应力隔离 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 3、采空区群下回采应力隔离 空区群下矿体开采:    上部空区地压活动剧烈 空区岩体移动诱发深部岩移 上部次生应力向深部转移 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 3、采空区群下回采应力隔离 井下充填应力隔离层     空间分割、避免贯通 吸收、隔离上部岩体应力 改变围岩受力状态 降低地表沉降风险 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 3、采空区群下回采应力隔离 倾向延伸充填不同中段位移等值线 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 3、采空区群下回采应力隔离 → 效果: 倾向延伸隔离可限制 围岩移动,减少岩移导 致的地表沉降。 倾向延伸隔离位置不 同,限制岩移效果不同 倾向延伸整体充填位 置可根据能量对称点确 定 倾向延伸充填不同水平地表沉降区域 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 二、卡林型金矿石处理的技术难题 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 4、采空区稳定多源监测与耦合分析  采空区关键支撑矿柱蠕变声发射特性 岩石蠕变损伤声发射模型 蠕变应变 和累计声发射数 理论关系 岩石蠕变声发射试验 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 4、采空区稳定多源监测与耦合分析  采空区关键支撑矿柱蠕变破坏分析 1 .60 1.55 .50 4 3 1 .35 .30 .25 .20 .15 .10 .05 .00 .950 6 4 2 0 轴向应变 d 1 轴向应变 轴向应变率 1 轴向应变率 B c 1 2 A 1 b A1 B1 1.45 a 1.40 1 1 1 0 1 减速阶段 等速阶段 加速阶段 -2 1.35 -1 1 1.300 900 1200 1500 1800 2100-2 0 -4 2000 300 600 500 1000 时间/s 1500 时间(s) 应变率突增可作为判定加速蠕变与稳定蠕变的分界点 5 00 400 00 1.60 4 3 20 1 .60 .55 .50 .45 .40 .35 1.30 0 3 轴向应变 轴向应变率 主频 轴向应变 轴向应变率 累计能量 1 .55 1 2 15 1 1 1.50 1.45 2 3 10 1 0 1 C B 200 100 0 O A 1 -1 1 .40 .35 1.30 0 0 5 1 -2 1 -1 -2 0 600 900 1200 1500 1800 2100 -3 300 300 600 900 1200 1500 1800 2100 时间(s) 时间(s) 蠕变破坏预测方法:事件率突增,累计声发射参数持续增长,高、低主频同时持 续出现,作为岩石蠕变坏的前兆。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 4、采空区稳定多源监测与耦合分析  采空区顶板变形破坏分析 通过监测空区顶板的实际位移值表征岩体的变形 实际监测的位移值=实际位移值+仪器测量误差 无变形阶段: 2 2 2 n n σ σˆ = n −1 = σ n −1 σ~ ≤ σˆ  无变形阶段 稳定变形阶段 加速变形阶段   σˆ < σ~ < σˆˆ   稳定变形阶段: σ~ ≥ σ ˆ ˆ   2 n n +1 + σˆˆ = S σ n −1 1 2n 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 4、采空区稳定多源监测与耦合分析  空区顶板失稳前兆声发射识别 声发射b值 声发射长程相关性 声发射相对强弱指标 岩体失稳前,声发射b值 岩体失稳前,声发射强度长程相 急剧降低 关指数H值出现最大—减小模式 岩体失稳前,声发射相对 强弱指标迅速回落   顶板失稳前,其声发射监测指标频度(量度)出现激增—回落现象。 声发射监测指标频度(量度)出现激增—回落并不说明岩体一定失稳 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 4、采空区稳定多源监测与耦合分析 顶板失稳预测模式 σ~ ≤ σˆ 无变形阶段 σˆ < σ~ < σ 平稳变形阶段     ˆ  ˆ  无声发射现象或少量声发射产生 无声发射现象产生或一定量的声发射产生  无变形稳定模式 平稳变形稳定模式 ~ ˆ ˆ  ~ ˆ  σ ≥ σ 加速变形阶段  σ ≥ σ 加速变形阶段 ˆ    声发射特征参量频度(量度)激增 —回落  声发射特征参量频度(量度)激增   加速变形稳定模式 加速变形不稳定模式 ※ 加速变形不稳定模式是空区顶板失稳的前兆 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、 工程应用 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用1—空区关键点支撑 8 x 10 2.1 2 1 1 .05 2 A1 A2 A3 A4 A5 .95 1.9 .85 A1 A2 A3 矿 柱 位 置 A4 A5 江西荡坪钨业有限公司宝山矿区+475m绕 道矿柱回采过程中,应用采场关键点支撑 , 根据总体变形能最小的能量对称原理, 确定了A3矿柱作为永久支撑矿柱。其余位 置的矿柱可以回收。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用3—空区群下应力隔离 充填隔离层 对焦冲金矿井下各中段空区分别充填形成 应力隔离带进行数值模拟,分析结果显示 充填-411m中段、-431m中段均可有效控制 顶板及上覆岩体移动,兼顾考虑充填效果 与充填成本,选择-431m中段充填形成关键 隔离层可起到应力隔离控制地压的效果。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用4—空区顶板稳定多源监测与耦合分析 应用于凤凰山菠菜评级网站有限公司-240m中段残矿 回收,在回采过后空区顶板布置监测仪器 对岩体进行位移、声发射联合监测。位移 监测仪器选用顶板沉降仪,声发射监测采 用PXAE自动采集连续声发射监测仪。经3个 月连续监测,成功预测D1测点附近区域岩 体变形冒落。 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用5—充填采矿工程实例 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用5—充填采矿工程实例 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用5—充填采矿工程实例 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 三、工程应用5—充填采矿工程实例 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会 金属矿山采空区灾害控制技术 汇 报 完 毕 谢 谢 2 018年中国石家庄第九届菠菜评级网站科技大会
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