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礦柱失穩誘發礦區坍塌災害機理與評估(精)/巖石力學與工程研究著作叢書 版權信息
- ISBN：9787030717351
- 條形碼：9787030717351 ; 978-7-03-071735-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
礦柱失穩誘發礦區坍塌災害機理與評估(精)/巖石力學與工程研究著作叢書 內容簡介
礦柱是開采地下礦產資源時為支撐采區周圍巖體而留設的暫時或較為性巖柱，對保障礦區安全起著至關重要的作用，本書以室內試驗與理論分析為主，側重礦柱群系統力學行為的研究，探究采空區坍塌災害演化機理，研發礦柱群坍塌風險評估方法。 本書可供采礦工程、巖土工程、交通工程、水利工程等領域從事科研、設計、生產、施工與教學的人員參考，也可作為高等院校采礦與安全工程等相關專業的本科生和研究生的參考書。
礦柱失穩誘發礦區坍塌災害機理與評估(精)/巖石力學與工程研究著作叢書 目錄
目錄
“巖石力學與工程研究著作叢書”序
“巖石力學與工程研究著作叢書”編者的話
前言
第1章 緒論 1
1.1 礦柱失穩與礦區坍塌典型案例 2
1.2 國內外主要研究現狀 10
1.2.1 單礦柱承載與失穩特征 10
1.2.2 礦柱體系失穩的影響因素 15
1.2.3 復雜開采條件下礦柱與采空區的穩定性 17
參考文獻 20
第2章 雙礦柱體系承載與變形破壞特征 27
2.1 雙礦柱承載壓縮試驗 27
2.1.1 試驗設計 27
2.1.2 試驗結果及分析 31
2.2 雙礦柱體系承載特征數值模擬 42
2.2.1 PFC2D模擬模型建立 43
2.2.2 不同彈性模量雙礦柱體系模擬結果 46
2.2.3 不同峰值荷載雙礦柱體系模擬結果 48
2.3 雙礦柱體系共同承載及失穩特征 51
2.3.1 雙礦柱體系承載特征 51
2.3.2 雙礦柱體系失穩特征 55
參考文獻 59
第3章 多礦柱體系承載與失穩特征 60
3.1 模型設計與準備 60
3.2 模型試驗結果及分析 64
3.3 多礦柱體系礦柱頂板失穩模式 75
3.4 多礦柱體系共同承載特征 78
3.4.1 礦柱-頂板結構理論模型 78
3.4.2 礦柱群承載特征的數值試驗 81
參考文獻 85
第4章 礦柱群連鎖失穩的荷載傳遞特性 87
4.1 礦柱群連鎖失穩過程中的荷載傳遞效應 87
4.1.1 礦柱失穩荷載傳遞效應數值模擬分析 87
4.1.2 礦柱失穩荷載傳遞結果分析與討論 89
4.2 礦柱失穩荷載傳遞率 98
4.2.1 礦柱失穩荷載傳遞率指標 98
4.2.2 礦柱失穩荷載傳遞率的空間分布 101
4.3 不同工況對礦柱失穩荷載傳遞率的影響分析 109
參考文獻 117
第5章 開采擾動對礦柱群穩定性的影響 118
5.1 近區開采對上部礦柱群穩定性的影響 118
5.1.1 模型試驗與設計 118
5.1.2 頂板運動及失穩特征 120
5.1.3 礦柱群失穩傳遞機理 126
5.1.4 礦柱群失穩及頂板剪切破壞 138
5.1.5 礦柱群失穩誘發及災害傳遞機制 139
5.2 礦柱回采或失穩誘發動力的產生機制 143
5.2.1 礦柱回采或失穩誘發動力產生原因 143
5.2.2 礦柱回采或失穩誘發動力的計算 144
5.3 礦柱回采或失穩誘發動力的擾動及破壞效應 148
5.3.1 數值模型及模擬步驟 148
