CN104715161A - 一种采空区顶板稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采空区顶板稳定性判别方法，本发明根据岩石材料物理力学特性，基于材料强度储备的概念，对采空区覆岩稳定性安全系数进行定义，将其定义为覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值与折减之后临界破坏的剪切强度和抗拉强度的比值之比；运用FLAC^3D有限差分程序，对顶板覆岩黏聚力、内摩擦角和抗拉强度进行折减，以采空区顶板中央张拉性塑性区贯通作为临界破坏判别标准，以此确定顶板的临界破坏强度；采用二分法遍历搜索出符合收敛条件的安全系数，实现采场空区顶板是否稳定的定量性评价。本发明为地下矿山的安全开采提供指导，避免因地下开采导致采空区顶板失稳沉降甚至塌陷而造成人员伤亡、设备损坏等矿山生产安全事故的发生。

Description

一种采空区顶板稳定性判别方法

技术领域

本发明涉及矿山采空区安全判别技术，特别是一种采空区顶板稳定性判别方法。

背景技术

房柱式空场采矿法是我国目前金属矿山采用较普遍的采矿方法，依靠顶板和矿柱形成相互作用的共同承载结构来进行地压管理与控制，实现矿石的安全、高效开采。顶板稳定是房柱法采矿中采场结构参数设计优化的基础。在矿山实际开采过程中，由于爆破震动、地下水等因素的动态干扰，导致现场及室内所测定的岩体力学参数不够准确，因此，也致使对采空区顶板稳定性预测和覆岩移动控制方面受到很大限制。数值模拟方法因能较好地考虑介质的各向异性、非均质性、不连续性及围岩的复杂地质条件而得到广泛应用。

有限元强度折减法在边坡稳定性分析中得到了较好的应用，并获得了一系列的研究成果。与传统的极限平衡法相比，该方法不仅满足了力的平衡条件，同时还考虑了材料的应力应变关系，在模型进行计算时不需要做任何假设，就能得出任意形状的临界滑动面和与其相对应的最小安全系数，另外还可时刻反映边坡失稳及塑性区的发展贯通过程。但是该方法在金属矿山采空区顶板的稳定性分析中目前未有涉及。

发明内容

因岩石属脆性材料，具有抗压不抗拉的特性，其破坏主要受剪应力和拉应力的作用造成的，首先根据岩石材料物理力学特性，对采空区覆岩稳定性安全系数进行定义，将其定义为覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值与折减之后临界破坏的剪切强度和抗拉强度的比值之比。运用FLAC^3D有限差分程序，对顶板覆岩黏聚力、内摩擦角和抗拉强度进行折减，以此确定顶板的临界破坏强度，以采空区顶板中央张拉性塑性区贯通作为临界破坏判别标准。采用二分法遍历搜索出符合收敛条件的安全系数，实现采场空区顶板是否稳定的定量性评价。

本发明的目的是提供一种采空区顶板稳定性判别方法，它简便易行、安全可靠，是基于材料强度储备的概念，对采空区顶板稳定性安全系数进行定义，就金属矿山采空区顶板强度进行折减。

本发明技术方案：一种采空区顶板稳定性判别方法，包括如下步骤：

第一步：对采空区顶板稳定性安全系数进行定义，将其定义为顶板覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值与折减之后临界破坏的剪切强度和抗拉强度的比值之比；根据岩石材料物理力学特性，参考《工程岩体分级标准》(GB50218-92)和《岩土工程勘察规范》确定岩体工程力学参数密度γ、弹性模量E、黏聚力c、摩擦角泊松比μ、抗拉强度σ_b；

第二步：运用FLAC^3D有限差分程序，对顶板黏聚力、内摩擦角和抗拉强度进行折减，以采空区顶板中央张拉性塑性区贯通作为临界破坏判别标准；

将采空区覆岩黏聚力c、内摩擦角值同时除以一个折减系数F_s，得到一组新的强度参数值：见下面式(1)、(2)、(3)，利用折减后的虚拟抗剪强度指标C_F和取代原来的抗剪强度指标c、代入FLAC^3D计算程序进行研究分析；

C_F＝C/F_s    (1)

式中C_F——折减后岩体虚拟的黏聚力，单位MPa；

——折减后顶板岩体虚拟的内摩擦角，单位°；

τ_fF——折减后的抗剪强度，单位MPa；

第三步：采用二分法遍历搜索出符合收敛条件的安全系数，通过不断地调整折减系数F_s，直到采空区顶板达到临界破坏垮塌，此时对应的折减系数F_s即为其安全系数，以此实现采场空区顶板是否稳定的定量评价；

利用有限元强度折减法求解金属矿山采空区顶板的安全系数，其实质是计算使采空区顶板处于破坏临界状态时的折减系数，为一优化问题；假如利用逐步折减强度参数来求解，则FLAC^3D分析次数繁多，有时甚至难以实现，因此，本发明采用二分法遍历搜索符合收敛条件的安全系数，其计算过程如下：

