基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果的采空區(qū)失穩(wěn)預(yù)測(cè)模型研究

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1、基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果的采空區(qū)失穩(wěn)預(yù)測(cè)模型研究第一章緒論1.1引言礦產(chǎn)資源是重要的自然資源，是人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)是世界上礦產(chǎn)資源總量豐富、礦種比較齊全的少數(shù)幾個(gè)資源大國(guó)之一，已探明的礦產(chǎn)資源有156種資源，占世界的12%，位居世界第三，僅次于美國(guó)和俄羅斯[1]。新中國(guó)成立后，礦產(chǎn)資源勘查與開發(fā)快速發(fā)展，由于國(guó)家對(duì)于礦產(chǎn)資源的開采監(jiān)管力度不足，監(jiān)管措施不到位等原因，導(dǎo)致礦山資源開采秩序混亂，非法開采和無規(guī)劃的亂采亂挖等現(xiàn)象非常嚴(yán)重，在金屬非金屬地采礦山中形成大量的采空區(qū)。長(zhǎng)沙礦山研究院對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的金

2、屬以及非金屬大、中型礦山的采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明我國(guó)有色金屬礦山采空區(qū)的總體積約為1.9億立方米，黑色金屬礦山的采空區(qū)規(guī)模達(dá)到0.8億立方米，黃金、化工以及建材礦山的采空區(qū)規(guī)模分別達(dá)到0.32億立方米、0.75億立方米及0.57億立方米。地下大量存在采空區(qū)主要包括未查明的采空區(qū)和礦產(chǎn)資源開采后形成大量的未處理的采空區(qū)。未查明采空區(qū)一方面危害地表新建設(shè)施，導(dǎo)致地表設(shè)施如房屋開裂、道路突現(xiàn)天坑等事故發(fā)生；另一方面在開采過程中，這些采空區(qū)可能在各種因素的誘發(fā)下而失穩(wěn)或采空區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)的水涌入到采場(chǎng)中等。已探明的采空

3、區(qū)隨著暴露面積增加、暴露時(shí)間延長(zhǎng)以及采礦擾動(dòng)作用的影響，致使礦山的開采條件不斷惡化、安全開采系數(shù)減小，甚至引起地表大面積塌陷、巖移、礦山地震等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。地下巖體被開挖后形成采空區(qū)這一活動(dòng)，擾動(dòng)了原巖應(yīng)力場(chǎng)，破壞了應(yīng)力場(chǎng)的初始平衡狀態(tài)，隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行，巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，從而可能導(dǎo)致采空區(qū)兩幫周圍的應(yīng)力集中或增加頂板的拉應(yīng)力。當(dāng)頂板的巖石的抗拉強(qiáng)度低于所受的拉應(yīng)力時(shí)，采空區(qū)頂板發(fā)生塌陷；當(dāng)采空區(qū)兩幫圍巖應(yīng)力集中大于巖石峰值抗壓強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象。1.2研究背景及意義目前，隨著礦山資源不斷枯竭、開

4、采深度不斷增加、開采條件不斷惡化、開采技術(shù)滯后提高等因素，國(guó)內(nèi)大部分礦山陷入開采難的困境以及深部開采面臨的困境，為了最大限度的利用礦山資源，保證礦山經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定，許多礦山進(jìn)入老采空區(qū)進(jìn)行回收采空區(qū)邊緣礦或永久保留的礦柱等以及進(jìn)行深部開采。由于老采空區(qū)開采年限久、頂板暴露時(shí)間長(zhǎng)以及深部開采溫度與地壓的等因素影響，采空區(qū)頂板或礦柱失穩(wěn)事故更易發(fā)生，嚴(yán)重危及礦山工作人員的生命安全。如何進(jìn)入保證礦山的經(jīng)濟(jì)效益，又能保證采礦過程中空區(qū)的穩(wěn)定性，并能時(shí)刻掌握地壓活動(dòng)變化規(guī)律，甚至預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板坍塌事故的發(fā)生，這是礦山密

5、切關(guān)注的重要問題，也是企業(yè)亟需解決的難題。湖北省鄂東地區(qū)華靈集團(tuán)所屬多個(gè)礦山處于資源枯竭的邊緣，為了保證礦山當(dāng)前生產(chǎn)可持續(xù)，礦山管理人員決定進(jìn)入封閉已久的老采空區(qū)進(jìn)行殘礦的回采。由于老采空區(qū)暴露時(shí)間長(zhǎng)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)不明朗等因素，礦山在老采空區(qū)的殘采存在著極大的安全隱患。目前，鄂東地區(qū)多個(gè)礦山已發(fā)生多起因采空區(qū)失穩(wěn)安全事故，例如，華靈集團(tuán)長(zhǎng)坪豎井為了回收露天坑底部及-50m水平的資源，在露天坑底未采取任何防護(hù)措施進(jìn)行作業(yè)，經(jīng)過多次放炮后，露天坑發(fā)生滑坡，在坡頂產(chǎn)生寬為5~10cm，長(zhǎng)約10~15m的裂縫

6、；華靈集團(tuán)靈寶鐵礦資源枯竭，因此，在已回采完的采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)幫及擴(kuò)高開采，導(dǎo)致該礦-70m水平頂板于2013年多次垮塌；2012年9月，普民鐵礦在-610m水平回采作業(yè)時(shí)，由于采空區(qū)跨度大，空區(qū)內(nèi)未保留礦柱，導(dǎo)致回采過程中1#礦房頂板發(fā)生大規(guī)模的垮塌；2011年9月，正旺鐵礦-580m水平采空區(qū)頂板存在軟弱夾層，在排險(xiǎn)放炮時(shí)發(fā)生頂板軟弱巖層大面積塌陷；2008年7月，垴窖鐵礦由于不按規(guī)范開采，導(dǎo)致采空區(qū)頂板發(fā)生大規(guī)模塌陷，甚至造成人員傷亡。第二章聲發(fā)射技術(shù)原理及其應(yīng)用2.1引言聲發(fā)射(AcousticEmiss

7、ion,簡(jiǎn)稱AE)是指材料在外部（載荷、溫度變化等）或內(nèi)部（裂紋缺陷）等相互作用下，材料的內(nèi)部發(fā)生變形，從而產(chǎn)生應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)變能積聚到一定程度，并高于巖體的極限強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)變能會(huì)以波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象即稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射現(xiàn)象在自然界和日常生活中十分普遍，自然界和日常生活中許多的材料其內(nèi)部發(fā)生變形破壞時(shí)均會(huì)釋放聲發(fā)射信號(hào)，但是這些信號(hào)人耳很難聽見，因此，只能采用特定的儀器進(jìn)行采集、放大，并記錄該聲發(fā)射信號(hào)，通過儀器采集并記錄聲發(fā)射信號(hào)的技術(shù)稱為巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)。.2.2聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞是一

8、個(gè)累積的過程，是由其內(nèi)部或表面的幾條裂紋或微裂隙在外界荷載或內(nèi)部應(yīng)力作用下，發(fā)生擴(kuò)展和貫通，當(dāng)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全發(fā)生貫通破壞時(shí)，巖體才會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。裂紋或微裂隙在擴(kuò)展過程中，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間相互擠壓、摩擦，在擠壓摩擦的同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)隨之釋放，運(yùn)用巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀對(duì)釋放出的信號(hào)進(jìn)行采集和分析，可知道聲發(fā)射信號(hào)隨巖體破壞程度不同而不同。運(yùn)用不同的分析方法分析采集的聲發(fā)射信號(hào)，可得到聲發(fā)射源的位置和破壞程度，以及巖體破壞