5.3.2 礦柱動力響應的結果分析 151
5.3.3 卸載波在地下巖體中的傳播過程 152
5.3.4 回采或失穩誘發動力對采場穩定性的影響 154
參考文獻 160
第6章 礦柱群連續倒塌的風險分析與評估 161
6.1 考慮荷載傳遞的礦柱群連續倒塌模型 161
6.1.1 分析模型 161
6.1.2 模型算法與實現流程 162
6.1.3 模型應用案例分析 163
6.2 考慮連續倒塌效應的礦柱群可靠性分析 169
6.2.1 考慮荷載傳遞的礦柱可靠性分析 169
6.2.2 礦柱強度離散性與礦柱相關性對評估結果的影響 175
6.3 礦柱群連續倒塌的風險評估 176
6.3.1 風險及風險值 176
6.3.2 連續倒塌危險區域劃分 178
6.3.3 案例應用與適用性 180
參考文獻 186
“巖石力學與工程研究著作叢書”序
“巖石力學與工程研究著作叢書”編者的話
前言
第1章 緒論 1
1.1 礦柱失穩與礦區坍塌典型案例 2
1.2 國內外主要研究現狀 10
1.2.1 單礦柱承載與失穩特征 10
1.2.2 礦柱體系失穩的影響因素 15
1.2.3 復雜開采條件下礦柱與采空區的穩定性 17
參考文獻 20
第2章 雙礦柱體系承載與變形破壞特征 27
2.1 雙礦柱承載壓縮試驗 27
2.1.1 試驗設計 27
2.1.2 試驗結果及分析 31
2.2 雙礦柱體系承載特征數值模擬 42
2.2.1 PFC2D模擬模型建立 43
2.2.2 不同彈性模量雙礦柱體系模擬結果 46
2.2.3 不同峰值荷載雙礦柱體系模擬結果 48
2.3 雙礦柱體系共同承載及失穩特征 51
2.3.1 雙礦柱體系承載特征 51
2.3.2 雙礦柱體系失穩特征 55
參考文獻 59
第3章 多礦柱體系承載與失穩特征 60
3.1 模型設計與準備 60
3.2 模型試驗結果及分析 64
3.3 多礦柱體系礦柱頂板失穩模式 75
3.4 多礦柱體系共同承載特征 78
3.4.1 礦柱-頂板結構理論模型 78
3.4.2 礦柱群承載特征的數值試驗 81
參考文獻 85
第4章 礦柱群連鎖失穩的荷載傳遞特性 87
4.1 礦柱群連鎖失穩過程中的荷載傳遞效應 87
4.1.1 礦柱失穩荷載傳遞效應數值模擬分析 87
4.1.2 礦柱失穩荷載傳遞結果分析與討論 89
4.2 礦柱失穩荷載傳遞率 98
4.2.1 礦柱失穩荷載傳遞率指標 98
4.2.2 礦柱失穩荷載傳遞率的空間分布 101
4.3 不同工況對礦柱失穩荷載傳遞率的影響分析 109
參考文獻 117
第5章 開采擾動對礦柱群穩定性的影響 118
5.1 近區開采對上部礦柱群穩定性的影響 118
5.1.1 模型試驗與設計 118
5.1.2 頂板運動及失穩特征 120
5.1.3 礦柱群失穩傳遞機理 126
5.1.4 礦柱群失穩及頂板剪切破壞 138
5.1.5 礦柱群失穩誘發及災害傳遞機制 139
5.2 礦柱回采或失穩誘發動力的產生機制 143
5.2.1 礦柱回采或失穩誘發動力產生原因 143
5.2.2 礦柱回采或失穩誘發動力的計算 144
5.3 礦柱回采或失穩誘發動力的擾動及破壞效應 148
5.3.1 數值模型及模擬步驟 148
5.3.2 礦柱動力響應的結果分析 151
5.3.3 卸載波在地下巖體中的傳播過程 152
5.3.4 回采或失穩誘發動力對采場穩定性的影響 154
參考文獻 160
第6章 礦柱群連續倒塌的風險分析與評估 161
6.1 考慮荷載傳遞的礦柱群連續倒塌模型 161