(一)采用二分法搜索强度折减安全系数，计算过程中的精度控制k₂-k₁≤0.02；

(1)设置安全系数的初始最小值k₁，初始最大值k₂，分别作为二分法的下限和上限；

(2)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2，k即为此循环步的强度折减安全系数；

(3)以k值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算；

(4)此时如果岩石发生破坏，将二分法的上限设为k，下限不变；反之将二分法的下限设为k，上限不变；

(5)根据新设定的二分法上下限，循环重置最小值、最大值、中值，更新材料参数进行静力计算，直至满足精度k₂-k₁≤0.02；

(二)得出强度折减安全系数k＝(k₁+k₂)/2，搜索计算结束。

本发明的有益效果：

(1)为地下矿山的安全开采提供指导，避免因地下开采导致采空区顶板失稳沉降甚至塌陷而造成人员伤亡、设备损坏等矿山生产安全事故的发生。

(2)采空区顶板的稳定判别可为采场结构参数设计优化提供参考依据。

(3)可避免因开采过程中爆破震动、地下水等因素的动态干扰所导致现场及室内所测定的岩体力学参数不够准确，进而造成在对采空区顶板稳定性预测和覆岩移动控制方面受到很大限制。

(4)能较好地考虑岩石介质的各向异性、非均性、不连续性及围岩复杂的边界条件等因素，实施过程简便、经济、安全。

附图说明

附图为本发明中安全系数求解算法N-S图。

具体实施方式

本发明基于有限元强度折减法的优点，将其应用到金属矿山采空区顶板稳定性安全判别中。

采用本发明在国内某大型房柱法开采的矿山进行了采空区顶板稳定性不公开测试，为矿山采空区顶板稳定性预测提供参考。

实施例具体描述如下：

第一步：将采空区顶板稳定性安全系数定义为顶板覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值与折减之后临界破坏的剪切强度和抗拉强度的比值之比；也即将覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值，除以临界破坏时覆岩剪切强度和抗拉强度的比值；根据该矿山室内试验岩石力学参数试验成果，参考《工程岩体分级标准》(GB50218-92)和《岩土工程勘察规范》确定岩体工程力学参数密度γ、弹性模量E、黏聚力c、摩擦角泊松比μ、抗拉强度σ_b，该矿山围岩和矿体物理力学参数如

表；

表1 岩体力学参数

第二步：根据该矿-460m中段矿体走向长度为90m，矿体厚度6m，矿房宽10m，矿柱宽6m，沿矿体走向布置6个矿房，5个矿柱；模型尺寸为170m×92m×1m，模型为平面应变模型；模型采用等网划分，共有15640个单元，31806个节点；同时考虑岩体自重应力和构造应力，来获得分析模型的初始应力场，研究区内的垂直应力随深度线性变化，根据该矿矿体埋藏深度和平均岩体密度γ＝2800kg/m³计算；考虑构造应力的影响，沿矿体走向的水平应力取垂直应力的0.75倍，水平应力σ_x＝0.75σ_z，σ_z为垂直应力；模型底部表面为约束边界，模型四周和上部表面为单向边界；

对顶板覆岩黏聚力c、内摩擦角和抗拉强度σ_b代入FLAC^3D计算程序进行折减计算，以采空区顶板中央张拉性塑性区贯通作为临界破坏判别标准；

第三步：为了优化计算，采用二分法遍历搜索出符合收敛条件的安全系数，通过不断地调整折减系数F_s，直到采空区顶板达到临界破坏垮塌，此时对应的折减系数F_s即为其安全系数；

根据附图安全系数求解算法N-S流程图进行计算，具体分析过程如表2所示，其具体计算分析过程详述如下：

(一)假定最小安全系数为1.0，取初始粘聚力15.0MPa，抗拉强度7.5MPa，内摩擦角45°，进行静力学计算，不发生破坏；

(二)假定最大安全系数为5.0，按强度折减法原理进行强度参数计算，发生破坏；

(三)对1.0～5.0之间的安全系数采用二分法进行多循环步搜索；

(1)设置安全系数的初始最小值k₁＝1.0，初始最大值k₂＝5.0，分别作为二分法的下限和上限；

(2)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2＝(1.0+5.0)/2＝3.0，以k＝3.0值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算，不发生破坏；

(3)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2＝(3.0+5.0)/2＝4.0，以k＝4.0值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算，发生破坏，说明安全系数介于3.0～4.0之间；