6.1.1 分析模型 161
6.1.2 模型算法與實現流程 162
6.1.3 模型應用案例分析 163
6.2 考慮連續倒塌效應的礦柱群可靠性分析 169
6.2.1 考慮荷載傳遞的礦柱可靠性分析 169
6.2.2 礦柱強度離散性與礦柱相關性對評估結果的影響 175
6.3 礦柱群連續倒塌的風險評估 176
6.3.1 風險及風險值 176
6.3.2 連續倒塌危險區域劃分 178
6.3.3 案例應用與適用性 180
參考文獻 186
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礦柱失穩誘發礦區坍塌災害機理與評估(精)/巖石力學與工程研究著作叢書 節選
第1章緒論 礦柱是開采地下礦產資源時為支撐采區周圍巖體而留設的暫時或永久性巖柱，起到支撐采空區周圍巖體、保障采場穩定的作用。雖然出于提高回采率、減少資源浪費以及環境保護等目的，礦業界正在大力提倡充填采礦方法，但在幾十年前，80%以上的礦山采用房柱法、空場法等開采方法。礦石被采出后，會在礦區留下數量龐大、空間分布錯綜復雜的采空區和礦柱群，部分礦山的礦柱群分布可在垂深方向達到數百米、水平方向綿延數千米。隨著時間的推移，礦柱承載能力會逐漸降低，*終可能引發礦柱群失穩和礦山大規模坍塌災害。例如，1960年1月20日發生在南非Coalbrook礦的一次礦難，老舊礦柱群失穩導致約3km2的礦區坍塌，造成數百人遇難。類似事故時有發生，不僅會造成地下生產系統的損壞、地表塌陷，還會誘發水土流失、礦區生態環境破壞等次生災害，對礦區經濟發展和社會穩定造成極大的負面影響。 通常，礦柱群大規模坍塌災害影響范圍大，而且具有擾動誘發和“多米諾骨牌”式連鎖反應等特點。以廣東省大寶山礦區坍塌事故為例，該礦有上千年的開采歷史，以房柱法開采為主，地下采空區與礦柱群層羅疊布，呈現蜂窩狀。2004年6月12日8：15左右，爆破作業誘發局部礦柱失穩，在副井－458m、－470m、－485m三個中段232線～272線范圍，巖體坍塌并向上部傳遞，造成附近幾個開采中段先后貫穿。15：15左右，－500～－570m盲斜井大約在.540m標高處發生井筒坍塌。6月13日22：00左右、6月14日10：50左右，同一區域又接連發生失穩事故。6月17日10：30左右，－500～－570m盲斜井再次塌方，涉及－458m、－470m、－485m、－500m、－542m等多個中段，塌方垂直高度達84m。在－470m中段，冒落長度在東西方向平均為90m，在南北方向平均為120m；在－485m中段，冒落長度在東西方向平均為80m，在南北方向平均為120m；在－500m中段，冒落長度在東西方向平均為48m，在南北方向平均為90m。隨后幾天內，在礦區巖體應力重新平衡過程中，數十個中段持續發生坍塌事故，失穩巖體體積達到數千萬立方米[1]。 礦柱失穩誘發礦區坍塌災難如此觸目驚心，已經引起國內外政府和企業的高度重視。2008年以來，澳大利亞昆士蘭州對Ipswich地區廢棄礦山進行了系統的調查與穩定性評價，并對局部礦區進行了回填處理[2]。2016年6月，我國國務院安全生產委員會辦公室印發了《金屬非金屬地下礦山采空區事故隱患治理工作方案》通知[3]，要求2016年，全面完成全國金屬非金屬地下礦山采空區的調查和治理工程設計等工作，啟動“三下”（水體下、建筑物下、鐵路下）開采、石膏礦等影響大的非金屬礦采空區、大面積連片和總體積超過100萬m3的采空區等重點治理項目。2017年，全面啟動采空區事故隱患治理項目，基本完成“三下”開采、石膏礦等影響大的非金屬礦采空區、大面積連片和總體積超過100萬m3的采空區治理任務。2018年，基本完成采空區事故隱患治理任務，實現礦山企業對采空區的規范管理。 與此同時，研究者通過多年的努力，在單礦柱的承載及破壞特征、礦柱群體系失穩的影響因素及礦柱和圍巖失穩監測與評價等方面取得了許多研究成果[4-7]。然而，地下工程礦柱與圍巖的失穩災害誘因多，失穩方式復雜，且人們對其發生機理和演化規律的認識十分有限，相關研究還以事故調查和原因推測為主。礦柱破壞引起的礦山區域性失穩具有傳遞性，往往成片破壞。其具體表現為：礦柱群中某一個或幾個礦柱失穩后，力的傳遞等原因造成相鄰礦柱相繼失穩。此時，礦柱群體系應力場演化機制可能已經超越經典力學范疇，不能用單礦柱承載理論來解釋，需要用系統學方法描述其行為特性。 1.1礦柱失穩與礦區坍塌典型案例 1.河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區案例 2005年11月6日，河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區發生特別重大事故，不規范開采導致礦柱群失穩，誘發地表沉降，造成數十人死亡，另有幾十人受傷，并有88間房屋倒塌，8個豎井嚴重變形受損。如圖1.1和圖1.2所示，地表塌陷面積5.3萬m2，塌陷區呈300m×210m橢圓形，坍塌體積24.3萬m3，地表移動面積24.5萬m2，地面*大傾斜95mm/m（約7°），*大錯動量1.5m，塌陷區中部*大下沉8.0m[8]。 事故調查顯示[8]，此次災害發生的主要原因如下： （1）事故礦區的礦井之間無安全隔離礦柱，使事故規模和影響范圍擴大。 （2）礦柱沒有達到符合長期穩定性要求的尺寸，處于不穩定狀態，為事故萌生埋下了隱患。 （3）礦房頂板出現單向發育拉裂縫，處于亞穩定狀態，為事故的發展提供了前提條件。 （4）多水平開采后，礦房頂柱被大面積遺留在采空區上方，營造了大范圍采空區塌陷的可能。 （5）采空區頂板關鍵層——灰巖層在采空區整體支撐能力下降74%以后，具備全局塌陷失穩力學條件。 2.山東省平邑縣萬莊石膏礦區案例 2015年12月25日7：56，山東省平邑縣萬莊石膏礦區發生采空區坍塌，造成該礦區內玉榮石膏礦井下作業的數十名礦工被困。 如圖1.3所示[9]，該礦區內萬棗石膏礦與玉榮石膏礦相鄰，且開采同一層礦體，兩礦間的隔離礦柱為40m，石膏原礦的抗壓強度一般為19.2～23.6MPa，其直接頂為砂質泥巖、粉砂巖與膏體層互層，分層厚度為10～15m，單軸抗壓強度僅為3.18～5.3MPa，自然裸露狀態下一般會隨采隨冒，但其碎脹性很小，冒落后不會充滿采空區。基本頂為位于第四系下部的灰巖層，厚度為30～200m、抗壓強度為63.6～108MPa，極限跨度大，具備積聚大量彈性能的客觀條件。 事故調查顯示[9]，萬棗石膏礦采空區經過多年風化、蠕變，采場頂板垮塌不斷擴展，使上覆巨厚石灰巖懸露面積不斷增大，超過極限跨度后突然斷裂，灰巖層積聚的彈性能瞬間釋放形成礦震，誘發相鄰玉榮石膏礦上覆石灰巖垮塌，井巷工程區域性破壞，是造成事故的直接原因。坍塌災害形成機理如下： （1）從石膏礦層和頂底板圍巖性能分析，隨著時間的推移，采空區域內礦房冒落和礦柱失穩在所難免。如圖1.4所示[9]，礦床開采后，形成以
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