(4)循环迭代计算，更新材料参数进行静力计算，监测岩石材料破坏情况，直至满足精度k₂-k₁≤0.02；

(四)搜索出强度折减安全系数k＝3.48，取三位有效数字，计算结束。

表2 原生矿柱支护下顶板强度折减分析过程

为说明采空区顶板张拉塑性区扩展贯通情况，对安全系数分别为1、3.0、3.25和3.48时的塑性区分布图进行分析，可以看出采空区顶板中往往会出现拉应力集中，空区顶板中央和底板，出现张拉塑性破坏。顶板两侧首先由于应力集中，产生剪切塑性破坏。对于采用房柱法开采的金属矿山，由于矿房跨度过大，采场空区顶板主要的破坏形式为张拉性塑性破坏。通过以张拉性塑性区扩张贯通为顶板破坏判据的强度折减法，实现了采场空区顶板的安全性评价，得出该矿房柱法开采条件下，采空区顶板的安全系数为3.48。这一结果表明，采场结构参数合理，岩体力学条件良好的情况下，可以确保该矿山采空区顶板的安全。

为了验证该方法的正确性和工程实用性，发明人对该矿-460m中段采空区顶板沉降采用VWM型振弦式多点位移计进行现场监测，在采空区顶板钻凿监测钻孔，通过监测可得采空区顶板的相对下沉量、垮落程度或破坏范围。若多点位移计测得的多个监测点的变化率或位移值突然增大则可作为覆岩可能发生失稳破坏的判据。

从顶板多点位移计监测的位移数据来看，在矿体回采的初期几个月，采空区顶板沉降变化较大，沉降不稳定，沉降量也较大，随着采空区顶板覆岩的应力分布转移到四周围岩上之后，采空区顶板沉降量降低，且逐步趋于平稳，能满足矿山安全生产的需要。

Claims (2)

1.一种采空区顶板稳定性判别方法，其特征是：包括如下步骤：

第一步：对采空区顶板稳定性安全系数进行定义，将其定义为顶板覆岩实际剪切强度和抗拉强度的比值与折减之后临界破坏的剪切强度和抗拉强度的比值之比；根据岩石材料物理力学特性，参考《工程岩体分级标准》(GB50218-92)和《岩土工程勘察规范》确定岩体工程力学参数密度γ、弹性模量E、黏聚力c、摩擦角泊松比μ、抗拉强度σ_b；

第二步：运用FLAC^3D有限差分程序，对顶板黏聚力、内摩擦角和抗拉强度进行折减，以采空区顶板中央张拉性塑性区贯通作为临界破坏判别标准；

将采空区覆岩黏聚力c、内摩擦角值同时除以一个折减系数F_s，得到一组新的强度参数值：见下面式(1)、(2)、(3)，利用折减后的虚拟抗剪强度指标C_F和取代原来的抗剪强度指标c、代入FLAC^3D计算程序进行研究分析；

C_F＝C/F_s  (1)

式中C_F——折减后岩体虚拟的黏聚力，单位MPa；

——折减后顶板岩体虚拟的内摩擦角，单位°；

τ_fF——折减后的抗剪强度，单位MPa；

第三步：采用二分法遍历搜索出符合收敛条件的安全系数，通过不断地调整折减系数F_s，直到采空区顶板达到临界破坏垮塌，此时对应的折减系数F_s即为其安全系数，以此实现采场空区顶板是否稳定的定量评价；

二分法遍历搜索符合收敛条件的安全系数，其计算过程如下：

(一)采用二分法搜索强度折减安全系数，计算过程中的精度控制k₂-k₁≤0.02；

(1)设置安全系数的初始最小值k₁，初始最大值k₂，分别作为二分法的下限和上限；

(2)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2，k即为此循环步的强度折减安全系数；

(3)以k值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算；

(4)此时如果岩石发生破坏，将二分法的上限设为k，下限不变；反之将二分法的下限设为k，上限不变；

(5)根据新设定的二分法上下限，循环重置最小值、最大值、中值，更新材料参数进行静力计算，直至满足精度k₂-k₁≤0.02；

(二)得出强度折减安全系数k＝(k₁+k₂)/2，搜索计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种采空区顶板稳定性判别方法，其特征是：安全系数具体计算分析过程如下：

(一)假定最小安全系数为1.0，取初始粘聚力15.0MPa，抗拉强度7.5MPa，内摩擦角45°，进行静力学计算，不发生破坏；

(二)假定最大安全系数为5.0，按强度折减法原理进行强度参数计算，发生破坏；

(三)对1.0～5.0之间的安全系数采用二分法进行多循环步搜索；

(1)设置安全系数的初始最小值k₁＝1.0，初始最大值k₂＝5.0，分别作为二分法的下限和上限；

(2)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2＝(1.0+5.0)/2＝3.0，以k＝3.0值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算，不发生破坏；

(3)搜索中值k＝(k₁+k₂)/2＝(3.0+5.0)/2＝4.0，以k＝4.0值同步更新岩石材料强度参数，进行静力学计算，发生破坏，说明安全系数介于3.0～4.0之间；

(4)循环迭代计算，更新材料参数进行静力计算，监测岩石材料破坏情况，直至满足精度k₂-k₁≤0.02；

(四)搜索出强度折减安全系数k＝3.48，取三位有效数字，计算结束。